基于半刚性连接的提高星敏感器指向精度的安装设计
基于半刚性连接的提高星敏感器指向精度的安装设计
朱华;张春雨;周徐斌;张宗华;顾志悦;吕凯
【摘要】研究和分析了热变形引起的星敏感器和合成孔径雷达(SAR)天线的形变特点,设计了一种SAR天线与星体结构之间的安装方法,并以某卫星为例,将两者半刚性连接(横向游离),其安装设计方法在于将SAR天线框架与星体间的螺钉连接横向刚度减小,使星体的热变形与SAR天线产生了横向游离效果.计算分析和试验表明,这种安装设计方法有效地提高了星敏感器相对于SAR天线中板阵面的指向精度,可以满足高分辨率卫星成像的需求,为其他有较高指向精度要求的单机安装提供参考.【期刊名称】《中国空间科学技术》
【年(卷),期】2016(036)002
【总页数】8页(P66-73)
【关键词】星敏感器;指向精度;半刚性连接;计算分析;热变形试验
【作者】朱华;张春雨;周徐斌;张宗华;顾志悦;吕凯
【作者单位】上海卫星工程研究所,上海 201109;上海卫星工程研究所,上海201109;上海卫星工程研究所,上海 201109;上海卫星工程研究所,上海 201109;上海卫星工程研究所,上海 201109;上海卫星工程研究所,上海 201109
【正文语种】中文
【中图分类】V416.1
星敏感器是高精度的卫星姿态测量装置,在卫星姿态测量和控制系统中起着重要的作用,提供航天飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态[1-3]。合成孔径雷达
(Synthetic Aperture Radar,SAR)天线作为一种主动式微波成像传感器,通过发射
宽带信号,结合合成孔径技术,能在距离向和方位向上同时获得二维高分辨率图像[4-6]。星敏感器相对于SAR天线阵面的指向精度直接决定了卫星成像的效果。其精
度除主要受星敏感器的测量噪声和低频漂移误差影响外,还与有效载荷的安装参数
测定误差、卫星结构变形等因素有关[7-8]。其中,卫星结构变形主要是在轨时由太
阳辐射、地球辐射反照引起温度交变的热变形导致的。SAR天线框架和星敏感器
支架都是用碳纤维复合材料制造的,其热膨胀系数极低,它们自身产生的热变形很小。研究分析表明,卫星的热变形主要是由星体变化产生的。文章介绍了一种新的半刚
性连接(横向游离)的安装方法,通过计算仿真分析和试验验证,证明其有效地降低了
由热变形引起的对星敏感器相对SAR天线中板指向精度的影响。
目前,对星敏感器精度的研究主要从姿态控制、算法改进、信号调制等方面进行[9-11],通过改变结构连接方法降低热变形引起的星敏感器精度变化的研究尚处于探索状态。国内空间热分析的研究对象多为对空间环境温度与型面热变形敏感的空间结构与星载设备,研究范围正在不断扩大,采用的方法多为有限元或有限差分法。与国
外不同的是,以前较少应用已有优秀CAD/ CAE软件,通常自己开发程序,程序没有
通用性,现在这种状况已经有了很大的改善[12-13]。
SAR天线框架是大型结构件,具有一定刚度,为SAR天线内部各组件提供构型支撑,
同时提供外部接口[14]。以某卫星为例,SAR天线框架共有三块,其中SAR天线两侧框架发射时收拢在星体两侧,入轨时展开,SAR天线中板框架与星体固定。三个星敏感器通过星敏支架与SAR天线中板框架的边框连接,与星体无接触。SAR天线框架、星敏感器与卫星之间的安装关系如图1所示。
1.1 星敏感器和SAR天线之间的连接
星敏感器通过星敏支架与SAR天线中板框架连接。由于星敏感器质量较大且向星
外延伸安装,可认为其是悬臂梁结构形式。故为了能通过发射阶段的力学考验,星敏
支架与SAR天线中板框架采用刚性连接,采用镙接加胶接组合方式,这样发射时其响应才能在可承受的范围内。星敏支架安装示意如图2所示。
1.2 SAR天线框架和星体之间的连接
(1)刚性连接方式
SAR天线中板框架与星体通过18个M5螺钉刚性连接的形式相连,这样充分保证了连接刚度,能够承受卫星发射阶段的力学环境。螺钉连接的特点是结构简单可靠,能够产生自锁[15]。
图3所示为SAR天线中板框架与星体普通螺钉刚性连接,星体连接件上原为Φ3配打孔,钻头进行配打时极有可能沿着SAR天线框架上的阶梯孔下孔壁进行,这样就使得SAR框架与螺钉完全处于无缝接触,限制了SAR框架的横向移动;而采用弹垫和平垫,加强了连接刚度的同时也增加了SAR框架和星体之间的摩擦系数,更限制了其横向移动。但是卫星在轨时星体的热变形会通过刚性连接全部传递到SAR天线和星敏感器上,横向移动的限制使SAR天线框架自身无法将星体带来的热变形消化,造成星敏感器相对SAR天线中板指向精度受到很大的影响,进而大大降低了卫星成像效果。
