發(fā)布時(shí)間：2020-03-29 21:30

【摘要】：星敏感器是一種以恒星為測(cè)量對(duì)象的姿態(tài)測(cè)量?jī)x器,因?yàn)槠渚哂懈呔?高可靠性的特點(diǎn),目前已經(jīng)在空間任務(wù)中得到了廣泛的應(yīng)用。受硬件系統(tǒng)和軟件算法發(fā)展的限制,目前國(guó)內(nèi)自研的星敏感器動(dòng)態(tài)性能并不高,通常用于載體平穩(wěn)飛行的階段。隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展,如今敏捷衛(wèi)星、遠(yuǎn)程武器等高動(dòng)態(tài)載體對(duì)星敏感器的動(dòng)態(tài)性能提出了更高的要求,因此,高動(dòng)態(tài)星敏感器已經(jīng)成為我國(guó)航空航天領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。本文在對(duì)高動(dòng)態(tài)星敏感器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析后,分別對(duì)高動(dòng)態(tài)星敏感器的質(zhì)心定位方法,星圖識(shí)別方法,星跟蹤方法以及成像系統(tǒng)等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。論文的研究工作主要分為以下四個(gè)部分:(1)針對(duì)高動(dòng)態(tài)條件下星點(diǎn)的像素拖移導(dǎo)致星點(diǎn)質(zhì)心定位精度降低的問(wèn)題,對(duì)模糊星圖的復(fù)原算法進(jìn)行了研究,提出了一種基于區(qū)域?yàn)V波的模糊星圖復(fù)原方法。通過(guò)建立模糊星圖中星點(diǎn)質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)模型得到星點(diǎn)質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡和星點(diǎn)的模糊區(qū)域,分別采用形態(tài)學(xué)濾波和改進(jìn)的RL(Richardson Lucy)算法對(duì)模糊區(qū)域內(nèi)的圖像進(jìn)行預(yù)處理和復(fù)原,改善了RL算法容易受噪聲干擾,復(fù)原速度較慢的問(wèn)題,解決了RL算法無(wú)終止條件的問(wèn)題,提高了模糊星圖的復(fù)原效果和復(fù)原速度,從而在保證實(shí)時(shí)性的前提下提高了高動(dòng)態(tài)星敏感器的質(zhì)心定位精度。(2)針對(duì)高動(dòng)態(tài)條件下星點(diǎn)質(zhì)心的定位誤差容易導(dǎo)致星圖識(shí)別出現(xiàn)冗余匹配和誤匹配的問(wèn)題,對(duì)基于子圖同構(gòu)的星圖識(shí)別算法進(jìn)行了研究,在經(jīng)典三角形算法的基礎(chǔ)上提出了一種基于多特征匹配的快速星圖識(shí)別算法。通過(guò)對(duì)星表進(jìn)行分區(qū)并對(duì)導(dǎo)航特征庫(kù)進(jìn)行分塊縮小了導(dǎo)航特征庫(kù)的檢索范圍,提高了星圖識(shí)別的速度,通過(guò)采用多特征匹配的方法降低了冗余匹配和誤匹配的概率,提高了星圖識(shí)別的識(shí)別率,解決了三角形算法在高動(dòng)態(tài)條件下星圖識(shí)別的識(shí)別率較低,識(shí)別速度較慢的問(wèn)題。(3)針對(duì)高動(dòng)態(tài)條件下相鄰幀星圖中星點(diǎn)的位置變化較大導(dǎo)致星跟蹤的成功率和效率降低的問(wèn)題,對(duì)基于姿態(tài)預(yù)測(cè)的高動(dòng)態(tài)星跟蹤算法進(jìn)行了研究,提出了一種基于SVD-UKF的姿態(tài)跟蹤算法和一種基于SCKF(Square-root Cubature Kalman Filter)的姿態(tài)跟蹤算法。將高動(dòng)態(tài)星敏感器建模成一個(gè)非線性系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上,將無(wú)跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法和奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)方法進(jìn)行結(jié)合,提高了UKF算法在高動(dòng)態(tài)星跟蹤過(guò)程中的魯棒性;將SCKF算法應(yīng)用于高動(dòng)態(tài)星敏感器的星跟蹤,解決了SVD-UKF算法在本文高維非線性系統(tǒng)中跟蹤精度欠佳的問(wèn)題。此外,在建立的分區(qū)星表的基礎(chǔ)上提出了一種快速跟蹤識(shí)別方法,改善了高動(dòng)態(tài)星跟蹤過(guò)程中傳統(tǒng)星圖識(shí)別算法對(duì)新星的識(shí)別速度較慢的問(wèn)題。(4)在綜合考慮星敏感器的主要技術(shù)參數(shù)后提出了一種高動(dòng)態(tài)星敏感器成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)采用大視場(chǎng)的光學(xué)鏡頭和高量子效率的圖像傳感器,保證高動(dòng)態(tài)星敏感器在工作時(shí)具有足夠多的可用星數(shù)量,在此基礎(chǔ)上,通過(guò)縮短星敏感器的積分時(shí)間減小星點(diǎn)像素拖移的長(zhǎng)度。根據(jù)上述方案,設(shè)計(jì)了高動(dòng)態(tài)星敏感器的電子學(xué)系統(tǒng),研制了高動(dòng)態(tài)星敏感器的原理樣機(jī)。進(jìn)行了高動(dòng)態(tài)星敏感器的地面觀星實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了高動(dòng)態(tài)星敏感器原理樣機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。
【圖文】：

1.1ASTRO-APS 星敏感器外觀.1 Appearance of ASTRO-APS s AeroAstro 研發(fā)的一款星敏傳感器，重量為 0.3kg，功耗 10 / s的動(dòng)態(tài)條件下可以穩(wěn)為 70″（3 ）和 1Hz。MST

1.1ASTRO-APS 星敏感器外觀1.1 Appearance of ASTRO-APS so AeroAstro 研發(fā)的一款星敏傳感器，重量為 0.3kg，，功耗 10 / s的動(dòng)態(tài)條件下可以穩(wěn)為 70″（3 ）和 1Hz。MST
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)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】：2019
【分類號(hào)】：V448.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2606538