【摘要】：高精度導星測量系統(tǒng)是大口徑空間天文望遠鏡穩(wěn)像控制系統(tǒng)的重要組成部分，是最精密的角位置測量元件。它利用光學系統(tǒng)超長的焦距極其相關算法獲得慣性角位置偏移信息，以圖像的方式為精級穩(wěn)像控制系統(tǒng)提供反饋信息。天文望遠鏡光學系統(tǒng)焦距確定的情況下，星點細分定位精度直接決定了導星測量系統(tǒng)的慣性角位置測量精度。本文以此為研究背景，主要研究適用于導星測量系統(tǒng)的細分定位技術，從軟件算法的角度提高測量精度，實現(xiàn)精級穩(wěn)像控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。 提出了基于最小二乘支持向量機的系統(tǒng)誤差校正算法，解決了CMOS探測器填充因子低，感光區(qū)形狀影響細分定位精度的問題。分析研究統(tǒng)計學習理論，詳細介紹最小二乘支持向量機回歸數(shù)學模型，以此為理論基礎建立星點定位系統(tǒng)誤差校正的模型，利用蒙特卡羅數(shù)值仿真的方法，用帶有高斯徑向基函數(shù)核的最小二乘支持向量機進行回歸分析，得到系統(tǒng)誤差與星點質(zhì)心的理想位置和感光區(qū)形狀大小的非線性函數(shù)關系，并用此函數(shù)關系對質(zhì)心估計值進行后校正。 提出了基于自適應Kalman濾波的亞像元細分算法，解決了高動態(tài)條件下的導星跟蹤問題并發(fā)揮CMOS探測器可任意開窗的特點。研究了Kalman濾波原理，提出了采用預測開窗和Kalman濾波相結合的星點定位方法。預測開窗方法利用陀螺輸出的慣導信息得到星點的粗位置，星點的量測位置由星點預測位置較小的窗口范圍內(nèi)確定，用Kalman濾波器對粗位置濾波，輸出高精度的星點位置。由于星點量測位置在小窗口內(nèi)計算，提出的算法運算速度快，同時Kalman濾波器能有效的抑制隨機噪聲，也特別適合于導星測量系統(tǒng)這種高星等低信噪比星點圖像，能提供高精度的星點位置信息。 提出了迭代加權質(zhì)心算法，解決了高星等低信噪比圖像的細分定位及像移和像差使光斑橢圓化的問題。運用統(tǒng)計信號處理理論首先對光斑信號建模，推導出光斑中心的最大似然估計公式，由于最大似然估計是一個性能良好的無偏估計子，它構成了的理論基礎；給出了采用迭代加權質(zhì)心法的計算流程，用統(tǒng)計信號處理理論中Cramer-Rao下限推導出當?shù)螖?shù)無窮大時，星點定位的極限精度。迭代加權質(zhì)心法在算法收斂時，本質(zhì)上是用一個高斯權函數(shù)對光強加權，增加了圖像的信噪比，而且在兩個方向可用不同的高斯寬度，適用于橢圓光斑，，通過數(shù)值仿真實驗驗證了提出的算法具有良好的性能。 搭建了導星測量地面實驗系統(tǒng)，對提出的算法進行驗證。介紹實驗系統(tǒng)的組成和工作原理；對實驗中相關器件的參數(shù)進行分析；分別通過系統(tǒng)誤差補償實驗、靜態(tài)精度測量實驗和動態(tài)精度測量實驗對提出的算法進行實驗驗證，取得了預期的實驗效果。 實驗結果表明，在導星測量系統(tǒng)工作條件下，提出的算法的測量精度相比于傳統(tǒng)的細分定位算法有很大提高。研究成果對我國空間天文望遠鏡高精度導星測量系統(tǒng)的研制具有一定的借鑒意義。
【圖文】：

細分定位方法。本文結合某一國家重大航天項目，對應用于高精度的亞像元細分定位技術進行深入的研究。研究成果對我國空間天文導星測量系統(tǒng)的研制具有一定的借鑒意義。導星測量系統(tǒng)研究現(xiàn)狀勃(HST)天文望遠鏡發(fā)射的眾多空間天文望遠鏡中，最具影響力的無疑是哈勃天文望le Space Telescope，HST）。哈勃天文望遠鏡（如圖 1.1）于 1990 年今仍在運行，軌道高度約為 600km。其主鏡口徑為 2.4m，望遠鏡，重 11.6t，造價約 30 億美元。主要用于紫外及可見光波段觀測，外波段。迄今為止，HST 已經(jīng)拍攝了 50 多萬張照片（如圖 1.2），的科學產(chǎn)出最多的科學設備之一。哈勃空間望遠鏡在測定宇宙年齡演化，黑洞存在的盤狀結構等方面取得了極大的科學成就，徹底改宙的認識，成為空間光學天文的標志和里程碑[9][10]。

圖 1.2 哈勃天文望遠鏡拍攝的觸須星系核心部件是 Koesters 棱鏡，如圖 1.4 所示。半透膜，使透射光延遲 λ/4，而反射光的相位oesters 棱鏡垂直時，這樣，在左右兩側兩束光增管檢測出的干涉光強相同；當入射光束與右兩側兩束光的波面不平行，由平面波干涉a ba bI IKI I 望遠鏡的導星測量系統(tǒng)采用干涉的原理進行其光機結構復雜，質(zhì)量和體積都較大。主要面陣的探測器，只能采用機械的伺服系統(tǒng)驅(qū)功耗和成本大幅增加。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TH751

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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1 賈輝;高精度星敏感器星點提取與星圖識別研究[D];國防科學技術大學;2010年

本文編號：2556926