【摘要】：高精度導(dǎo)星測量系統(tǒng)是大口徑空間天文望遠(yuǎn)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(xué)系統(tǒng)超長的焦距極其相關(guān)算法獲得慣性角位置偏移信息，以圖像的方式為精級(jí)穩(wěn)像控制系統(tǒng)提供反饋信息。天文望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)焦距確定的情況下，星點(diǎn)細(xì)分定位精度直接決定了導(dǎo)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(dǎo)星測量系統(tǒng)的細(xì)分定位技術(shù)，從軟件算法的角度提高測量精度，實(shí)現(xiàn)精級(jí)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(jī)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(xì)分定位精度的問題。分析研究統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，詳細(xì)介紹最小二乘支持向量機(jī)回歸數(shù)學(xué)模型，以此為理論基礎(chǔ)建立星點(diǎn)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(jī)進(jìn)行回歸分析，得到系統(tǒng)誤差與星點(diǎn)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(guān)系，并用此函數(shù)關(guān)系對(duì)質(zhì)心估計(jì)值進(jìn)行后校正。 提出了基于自適應(yīng)Kalman濾波的亞像元細(xì)分算法，解決了高動(dòng)態(tài)條件下的導(dǎo)星跟蹤問題并發(fā)揮CMOS探測器可任意開窗的特點(diǎn)。研究了Kalman濾波原理，提出了采用預(yù)測開窗和Kalman濾波相結(jié)合的星點(diǎn)定位方法。預(yù)測開窗方法利用陀螺輸出的慣導(dǎo)信息得到星點(diǎn)的粗位置，星點(diǎn)的量測位置由星點(diǎn)預(yù)測位置較小的窗口范圍內(nèi)確定，用Kalman濾波器對(duì)粗位置濾波，輸出高精度的星點(diǎn)位置。由于星點(diǎn)量測位置在小窗口內(nèi)計(jì)算，提出的算法運(yùn)算速度快，同時(shí)Kalman濾波器能有效的抑制隨機(jī)噪聲，也特別適合于導(dǎo)星測量系統(tǒng)這種高星等低信噪比星點(diǎn)圖像，能提供高精度的星點(diǎn)位置信息。 提出了迭代加權(quán)質(zhì)心算法，解決了高星等低信噪比圖像的細(xì)分定位及像移和像差使光斑橢圓化的問題。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理理論首先對(duì)光斑信號(hào)建模，推導(dǎo)出光斑中心的最大似然估計(jì)公式，由于最大似然估計(jì)是一個(gè)性能良好的無偏估計(jì)子，它構(gòu)成了的理論基礎(chǔ)；給出了采用迭代加權(quán)質(zhì)心法的計(jì)算流程，用統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理理論中Cramer-Rao下限推導(dǎo)出當(dāng)?shù)螖?shù)無窮大時(shí)，星點(diǎn)定位的極限精度。迭代加權(quán)質(zhì)心法在算法收斂時(shí)，本質(zhì)上是用一個(gè)高斯權(quán)函數(shù)對(duì)光強(qiáng)加權(quán)，增加了圖像的信噪比，而且在兩個(gè)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的算法具有良好的性能。 搭建了導(dǎo)星測量地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證。介紹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和工作原理；對(duì)實(shí)驗(yàn)中相關(guān)器件的參數(shù)進(jìn)行分析；分別通過系統(tǒng)誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)、靜態(tài)精度測量實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)精度測量實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在導(dǎo)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(xì)分定位算法有很大提高。研究成果對(duì)我國空間天文望遠(yuǎn)鏡高精度導(dǎo)星測量系統(tǒng)的研制具有一定的借鑒意義。
【圖文】：

細(xì)分定位方法。本文結(jié)合某一國家重大航天項(xiàng)目，對(duì)應(yīng)用于高精度的亞像元細(xì)分定位技術(shù)進(jìn)行深入的研究。研究成果對(duì)我國空間天文導(dǎo)星測量系統(tǒng)的研制具有一定的借鑒意義。導(dǎo)星測量系統(tǒng)研究現(xiàn)狀勃(HST)天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)射的眾多空間天文望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡（如圖 1.1）于 1990 年今仍在運(yùn)行，軌道高度約為 600km。其主鏡口徑為 2.4m，望遠(yuǎn)鏡，重 11.6t，造價(jià)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(xué)產(chǎn)出最多的科學(xué)設(shè)備之一。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在測定宇宙年齡演化，黑洞存在的盤狀結(jié)構(gòu)等方面取得了極大的科學(xué)成就，徹底改宙的認(rèn)識(shí)，成為空間光學(xué)天文的標(biāo)志和里程碑[9][10]。

圖 1.2 哈勃天文望遠(yuǎn)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(shí)，這樣，在左右兩側(cè)兩束光增管檢測出的干涉光強(qiáng)相同；當(dāng)入射光束與右兩側(cè)兩束光的波面不平行，由平面波干涉a ba bI IKI I 望遠(yuǎn)鏡的導(dǎo)星測量系統(tǒng)采用干涉的原理進(jìn)行其光機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量和體積都較大。主要面陣的探測器，只能采用機(jī)械的伺服系統(tǒng)驅(qū)功耗和成本大幅增加。
【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】：2014
【分類號(hào)】：TH751

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 賈輝;高精度星敏感器星點(diǎn)提取與星圖識(shí)別研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2556926