(2)半刚性连接方法
针对以上刚性连接所带来的星敏感器相对指向精度偏差较大的问题,在保证一定的连接刚度的同时,将螺钉连接对SAR天线框架横向约束适当降低,通过同时采取4种措施达到这种目的。1)取消弹垫,减小纵向压紧力,减小横向摩擦系数。2)在平垫和SAR框架接触面之间镀润滑膜(二硫化钼),增大横向润滑作用。3)在SAR天线框架阶梯孔上孔中安装一个限位衬套,使钻头配打时钻孔必然在阶梯孔下孔中心位置,螺钉与SAR天线框架的阶梯孔下孔孔壁保持一定的间隙。这样当星体热变形传导至SAR天线框架时,其自身能够通过间隙产生横向移动将热变形消化,相当于将星体的热变形对SAR天线框架横向的影响进行了游离,同时螺钉处于悬臂状态,也可吸收
一定的热变形。4)安装螺钉时按对角线安装方式,将SAR天线中板对角的两个螺钉先安装,保证这两个螺钉与SAR中板配打时有间隙,再将中板两侧其余螺钉一一相向安装,这样可以保证剩余螺钉与SAR中板有一定间隙。
为区别刚性连接,将这种横向刚度降低的方法称为半刚性连接,图4所示为SAR天线框架和星体间半刚性连接状态。
以下将通过计算分析对比上述两种连接方式,并对半刚性连接方法进行试验验证,来证明第二种连接方法有效地降低了热变形对星敏感器相对SAR天线中板指向精度的影响。
2.1 计算分析
卫星的星箭连接环固定约束,初始温度为20℃。卫星的温度边界条件设置是通过卫星热控分系统提供的整星在轨温度分布,借助于有限元分析软件
MSC.PATRAN/NASTRAN,根据高温工况和低温工况两种温度场进行计算仿真。图5所示为高低温工况下,整星温度场分布状态。
为了求得星敏感器相对于SAR天线中板指向角度,将星敏感器安装面的节点拟合出一个曲面求得其法线。同样地,将SAR天线中板框架阵面的节点拟合出一个曲面,并求得其法线。这两条法线的夹角即指向角度,它们热变形前后的夹角变化大小即为指向精度。
设星敏安装面上各节点原始坐标为xn,yn,zn,热变形后的坐标为x′n,y′n,z′n,其矩阵表示:
空间平面方程:
式中:C为热变形后星敏安装面拟合曲面的法向向量;D为初始面的法向向量。同理可得SAR天线中板框架热变形后拟合曲面的法向向量为E和初始面的法向向量为F。
向量夹角:
式中:a为初始状态星敏安装面和SAR天线中板框架阵面法向指向夹角;b为热变形时两个法向指向夹角;θ为星敏感器相对SAR天线中板的指向精度,单位为角秒(″)。
2.2 计算结果
SAR天线框架和星体间按1.2节中的两种连接方式进行连接,其中连接采用bush
单元,半刚性连接时将X向和Y向(横向)两个刚度释放。高低温两种工况下,通过仿
真分析可以得到星敏感器和SAR天线中板框架位移形变,如图6所示。
提取星敏安装面和SAR天线中板阵面的节点热变形前后的坐标,将式(1)～(4)通过Matlab软件编写计算程序后代入,计算得出相对指向精度,其计算结果如表1所示。从上述位移形变和指向精度的数据中可以得出:1)比较不同温度工况的两种连接方式,同一台星敏感器自身的指向精度成正相关的关系。2)采用刚性连接的方式时,高
低温形变的峰峰值(p-p)分别为1.902×10-4mm和5.485×10-4mm;半刚性连接
方法时,高低温p-p分别为0.669×10-4mm和0.98×10-4mm。同种温度工况下,后者优于前者的形变为3～5倍;3)比较同种温度工况下同一台星敏感器指向精度,
半刚性连接方法的星敏精度优于刚性连接方式2～6倍。
计算仿真的结果反映了两种连接方式对星敏感器相对SAR天线中板指向精度的有
效性,采用半刚性连接方法所得的精度计算结果大大优于刚性连接。针对上述结论,
考虑到型号试验的不可逆性与复杂性,通过SAR天线与星体半刚性连接的热变形试验直接验证仿真计算结果,以此证明仿真计算值与真实情况基本吻合。
3.1 试验工装及温度加载工况
为尽可能模拟卫星在轨工作时失重的状态,将星上所有单机拆除,SAR天线展开,通过重力卸载装置悬挂。为保证试验的有效性,将星箭连接环固支并采取隔热措施,温度
加载区域包括平台舱、载荷舱、星敏感器支架和SAR天线阵面等。其中平台舱、
载荷舱和SAR天线阵面采用照射加热装置控制,星敏感器支架采用电加热器控制,整星共布置1000个温度测量点,SAR天线中板框架与星体连接形式为半刚性连接。
热变形试验如图7所示。
