色差对星敏感器成像模型参数影响分析与补偿

星敏感器在投入使用之前需要对其进行标定以获取准确的成像模型参数值来保证姿态测量精度。现有标定方法采用单一谱段光源模拟恒星成像未考虑恒星光谱特性,色差导致标定的模型参数值和真实值存在差异。为提高模型参数准确度,首先建立了光谱差异下星敏感器恒星成像模型,进一步分析了色差对不同光谱型恒星成像模型参数的影响。在此基础上,提出采用三个典型谱段模拟恒星成像,利用三谱段成像位置信息来推算不同光谱型恒星在星敏感器工作谱段范围内成像位置,以实现对任意光谱型恒星成像模型参数的补偿。实验结果表明:相对于现有利用单一谱段标定参数测量的星角距,该补偿方法测量的星角距均方根误差降低了40.81%,有效减小了色差对星矢量测量的影响。

基于激光跟踪仪的天基望远镜安装测量技术

根据天基硬X射线调制望远镜的总体设计要求,提出了望远镜测量坐标系与星敏感器坐标系一致性测量原理,在分析被测对象特点的基础上,设计了基于激光跟踪仪的测量方案,并设计了人造星源等辅助测量装置,分析了测量精度,给出了望远镜坐标系和星敏感器坐标系的具体测量步骤,总结了测量方案的一系列特点,最后指出了下一步研究方向。

星图识别的一种扩充栅格算法

栅格算法作为一种鲁棒性好、识别率高的星图识别算法,要求星图中不少于6颗星才能进行正常的识别,限制了其在小视场或低星等敏感极限的星敏感器中的应用.针对这种情况,提出了星图识别的扩充栅格算法,该算法将扩充星图法与栅格算法结合,将视场进行有效地扩充,得到了更加丰富的星点信息,同时继承了栅格算法的优势,拥有比现有扩充星图法更强的噪声鲁棒性和更高的识别成功率.依据实际情况建立了仿真环境,并进行了大量实验,验证了算法的实时性和高识别率性能.结果表明:当应用于小视场星敏感器时,扩充栅格算法在位置噪声为1像素时的星图识别成功率大于97.4%,明显优于传统的扩充星图算法,同时其近邻星的识别成功率最高可达到86.7%,也明显优于传统栅格算法.扩充栅格算法更加适用于小视场或低星等敏感极限的星敏感器.

利用星敏感器的卫星自主导航

本课题对利用星敏感器进行卫星自主导航问题作了初步的研究。研究表明，当已知地球大气的星光折射模型，则可利用星光折射的测量或掩星时刻的测量来实现卫星的自主导航，在导航过程中不需要精确的姿态确定。研究报告提出了相应的基本导航算法，讨论了误差的影响。通过数学仿真模拟计算，给出了数值结果，揭示了这类导航的若干特点。

导航星敏感器探测灵敏度研究

星敏感器是高精度的空间导航技术 ,是一种特殊用途的光电传感器 ,其作用对象为空间恒星。它的传感过程涉及成象光学系统、CCD探测器以及信号提取和处理等 ,每个环节都影响到系统的探测灵敏度。结合星敏感器的研究 。

基于星敏感器的星光折射卫星自主导航方法研究

研究了基于星光折射量测进行自主确定卫星姿态及轨道的方法。这种导航方案利用高精度的CCD星敏感器,结合星光穿越大气的较精确的数学模型,来间接敏感地平,从而实现对卫星的精确定位和定姿。为了说明所提导航方案的有效性,采用推广卡尔曼滤波算法,结合模拟的测量数据对自主定轨进行了仿真。仿真结果表明,定轨精度优于100m。还分析比较了采样周期、星敏感器精度、恒星数目等因素对定轨精度的影响。总结了其变化规律,可用于提高卫星自主定轨精度。

