發(fā)布時(shí)間：2019-01-05 04:34

【摘要】：目前利用星敏感器對航天器進(jìn)行姿態(tài)測量是精度最高的。相比較于其它類型的姿態(tài)敏感器,由于星敏感器的自主性強(qiáng)、無姿態(tài)積累誤差等特點(diǎn),使得飛行器的姿態(tài)確定可以在無陀螺的條件下進(jìn)行。星點(diǎn)坐標(biāo)提取是星敏感器研制過程中的關(guān)鍵步驟之一。恒星星像坐標(biāo)的提取精度是衡量星敏感器性能的重要指標(biāo)。本學(xué)位論文將從星圖降噪預(yù)處理和提高恒星星像坐標(biāo)提取精度等問題出發(fā),對星圖濾波算法進(jìn)行深入研究。以分析國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀為基礎(chǔ),完成了以下工作:本文闡述了星敏感器的工作原理和硬件結(jié)構(gòu),同時(shí)對星敏感器的姿態(tài)測量精度進(jìn)行了分析。列舉了星敏感器的主要精度指標(biāo)。分析了影響星敏感器姿態(tài)測量精度的因素,包括傳感器像元尺寸的限制和測量中引起的誤差,對于后者,主要分為三類,即光學(xué)系統(tǒng)誤差、算法誤差、噪聲引起的誤差。然后闡明了針對上述引入的誤差提高星敏感器精度的方法,包括先進(jìn)的標(biāo)定技術(shù)、優(yōu)化算法、以及抑制噪聲和對星圖進(jìn)行降噪預(yù)處理等。本文對比了幾種濾波方法,選取了更適合對星圖濾波的二維FIR濾波作為星圖的預(yù)處理方法。分別用窗函數(shù)法和頻率取樣法設(shè)計(jì)了25(5?5)階的二維FIR濾波器,并將得到的濾波器參數(shù)分別用上位機(jī)對星圖進(jìn)行濾波處理,對濾波前后的星圖進(jìn)行頻譜分析,分析濾波效果。并對這兩種方法設(shè)計(jì)的濾波器濾波后的星圖進(jìn)行頻譜分析,對比濾波效果。為了更好的說明濾波器階數(shù)對濾波效果的影響,本文用頻率取樣法設(shè)計(jì)了9(3?3)階的二維FIR濾波器,并與頻率取樣法設(shè)計(jì)的25(5?5)階的二維FIR濾波器的濾波效果進(jìn)行對比分析,進(jìn)而得出結(jié)論。根據(jù)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn),本課題選用頻率取樣法設(shè)計(jì)的25階(5?5)二維FIR濾波器的參數(shù),應(yīng)用VHDL語言進(jìn)行濾波模塊的編寫,將所編寫的模塊調(diào)試成功后整合到系統(tǒng)中,進(jìn)行星圖的降噪預(yù)處理。將FPGA提取的星像坐標(biāo)上傳至上位機(jī),將坐標(biāo)提取結(jié)果與未加入FIR濾波模塊的坐標(biāo)提取結(jié)果進(jìn)行對比,對所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對星圖濾波之后對高頻噪聲濾除效果顯著,恒星星像坐標(biāo)的提取精度有所提升。
[Abstract]:At present, the attitude measurement of spacecraft using star sensor is the most accurate. Compared with other types of attitude sensors the attitude determination of the spacecraft can be carried out without gyroscope due to its strong autonomy and no attitude accumulation error. Star coordinate extraction is one of the key steps in the development of star sensor. The precision of constant star image coordinate extraction is an important index to evaluate the performance of star sensor. In this dissertation, the star image filtering algorithm is studied based on the preprocessing of star image denoising and improving the precision of star image coordinate extraction. Based on the analysis of the present research and development situation at home and abroad, the following work has been accomplished: in this paper, the working principle and hardware structure of the star sensor are described, and the attitude measurement accuracy of the satellite sensor is analyzed. The main precision indexes of star sensor are listed. The factors that affect the precision of attitude measurement of star sensor are analyzed, including the limitation of sensor pixel size and the error caused by measurement. For the latter, there are mainly three kinds of errors, namely, optical system error, algorithm error and noise error. Then, the methods to improve the accuracy of star sensor are expounded, including advanced calibration technology, optimization algorithm, noise suppression and pre-processing of star map. In this paper, several filtering methods are compared, and two dimensional FIR filter, which is more suitable for star map filtering, is selected as the preprocessing method of star map. Two dimensional FIR filters of order 25 (5 ~ 5) are designed by using window function method and frequency sampling method respectively. The parameters of the filter are processed by the upper computer, and the spectrum of the star map before and after filtering is analyzed. The filtering effect is analyzed. The filtered star map of the filter designed by these two methods is analyzed by spectrum analysis, and the filtering effect is compared. In order to better explain the influence of filter order on filtering effect, a 2-D FIR filter of order 9 (3 ~ 3) is designed by frequency sampling method. The filter effect of 25 (5 ~ 5) order 2-D FIR filter designed by frequency sampling method is compared and analyzed, and a conclusion is drawn. According to the theoretical analysis and simulation experiment, the parameters of 25 order (5 ~ 5) 2-D FIR filter designed by frequency sampling method are selected in this paper. The filter module is compiled by VHDL language, and the module is successfully debugged and integrated into the system. The star map denoising is preprocessed. The satellite image coordinate extracted by FPGA is uploaded to the upper computer, and the result of coordinate extraction is compared with that of the coordinate extraction without FIR filter module, and the experimental data obtained are analyzed. The experimental results show that after the star map filtering, the high frequency noise filtering effect is remarkable, and the extraction accuracy of the constant star image coordinates is improved.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：V448.22;TP391.41

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2401276