高精度雙視場(chǎng)星敏感器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、星敏感器是一種高精度的航天器姿態(tài)測(cè)量設(shè)備。在航天器自主導(dǎo)航應(yīng)用中，星敏感器的視場(chǎng)角尺寸在測(cè)量精度與星探測(cè)能力之間是矛盾的。為了在提高星敏感器姿態(tài)測(cè)量精度的同時(shí)保證其星探測(cè)能力，本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，提出一種采用雙圖像傳感器的雙視場(chǎng)星敏感器方案設(shè)計(jì)。并以此為基礎(chǔ)，從算法和仿真試驗(yàn)兩方面，重點(diǎn)對(duì)快速星模式識(shí)別算法和高精度姿態(tài)估計(jì)方法進(jìn)行了深入研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 通過(guò)分析星敏感器的工作原理，在星敏感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，提出了一

2、種采用雙圖像傳感器的雙視場(chǎng)星敏感器的設(shè)計(jì)方案，并討論了在星圖采集、星提取和質(zhì)心計(jì)算、星模式識(shí)別和姿態(tài)計(jì)算等算法處理中綜合利用兩個(gè)視場(chǎng)中導(dǎo)航星信息的算法思路。通過(guò)分析星敏感器的星探測(cè)能力和成像過(guò)程中影響星敏感器星探測(cè)能力的機(jī)制和因素，討論了提高星敏感器星探測(cè)能力的方法。利用星敏感器的目標(biāo)成像特點(diǎn)和星敏感器的響應(yīng)曲線特征，提出一種通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)積分時(shí)間來(lái)提高星敏感器星探測(cè)能力的方法。試驗(yàn)表明，這種方法可以自適應(yīng)地對(duì)不同亮度的目標(biāo)成像，從而提

3、高了星敏感器的星探測(cè)能力。
　　 通過(guò)對(duì)星模式識(shí)別算法中的星模式特征進(jìn)行分析，利用星間角距和相鄰星間連線的夾角來(lái)表示多邊形模式，從而得到一種以一顆參考星為中心的星形星模式來(lái)直觀地表示星圖中與參考星相鄰的導(dǎo)航星分布特征，并分析了該模式在幾何上與三角形模式和多邊形模式的等價(jià)性。采用以視角為坐標(biāo)值的極坐標(biāo)系來(lái)表示這種星形模式，徑向坐標(biāo)值可以直接表示參考星與相鄰星間的角距，而且這種星形星模式具有平移和旋轉(zhuǎn)不變性。提出一種基于視角極坐標(biāo)系

4、的柵格星形星模式識(shí)別算法，在視角極坐標(biāo)下利用柵格算法的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)星形星模式識(shí)別。通過(guò)與三角形算法和傳統(tǒng)柵格算法的對(duì)比仿真表明，提出的算法具有識(shí)別率高、識(shí)別速度快及對(duì)測(cè)量噪聲較強(qiáng)的魯棒性等特點(diǎn)。
　　 在分析基于姿態(tài)四元數(shù)的星敏感器測(cè)量方程的基礎(chǔ)上，將Choukroun等提出的四元數(shù)矢量定姿測(cè)量方程引入到星敏感器應(yīng)用中，從而可以直接利用KF (Kalman Filter，卡爾曼濾波)方法進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)。理論分析和與基于EKF(Ext

5、ended Kalman Filter，擴(kuò)展卡爾曼濾波)的姿態(tài)估計(jì)方法的對(duì)比仿真結(jié)果表明，這種方法沒(méi)有線性化造成的高階截?cái)嗾`差，具有較高的姿態(tài)估計(jì)精度，可用于雙視場(chǎng)星敏感器姿態(tài)估計(jì)。對(duì)雙視場(chǎng)星敏感器的姿態(tài)估計(jì)融合方法進(jìn)行了研究，通過(guò)理論分析和仿真比較得出，基于聯(lián)合卡爾曼濾波的信息融合方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單和姿態(tài)估計(jì)精度高的優(yōu)點(diǎn)，適合于雙視場(chǎng)星敏感器姿態(tài)估計(jì)融合。為了提高姿態(tài)估計(jì)的精度，對(duì)基于聯(lián)合卡爾曼濾波的雙視場(chǎng)星敏感器姿態(tài)估計(jì)融合算法中的信