高精度雙視場星敏感器關鍵技術研究.pdf

1、星敏感器是一種高精度的航天器姿態(tài)測量設備。在航天器自主導航應用中，星敏感器的視場角尺寸在測量精度與星探測能力之間是矛盾的。為了在提高星敏感器姿態(tài)測量精度的同時保證其星探測能力，本文從系統(tǒng)結構入手，提出一種采用雙圖像傳感器的雙視場星敏感器方案設計。并以此為基礎，從算法和仿真試驗兩方面，重點對快速星模式識別算法和高精度姿態(tài)估計方法進行了深入研究。主要研究內容如下：
　　 通過分析星敏感器的工作原理，在星敏感器的系統(tǒng)結構方面，提出了一

2、種采用雙圖像傳感器的雙視場星敏感器的設計方案，并討論了在星圖采集、星提取和質心計算、星模式識別和姿態(tài)計算等算法處理中綜合利用兩個視場中導航星信息的算法思路。通過分析星敏感器的星探測能力和成像過程中影響星敏感器星探測能力的機制和因素，討論了提高星敏感器星探測能力的方法。利用星敏感器的目標成像特點和星敏感器的響應曲線特征，提出一種通過自適應調節(jié)積分時間來提高星敏感器星探測能力的方法。試驗表明，這種方法可以自適應地對不同亮度的目標成像，從而提

3、高了星敏感器的星探測能力。
　　 通過對星模式識別算法中的星模式特征進行分析，利用星間角距和相鄰星間連線的夾角來表示多邊形模式，從而得到一種以一顆參考星為中心的星形星模式來直觀地表示星圖中與參考星相鄰的導航星分布特征，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性。采用以視角為坐標值的極坐標系來表示這種星形模式，徑向坐標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不變性。提出一種基于視角極坐標系

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

5、ended Kalman Filter，擴展卡爾曼濾波)的姿態(tài)估計方法的對比仿真結果表明，這種方法沒有線性化造成的高階截斷誤差，具有較高的姿態(tài)估計精度，可用于雙視場星敏感器姿態(tài)估計。對雙視場星敏感器的姿態(tài)估計融合方法進行了研究，通過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算簡單和姿態(tài)估計精度高的優(yōu)點，適合于雙視場星敏感器姿態(tài)估計融合。為了提高姿態(tài)估計的精度，對基于聯(lián)合卡爾曼濾波的雙視場星敏感器姿態(tài)估計融合算法中的信