色温对星敏感器恒星定位精度的影响

色温影响星敏感器恒星定位精度。运用光线追迹方法,研究色温对恒星定位精度的影响。在分析不同色温恒星光谱分布特征的基础上,建立恒星光谱模型,计算色温差异引起的恒星定位误差。计算结果表明:中心视场附近色温差异引起的恒星定位误差较视场边缘小;通过合理选择光学系统的响应波段,可以减小色温差异引起的恒星定位误差,但会损失恒星到达探测器感光面的光能量。例如,当响应波长从300～1100nm减小为400～800nm时,星敏感器视场(0°,0°)、(0°,2°)和(0°,4°)处的单颗恒星定位误差分别减小为0.0422″、1.9652″和3.3891″,约为原来的54%、65%和70%;色温为9600K、7600K、5600K和3600K的恒星像斑能量分别约为原来的58%、62%、63%和51%。

基于APS星敏感器与光纤陀螺的星光制导

研究了APS星敏感器基于星光折射模型的自主测量轨道和全天球自主星图识别的测量姿态方法,阐述了光纤陀螺的测量模型。详细介绍了基于APS星敏感器与光纤陀螺的组合制导系统的原理,并给出了星光-惯性组合制导系统的轨道、姿态确定算法。依据APS星敏感器和光纤陀螺的技术指标,对算法进行了仿真,结果表明,该星光-惯性组合制导系统可以有效修正弹道导弹的初始定位误差及初始对准误差。

中高轨星光折射导航光学系统设计及杂散光抑制

为了实现基于大视场星光折射敏感器的中高轨卫星全天时高精度星光折射导航,针对视场中亮地球引起的强杂散光抑制的技术难题,研究了内掩式星光折射敏感器亮地球杂散光的有效抑制方法。通过构建星光折射敏感器模型、搭建星光折射导航仿真观测环境以及原理计算得出了各级杂散光强度,并确定了相应的抑制方法。仿真结果表明,基于二次成像光学系统的内掩式星光折射敏感器可将杂散光抑制在导航系统的最大可接受杂散光抑制值范围内,即抑制后1.003Re(Re为地球半径)处杂散光亮度小于亮地球平均亮度的1.10×10^(-3)倍。最后,通过月球强背景下恒星探测外场试验验证了杂散光分析及抑制方法的可行性。研究成果为实现基于一个大视场星光折射敏感器的中高轨卫星全天时高精度星光折射导航技术奠定了基础。

星敏感器用仪器星等的确定

仪器星等对正确评估星敏感器的灵敏度、捕获概率以及建立导航星表都有重要的意义。理论推导了色指数与接受器和恒星辐射之间的关系,证明星敏感器仪器星等可以由波段星等线性拟合得出,在此基础上由蓝光和可见光波段星等拟合计算了星敏感器的仪器星等,并与实测计算数据做了对比,结果表明用色指数计算仪器星等是可行的。更进一步对误差产生的原因也作了分析探讨,结合最近天文学的研究成果,提出了改进方法,从而使获得的拟合仪器星等与通过13波段观星数据计算得出的仪器星等的标准差不超过0.1个星等,满足当前星敏感器的要求。

平台式惯性/星光组合系统斜置对准方法

采用星敏感器内置于惯性平台方案的惯性/星光组合系统需要在发射时将星敏感器对准目标恒星。提出一种通过控制平台转位实现恒星射前对准的平台斜置对准方案,并开展相应的误差分析,最后通过试验验证了方案的有效性。

飞行器在直角坐标系中定位方法研究

本文提出仅用星敏感器进行自主导航定位方法。通过大气折射数据确定飞行器高度，用星敏感器间接测量飞行器到地心的方向矢量，从而确定飞行器在地球直角坐标系中三维坐标。

基于星敏感器的星座自主导航融合技术研究

为解决单纯基于星间观测的星座自主导航系统的基准秩亏问题,利用星敏感器间接敏感地平的导航方法提出了一种基于星敏感器的星座自主导航信息融合技术。该技术可以有效地将星光折射和星间观测两种方法结合起来,利用星光折射提供星座中成员卫星的绝对位置信息,给出星座的空间基准,再利用星间相对观测,约束星座的几何结构,提高星座的整体的导航精度。

基于星光跟踪器的弹道导弹自由段天文导航

研究了基于星光折射测量进行弹道导弹自由段导航的一种方法。这种导航方案利用高精度的 CCD星敏感器,结合星光穿越大气的较精确的数学模型,来确定导弹质心位置的地心矢径。根据椭圆理论确定导弹自由段的轨道参数,进而进行导航、制导控制。

