【摘要】：星敏感器是一種以恒星為測量對象的姿態(tài)測量儀器,因為其具有高精度,高可靠性的特點,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,目前國內(nèi)自研的星敏感器動態(tài)性能并不高,通常用于載體平穩(wěn)飛行的階段。隨著我國航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展,如今敏捷衛(wèi)星、遠程武器等高動態(tài)載體對星敏感器的動態(tài)性能提出了更高的要求,因此,高動態(tài)星敏感器已經(jīng)成為我國航空航天領(lǐng)域中的重點研究內(nèi)容之一。本文在對高動態(tài)星敏感器的關(guān)鍵技術(shù)進行分析后,分別對高動態(tài)星敏感器的質(zhì)心定位方法,星圖識別方法,星跟蹤方法以及成像系統(tǒng)等幾項關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。論文的研究工作主要分為以下四個部分:(1)針對高動態(tài)條件下星點的像素拖移導(dǎo)致星點質(zhì)心定位精度降低的問題,對模糊星圖的復(fù)原算法進行了研究,提出了一種基于區(qū)域濾波的模糊星圖復(fù)原方法。通過建立模糊星圖中星點質(zhì)心的運動模型得到星點質(zhì)心的運動軌跡和星點的模糊區(qū)域,分別采用形態(tài)學(xué)濾波和改進的RL(Richardson Lucy)算法對模糊區(qū)域內(nèi)的圖像進行預(yù)處理和復(fù)原,改善了RL算法容易受噪聲干擾,復(fù)原速度較慢的問題,解決了RL算法無終止條件的問題,提高了模糊星圖的復(fù)原效果和復(fù)原速度,從而在保證實時性的前提下提高了高動態(tài)星敏感器的質(zhì)心定位精度。(2)針對高動態(tài)條件下星點質(zhì)心的定位誤差容易導(dǎo)致星圖識別出現(xiàn)冗余匹配和誤匹配的問題,對基于子圖同構(gòu)的星圖識別算法進行了研究,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別算法。通過對星表進行分區(qū)并對導(dǎo)航特征庫進行分塊縮小了導(dǎo)航特征庫的檢索范圍,提高了星圖識別的速度,通過采用多特征匹配的方法降低了冗余匹配和誤匹配的概率,提高了星圖識別的識別率,解決了三角形算法在高動態(tài)條件下星圖識別的識別率較低,識別速度較慢的問題。(3)針對高動態(tài)條件下相鄰幀星圖中星點的位置變化較大導(dǎo)致星跟蹤的成功率和效率降低的問題,對基于姿態(tài)預(yù)測的高動態(tài)星跟蹤算法進行了研究,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。將高動態(tài)星敏感器建模成一個非線性系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上,將無跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法和奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)方法進行結(jié)合,提高了UKF算法在高動態(tài)星跟蹤過程中的魯棒性;將SCKF算法應(yīng)用于高動態(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別方法,改善了高動態(tài)星跟蹤過程中傳統(tǒng)星圖識別算法對新星的識別速度較慢的問題。(4)在綜合考慮星敏感器的主要技術(shù)參數(shù)后提出了一種高動態(tài)星敏感器成像系統(tǒng)的設(shè)計方案。通過采用大視場的光學(xué)鏡頭和高量子效率的圖像傳感器,保證高動態(tài)星敏感器在工作時具有足夠多的可用星數(shù)量,在此基礎(chǔ)上,通過縮短星敏感器的積分時間減小星點像素拖移的長度。根據(jù)上述方案,設(shè)計了高動態(tài)星敏感器的電子學(xué)系統(tǒng),研制了高動態(tài)星敏感器的原理樣機。進行了高動態(tài)星敏感器的地面觀星實驗,驗證了高動態(tài)星敏感器原理樣機的動態(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的動態(tài)條件下可以穩(wěn)為 70″（3 ）和 1Hz。MST
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V448.22

【參考文獻】

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本文編號：2606538