本文關(guān)鍵詞：高精度星敏感器處理鏈路關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：星敏感器是一種以恒星為參照物的高精度姿態(tài)測(cè)量設(shè)備,它與地平儀、太陽敏感器、磁強(qiáng)計(jì)等傳統(tǒng)姿態(tài)傳感器相比,具有自主性好、抗干擾能力強(qiáng)、姿態(tài)測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。星敏感器已成為空間飛行器姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中的核心設(shè)備,對(duì)空間遙感光學(xué)成像衛(wèi)星來說,精確的相機(jī)視軸指向信息是完成高精度定向測(cè)繪和天基目標(biāo)監(jiān)視任務(wù)的有力保障。隨著我國高分辨率光學(xué)遙感成像衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展,國內(nèi)星敏感器技術(shù)整體發(fā)展水平出現(xiàn)了無法與之匹配的問題。作為某型遙感相機(jī)研制課題的子課題,課題任務(wù)要求研制一款適用于高分辨率遙感光學(xué)成像衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的星敏感器,同時(shí)針對(duì)當(dāng)前星敏感器高精度、低功耗、小型化的發(fā)展趨勢(shì),本文對(duì)星敏感器處理鏈路中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)展開研究,完成的主要工作包括:以STAR1000(宇航級(jí)APSCMOS)為核心成像器件完成了星敏感器前端成像電路設(shè)計(jì),圖像以LVDS格式輸出,實(shí)現(xiàn)了相機(jī)的4增益、16級(jí)曝光時(shí)間控制及起止式異步串口通訊,通過夜場(chǎng)成像測(cè)試驗(yàn)證了星敏感器相機(jī)功能。研究了星點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)相關(guān)算法,文中提出采用邊緣背景動(dòng)態(tài)閾值方法對(duì)高斯濾波后的星圖進(jìn)行閾值分割,有效避免了硬閾值法帶來的目標(biāo)丟失和星點(diǎn)定位精度損失的問題。隨后采用四連通域分析算法完成了星點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)記,并選用帶閾值的質(zhì)心法進(jìn)行了星點(diǎn)坐標(biāo)提取,分析了定位誤差的來源。文中提出采用改進(jìn)的二維頻域分析法對(duì)星點(diǎn)定位系統(tǒng)誤差進(jìn)行了理論推導(dǎo),得到了以點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為參變量的系統(tǒng)誤差理論解析式。并通過CODE V中導(dǎo)出的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)數(shù)據(jù),對(duì)星點(diǎn)定位系統(tǒng)誤差進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與改進(jìn)的頻域分析結(jié)果相符,較好地解釋了S曲線誤差在圖像坐標(biāo)系平面內(nèi)振幅改變的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過星點(diǎn)定位系統(tǒng)誤差測(cè)量與補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)對(duì)頻域分析結(jié)果及誤差補(bǔ)償方程的補(bǔ)償效果進(jìn)行了驗(yàn)證,補(bǔ)償效果優(yōu)于傳統(tǒng)正弦曲線補(bǔ)償方法,星點(diǎn)亞像元定位精度達(dá)到1/40pixel量級(jí)。以歷元J2000下的史密松天文臺(tái)星表(SAO)為數(shù)據(jù)來源,完成了導(dǎo)航星表的創(chuàng)建。首先基于極限星等對(duì)SAO星表中的約25萬顆導(dǎo)航星進(jìn)行篩選,采用天文校正算法完成了恒星的視位置轉(zhuǎn)換。在天區(qū)劃分方面,文中提出了一種以空間立體角為度量基準(zhǔn)的均勻天區(qū)劃分方法,解決了傳統(tǒng)天區(qū)劃分方法中天區(qū)劃分不均勻的問題,并以該天區(qū)劃分為基礎(chǔ)對(duì)導(dǎo)航星分布進(jìn)行了準(zhǔn)均勻化處理,最終得到4096顆導(dǎo)航星構(gòu)成的導(dǎo)航星集合。導(dǎo)航星表創(chuàng)建方面,文中提出了一種改進(jìn)的導(dǎo)航星表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),將導(dǎo)航星表分為相互配合使用的四個(gè)表(導(dǎo)航星信息表、星對(duì)表、角距快速查找表、導(dǎo)航星分區(qū)表),很好地配合了后續(xù)相關(guān)算法的執(zhí)行,提高了各算法的信息檢索效率。分析了恒星坐標(biāo)由天球坐標(biāo)系到像平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,透視投影變換及非線性成像模型,最終通過星等到灰度的轉(zhuǎn)換生成模擬星圖,并在MFC框架下采用Open CV圖像視覺庫完成了星圖模擬軟件設(shè)計(jì),為后續(xù)算法地面仿真實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了必要的軟件測(cè)試環(huán)境。針對(duì)星敏感器全天識(shí)別模式,提出了一種基于星矢量矩陣SVD準(zhǔn)最優(yōu)匹配的星圖識(shí)別算法,該算法采用星矢量矩陣奇異值分解(SVD)得到的特征向量三元素構(gòu)造損失函數(shù),并保留使損失函數(shù)最小的N個(gè)候選星組合作為準(zhǔn)最優(yōu)匹配,解決了子圖同構(gòu)類算法中冗余匹配過多且無法剔除的問題,提高了算法識(shí)別率。針對(duì)天球“空洞區(qū)”識(shí)別問題,提出了一種基于天球“空洞區(qū)”導(dǎo)航星查找表的識(shí)別方法,作為文中星圖識(shí)別算法的一個(gè)備選補(bǔ)充分支。姿態(tài)解算方面文中提出了一種改進(jìn)的SVD姿態(tài)解算算法,該算法避免了傳統(tǒng)SVD姿態(tài)解算算法中出現(xiàn)的輸出多個(gè)姿態(tài)的問題,并且在姿態(tài)解算中利用星圖識(shí)別過程的SVD中間數(shù)據(jù)用于姿態(tài)解算,減少了姿態(tài)解算算法時(shí)間開銷。并通過星圖模擬軟件對(duì)TRIAD算法、QUEST算法、文中提出的改進(jìn)SVD算法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果證明改進(jìn)SVD算法具備與QUEST算法相當(dāng)?shù)木?精度顯著高于TRIAD算法。針對(duì)星跟蹤問題,采用了一種基于星圖映射的幀間快速星跟蹤算法。算法利用觀測(cè)星圖的幀間姿態(tài)信息,進(jìn)行快速星圖映射生成數(shù)字參考星圖,以參考星圖中的星坐標(biāo)為中心進(jìn)行鄰域開窗,對(duì)星點(diǎn)目標(biāo)實(shí)施跟蹤。對(duì)于鄰域半徑內(nèi)進(jìn)入星不唯一的情況,引入角距匹配機(jī)制進(jìn)行快速篩選,增強(qiáng)了傳統(tǒng)星跟蹤算法的跟蹤能力。算法設(shè)置了星跟蹤閾值,保證了星跟蹤的可靠性,同時(shí)也保證了星跟蹤模式與全天識(shí)別模式之間的合理切換。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,算法具備在較大角速度機(jī)動(dòng)條件下的穩(wěn)定跟蹤能力。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V448.2

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