星光折射导航星的改进三角识别捕获

高精度星光折射间接敏感地平的自主导航方法,目前被国内外尤为关注。本文通过对星光折射导航观测对象———导航星捕获的研究,采用了改进的三角匹配算法并结合恒星星表,确定出导航观测星星光方向,同时依据对飞行器在轨观测星的几何关系推导,利用Unscented卡尔曼滤波算法确定航天器的在轨位置和速度。该方法能比较真实地模拟飞行器实际在轨的导航情况。仿真表明,真实星表导航精度大于人造星场;通过比较导航系统捕获20,40,60,80颗折射星的4种情况,可知捕获到的导航星的数量越多,导航精度也随之提高。

小视场轻型星敏感器在白天测星中的应用

从白天天空背景、恒星光谱特性、星敏感器的构造特点3方面分析白天大气层内小视场轻型星敏感器对恒星探测的可行性。在此基础上,采用光谱滤波、合理选择系统参数等方法,研制了小视场轻型星敏感器,并在高海拔地区进行了白天地面观星实验,理论分析和实验结果表明:小视场轻型星敏感器能够实现白天恒星的探测。在3km海拔高度、大气能见度10km、视场2°×1.5°、太阳规避角30°以外、天空晴朗无云的环境下,可探测星等极限值达到3.8等。

近地空间全天时星敏感器技术现状及发展综述

星敏感器是一种以恒星为参考源的姿态测量设备,在卫星、导弹、舰船等平台得到广泛应用。对于需在大气层内全天时工作的近地空间平台,如舰船、飞机、导弹、高空气球等,星敏感器面临白天强烈天空背景条件下探测暗弱恒星目标的难题。首先介绍了近地空间全天时星敏感器的基本工作原理;其次介绍了国内外研究现状;然后分析并总结了全天时星敏感器实现的主要技术途径;最后梳理出下一步研究方向。分析结果可为近地空间全天时星敏感器系统的研制提供参考和帮助。

在轨卫星无地面控制点摄影测量探讨

摄影测量卫星采用商用级星敏感器构成的测姿系统,其姿态测量存在不可忽视的低频和"慢漂"系统性误差,使得经过在轨标定后的星敏感器和三线阵CCD相机安装角转换参数产生额外的增量dφC、dωC、dκC。在一条航线内,这些增量可视为常量,依靠其在立体模型上表现的上下视差规律,在无地面控制点条件下,通过在光束法平差中增加对dφC、dωC及dκC补偿的措施,无地面控制点目标定位改善到11～22m左右。

星光折射自主导航星敏感器及光学系统设计研究

基于星光折射间接敏感地平自主导航星敏感器的工作原理,详细分析了星光折射星敏感器的探测参数设计,包括探测谱段、恒星观测视场、探测概率及阈值星等、恒星探测能力等。星光折射星敏感器的观测视场分为折射星与非折射星两部分,对折射星的观测视场随轨道高度增加而减小;受限于大气光谱吸收,观测折射星的谱段宜选择600~900 nm,探测信噪比随大气折射高度降低而减小。采用高灵敏度的背薄电荷耦合器件（CCD）以及精度达到微米级的无热化光学系统匹配设计。结果表明,光学系统像质良好,单一星敏感器单星测量精度达到1″,满足目前航天自主导航对姿态及位置测量精度的需求。

高精度星模拟器目标标准源设计

为满足高精度光学导航敏感器地面标定要求,针对传统标定用目标标准源技术特点,给出了一种基于有机电致发光器件(OLED)光源与光纤光导技术相结合的高精度目标标准源设计方法。分析设计方案并给出了目标标准源的整体结构;同时为提高OLED与光纤耦合效率,详细设计了标准目标源的光纤光源耦合机构以及光纤入/出射板的结构;为满足5～10等星的精确控制,对光耦合机构的自聚焦透镜和星等输出模拟系统中的滤光片进行了详细设计,并对自聚焦透镜进行了参数优化。对目标标准源的主要参数星等和星点间距精度进行的理论分析和实际测试表明所设计目标标准源达到了高精度星敏感器标定需要。