采用电子经纬仪进行测量,电子经纬仪跟踪架为三轴(垂直轴、水平轴、视准轴)地平装置。图8所示为SAR天线阵面测点分布,其中两台经纬仪对SAR天线阵面上靶标点的坐标值进行测量,三台经纬仪分别对三个星敏安装面上棱镜进行测量。
3.2 试验数据
(1)热变形试验
由于条件限制,没有降温环境,故试验只模拟升温过程,且采取拉偏形式进行。同时采集试验数据,取三次的平均值。试验厂房的环境温度要求控制在(20±5)°C。
共有三种试验工况:整星拉偏为(40±5)°C;整星拉偏为(60±5)°C;SAR天线和星敏感器保持在(20±5)°C,星体拉偏为(60±5)°C。将这三种试验工况进行仿真分析后和试验数据进行对比,其结果如表2所示。前两种试验工况的目的是为了验证2.2节中高低温工况仿真的有效性,第三种试验工况是为了验证SAR天线与星体的连接产生是否产生游离作用。
从试验数据和仿真结果中可以得到:1)试验工况2和3比较,星体产生的热变形对星敏的指向精度影响很大。2)试验工况2中星敏1和星敏2的趋势与仿真结果趋势不一致,可能由于靠近星敏感器1和2的半刚性连接实际存在较大的摩擦,导致星体热变形对SAR天线和星敏感器有较大影响,同时可能存在测量系统误差等因素;其他试验工况与仿真结果的趋势保持相同,从而验证了2.2节中卫星两种连接方式高低温工况的仿真分析的准确性。3)试验工况4中,星体的加热对星敏指向精度基本无影响,说明半刚性连接的方法有助于将星体热变形进行游离。
(2)力学试验
为验证半刚性连接对卫星的力学性能的影响,对卫星进行振动试验。整星振动试验的刚度结果为:X(横向)15.21 Hz,Y(横向)16.41 Hz,Z(纵向)42.56 Hz;预复振横向频率漂移在0.11 Hz,纵向漂移在0.62 Hz之内,振动试验结果合理。整星刚度满足整
星横向12 Hz、纵向35 Hz的指标要求。对SAR天线中板和三个星敏感器处的振动响应数据进行读取,结果如表3所示。
从整星的振动试验结果和表3中的数据可以看出,SAR天线中板和三个星敏感器的振动响应值较小且基本一致,说明半刚性连接的方法可以有效保证SAR天线和星敏感器承受发射阶段的力学环境。
为进一步观察半刚性连接的设计方法对星敏感器振动试验的影响,对SAR天线中板和星敏感器进行振前和振后的精测。同样地,进行三次精测,取平均值。表4为三个星敏感器的精测结果。
从振前振后的SAR天线中板和星敏感器的精测数据对比看出,变化量在30″内,符合指标要求。这进一步说明半刚性连接的刚度满足星敏安装的要求,能保证使用精度。本文详细说明了一种卫星SAR天线框架和星体连接方法——半刚性连接,与普通的刚性连接相比,前者在保证一定刚度的同时能使卫星的星敏感器相对SAR天线中板指向精度提高很多。从计算仿真的数据看,前者优于后者2～6倍。同时对热变形进行了试验,其结果证明了半刚性连接能有效地对星体热变形产生游离和抑制效果,也
验证了仿真分析的准确性。最后,通过力学试验和星敏的精测数据可以验证半刚性
连接方法的实用性。这种方法可为其他型号卫星上因热变形引起精度下降的单机提供参考。
【相关文献】
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北京航空航天大学 专业综合实验报告 学院宇航学院班级 111514 学号 11151146 姓名高荣荣 指导老师王海涌 2015年1月3日
星敏感器姿态确定仿真综合实验 摘要：通过对电子星图模拟器和星敏感器PC仿真平台的操作，实现星敏感器姿态确定，以及借助星象天文馆，来实现电子星图模拟器对星的标定。完成星敏感器系统仿真。 关键词：星敏感器定姿星图模拟星图姿态矩阵
一 实验目的 通过电子星图模拟器（ESS ）和星敏感器PC 仿真平台的操作，熟悉星图模拟和星敏感器姿态基本流程及各模块功能，完成星敏感器系统仿真。 二 实验原理 1.星图模拟原理 （1）星图模拟系统是一种近似模拟星空的仿真系统。为星敏感器算法调试、星敏感器产品测试及天文导航半物理仿真系统运行提供标准的星图输入，并提供已知参考星光矢量及星像中心的理想映射坐标。 分光学物理星模、电子星模和计算机软件星模三种。 （2）星图模拟系统的实现 旋转关系：OZ 是光轴指向： 星图模拟是根据光轴指向及旋角( , ,γ)所确定的既定视场，将其范围内的星空目标映射到星敏感器CCD 面阵上并模拟出目标图像的过程。 其中，需要确定第二赤道坐标系、航天器本体坐标系、星敏感器坐标系的转换矩阵。星敏感器固联（安装矩阵为常数阵），那么只考虑第二赤道坐标系和星敏感器坐标系之间的转换关系。 令O-UVW 为第二赤道坐标系，令O ’-XYZ 为星敏感器坐标系。那么星光矢量在两个坐标系下的分量列阵的关系可以表示为：[X,Y,Z]T = Tsi[U,V,W]T ，其中Tsi 为转换矩阵。 2.星敏感器定姿基本原理 光轴n 颗星 OsXsYsZs — 星敏感器坐标系 Ouv — CCD 成像面坐标系 OsO 之间距离 f 为光学透镜的焦距 由图中的几何关系可得： 第 n 颗星的单位矢量在星敏感器坐标系中的分量列阵： tan tan /cos n n n n n u f v f αδα==arctan arctan /cos n n n n n u f v f αδα==
基于星敏感器的船载雷达误差修正参数解算方法
基于星敏感器的船载雷达误差修正参数解算方法 基于星敏感器的船载雷达误差修正参数解算方法 随着航海技术的不断进步，船载雷达已成为舰船上不可或缺的重要装备。船载雷达的任务是检测目标物体的位置、速度和方向等信息，为航行和作战提供必要的数据。然而，由于雷达的工作环境和航行状态不同，误差很难避免。现在，研究者们提出了一种基于星敏感器的船载雷达误差修正参数解算方法，用于精确计算并消除误差。 首先，我们需要介绍一下星敏感器。星敏感器是一种用于确定航天器位置、姿态和速度的传感器。通过检测星体的位置和运动，确定航天器的状态。 该方法主要解决了船载雷达中的因雷达自身姿态的变化，导致其能够看到一些虚假目标的问题。其基本实现方法是：采用 星敏感器检测船体的姿态角，并与雷达的自身姿态参数相结合，实时计算出雷达在不同姿态下的误差参数，通过这些参数，可以在雷达的原始数据中进行误差矫正，提高船载雷达的性能。 具体实现方法如下： 1.首先，我们需要安装星敏感器设备，并且将数据通过船载计 算机处理。 2.然后，需要对雷达的自身姿态参数进行观测，从而了解船体 上雷达的不同姿态下的误差情况。
3.同时，设定一个计算带通滤波器，对原始雷达数据进行滤波 处理，以减少环境因素对数据的干扰。 4.利用船体姿态角、船舶运动态度角和计算出的星敏感器信息，计算出雷达误差参数。具体方法可以是，从星敏感器数据中提取出船体运动角度，然后，通过组合导航算法将其与雷达自 身姿态数据组合，得到有效的船体姿态参数。 5.最后，在原始雷达数据中进行误差矫正，以提高雷达数据的 准确性和实际使用价值。 通过这种基于星敏感器的船载雷达误差修正方法，可以有效提高雷达的准确性和可靠性。这种方法不仅适用于船载雷达，也可以应用于其他形式的雷达误差修正。随着技术的进步，我们相信这种方法将为雷达的实际应用和船舶定位、导航等领域带来巨大的进展。
一种基于外场的星敏感器内部参数标定及精度快速验证系统
（19）中华人民共和国国家知识产权局 （12）发明专利申请 （10）申请公布号 CN107607127A （43）申请公布日 2018.01.19（21）申请号CN201710627711.5 （22）申请日2017.07.28 （71）申请人湖北航天技术研究院总体设计所 地址430040 湖北省武汉市东西湖区金山大道9号 （72）发明人陆壮志;万志江;周鑫;杨贤哲;施丽娟 （74）专利代理机构武汉智汇为专利代理事务所(普通合伙) 代理人樊黎 （51）Int.CI 权利要求说明书说明书幅图 （54）发明名称 一种基于外场的星敏感器内部参数标定及精度快速验证系统 （57）摘要 本发明一种基于外场的星敏感器内部参数 标定及精度快速验证系统，包括星敏感器、时统 设备、数据采集分析系统和水平转位锁紧试验装 置，通过建立星敏感器内部参数标定及精度快速 验证系统的闭环信息链，通过时统设备获取高精 度时间信息和当前观星点位置信息，在外场真实 星空下，把地球用作匀速转动的转台，能够在简 单的试验条件下，采用四位置法快速地完成星敏 感器内部参数的标定及星敏感器的光轴指向精度
验证工作。 法律状态 法律状态公告日法律状态信息法律状态 2018-01-19公开公开 2018-01-19公开公开 2018-01-19公开公开 2018-02-13实质审查的生效实质审查的生效 2018-02-13实质审查的生效实质审查的生效 2020-07-10授权授权
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船用星敏感器姿态测量误差建模与仿真分析
船用星敏感器姿态测量误差建模与仿真分析 张同双;钟德安;潘良;王二建;郭敬明 【摘要】为提高船用星敏感器姿态测量精度，对星敏感器船体姿态测量误差模型 进行了理论分析。首先针对船用星敏感器的使用环境构建了船用星敏感器观测模型，然后推导了基于角度测量的船用星敏感器误差模型，最后仿真分析了星敏感器地平滚动角测量误差、安装角度对船体姿态测量精度的影响。误差模型与仿真结果表明，星敏感器地平姿态测量误差、安装角度标定误差以及安装布局等是影响船体姿态测量精度的主要因素，其中当星敏感器地平滚动角测量误差为100义时，船体姿态 测量误差最大可达112义；安装布局对船体姿态测量精度有一定的影响，其中船 体姿态测量误差随安装方位角的变化而呈周期性振荡趋势，纵摇测量误差随安装仰角的增加而增大；当星敏感器沿艏艉线方向安装时，航向测量误差随安装仰角的增加而增大，当沿垂直于艏艉线方向布局时，横摇测量误差随安装仰角的增加而增大。%In order to improve the precision of ship-borne star sensor, the attitude error model is theoretical analyzed in this paper. Firstly, in view of the actual working environment on the ship, the observation model of ship-borne star sensor is constructed. Then the error model expressions based on angle observa-tion are deduced. Finally, the horizontal roll angle error and installation angle of ship-borne star sensor that can influence the ship attitude precision are analyzed by simulation. The results of theoretical analysis and simulation indicate that the horizontal roll angle measurement error, the calibration error of installation angle and the installation layout of the ship-borne star sensor on the ship are the main factors of the ship attitude measurement precision. For example, as the
一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法
一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法 聂沛文;刘恩海;王万平;田宏 【摘要】星敏感器作为卫星姿态测量装置,其在轨服役过程中,主点和焦距的标定精度是影响其姿态输出精度的主要因素.针对标定过程中含有随机测量噪声偏大的星像点,导致星敏感器主点和焦距的标定结果产生较大偏差的问题,提出了一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法.该方法首先建立了星敏感器在轨标定模型,然后引入合理的标定权值,加入到最小二乘估计主点和焦距的过程中,寻找并剔除随机测量噪声偏大的星点,最后将加权估计出的结果作为测量,采用扩展卡尔曼滤波对星图进行处理.仿真结果表明,在星点位置存在较大误差的情况下,该方法能剔除随机测量噪声偏大的坏点.星内角距统计偏差约为传统方法的1/10,与真值相比标定参数精度分别为0.219 9像素、0.148 7像素、3.38 μm. 【期刊名称】《应用光学》 【年(卷),期】2018(039)006 【总页数】5页(P827-831) 【关键词】星敏感器;在轨标定;加权;最小二乘估计;卡尔曼滤波 【作者】聂沛文;刘恩海;王万平;田宏 【作者单位】中国科学院光电技术研究所,四川成都610209;中国科学院大学,北京100190;中国科学院光电技术研究所,四川成都610209;中国科学院光电技术研究所,四川成都610209;中国科学院光电技术研究所,四川成都610209 【正文语种】中文
【中图分类】V448 引言 星敏感器是一种以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度空间姿态敏感器,被广泛应用于卫星控制中，其主点和焦距的精确校准是实现其姿态测量的重要步骤[1-3]。在实际的飞行任务中，由于发射时的震动和冲击、以及在恶劣太空环境下和长期工作后的磨损[4-5]，其主点和焦距相对地面标定时发生很大的变化，会导致星敏感器导航精度下降。因此为了保证星敏感器的观测精度和可靠性，必须对其主点和焦距进行在轨标定。 传统的在轨标定方法[6-9]均是在星像点随机测量噪声较小的条件下进行的，这些方法在随机测量噪声偏大时，并不能很好地选择标定星点，从而导致最终标定结果偏差较大。 针对传统方法的不足，本文提出了一种星敏感器主点和焦距的加权标定方法。新的方法在迭代计算过程中引入合理的权值，通过计算权重的大小来达到剔除测量噪声较大的星点。在剔除坏点后，重新加权计算得到主点和焦距的最终结果。 1 星敏感器在轨测量模型 星敏感器的理想成像模型为针孔模型[10]，恒星产生的星光经过星敏感器光学系统后所成的像在CCD面阵上会形成一个光斑，如图1所示。 图1 星敏感器理想成像模型Fig.1 Ideal imaging model of star sensor 若星敏感器的焦距为f，恒星在星敏感器成像平面坐标系下投影点中心坐标为(xi,yi)，在考虑主点位置误差的情况下，恒星i在星敏感器成像平面坐标系Oc-XcYcZc下的单位方向矢量可表示为 (1)
标定型星模拟器设计与关键参数测试
标定型星模拟器设计与关键参数测试 陈启梦;张国玉;王哲;赵梓朝 【摘要】In order to complete the ground calibration work of the key parameters for high precision star sensor,a cali-bration star simulator whose single star pointing error is better than 3" and interstellar angular error is better than 5" is developed. According to the working principle of the calibrated star simulator, a high precision collimating optical sys-tem is designed. From the design results, it can be seen that the effective field of view is 37° , the relative disto rtion of the collimating optical system in the whole field is ≤0.1％,and the MTF nearly reaches the diffraction limit. So the design results of the collimating optical system can realize the accurate simulation of the star point position. The error calculation method of key parameters such as single star pointing, interstellar angle and so on is put forward and the practical experiment is done. The experimental results show that the design accuracy of the calibration star simulator meets the requirements of the design index, and the whole equipment can meet the ground test need of high precision star sensor.%为了完成高精度星敏感器关键参数的地面标定,研制单星指向误差优于3″、星间角距误差优于5″的标定型星模拟器.根据标定型星模拟器的工作原理,设计高精度的准直光学系统,从设计结果分析,光学系统有效视场为37°,全视场角内准直光学系统相对畸变≤0.1％,MTF达到衍射极限,可以实现对星点位置的准确模拟.提出单星指向、星间角距等关键参数的误差计算方法并进行测试,实验结果表明:设计的标定型星模拟器的成像精度符合设计指标要求,整个设备可以满足高精度星敏感器地面测试的使用需要.
星敏感器外场观星标定及检验方法研究
星敏感器外场观星标定及检验方法研究 姜文英;陈元枝;俞晓磊;赵志敏;沈令斌 【摘要】The mainly calibration methods of the star sensor,which is based on the real space experiment outfield,as well as the composition and structure of the test platform,were introduced. The dynamic and static three-axis attitude accuracy and the update rate of output data were acquired by processing and analyzing the related experiment data obtained from the dual-CCD star sensor. The results showed that the calibration method on real space can examine the performance specifications on accuracy,update rate,sensitive magnitude and capture time of the star sensor,and have high credibility.%介绍了星敏感器的主要检验标定方法—外场实测观星标定方法，以及实验平台的组成和搭建。根据对双 CCD 探头星敏感器获取的实验数据进行处理、分析，给出了动、静态三轴姿态精度和数据更新率。实验结果表明，采用这种方法可对星敏感器的精度、更新率、敏感星等级、捕获时间等指标进行检验，可信度高。 【期刊名称】《计量学报》 【年(卷),期】2016(037)003 【总页数】4页(P251-254) 【关键词】计量学;星敏感器;外场观星测试系统;标定方法;三轴姿态 【作者】姜文英;陈元枝;俞晓磊;赵志敏;沈令斌
一种用于白天星敏感器的星点质心提取方法
一种用于白天星敏感器的星点质心提取方法 胡晓东;胡强;雷兴;魏青;刘元正;王继良 【摘要】从星空图像中提取星点质心是星敏感器工作的重要基础，针对白天星敏 感器所获取的星空图像噪声情况复杂的特点，应用高斯点分布函数为数学模型，提出了一种能够获取高精度星点质心位置的基于帧累加的星点质心提取方法。首先通过多帧迭代优化目标星像灰度，消除随机噪声的影响，提高信噪比，再利用平方加权质心法计算星点质心的位置，从星空图像中提取星点质心。仿真实验结果表明：该方法具有较强的抗干扰能力和稳定性，且质心提取精度随迭代帧数的增加而提高，当迭代次数达到100次时平均定位精度可达0.1像素，适用于低信噪比条件下的 质心定位计算。该算法简单易行，运算量小，能够实现对视频图像信息的实时处理，且有效地提高质心的定位精度，可以满足白天星敏感器的应用需求。%Star centroid extraction from object image in center of mass is the important basis of star sensor. For the star image obtained by daytime star sensors under complicated circumstances, a method of star centroid based on multiframe incremental is proposed by using the mathematical model of Gaussian point distribution function. By optimizing the multi-frame iterative image gray scale, the influence of random noise is eliminated and the signal-to-noise ratio is improved. Then, by utilizing weighted squared centroid algorithm, the star centroid is calculated to extract the star centroid from the star image. The simulation experimental results show that the method has excellent anti-interference ability and stability, and the centroid extraction precision is increased with the iteration frames. When the number of iterations reaches 100 times the extraction precision
弹性安装船用星惯组合导航系统安装角动态标校方法
弹性安装船用星惯组合导航系统安装角动态标校方法 战德军;郑佳兴;张忠华;秦石乔;潘良 【摘要】针对船用星惯组合导航系统中惯性导航系统和星敏感器之间刚性和弹性两种不同的安装方式，提出了一种星敏感器安装角的动态标校方法。该方法以星敏感器得到的姿态数据和惯导系统输出的姿态数据构建滤波观测量，基于惯导误差传播方程构建状态方程，通过 Kalman 滤波实现对惯导系统姿态误差和星敏感器安装误差的动态最优估计。基于“远望三号”航天测量船的实测导航数据、船体弹性角形变数据对该动态标校方法进行了仿真测试，结果表明星敏感器与捷联惯导系统之间本地刚性安装时安装角动态标校误差较小，异地弹性安装时由于安装误差角的动态变化导致标校误差较大。%A dynamic calibration method was proposed to determine the relative orientation of the axes of the strapdown inertial navigation system (SINS) and the CCD star sensors (CSS) for shipboard SINS/CSS system at the rigid and flexure installation conditions. Specifically, the Kalman filtering method is utilized to estimate the SINS attitude error and the CSS installation error, in which the observation function is founded by using the attitude data separately measured by CSS and SINS, and the state function is constructed by using SINS navigation error functions. To validate the proposed calibration method, the simulation experiments are studied by using the actual navigation data and ship flexure data measured by Yuanwang Ⅲ TT&C ship. Results show that the calibration can achieve a high accuracy when the CSS and the SINS are rigidly installed together, while the calibration error will increase
基于ITSI优选算法的星敏感器导航星库建立
基于ITSI优选算法的星敏感器导航星库建立∗ 陈雪芬;康国华 【摘要】为了有效提高星敏感器星图识别性能，基于ITSI导航星优选算法，合理地进行了导航星库的构建。该优选算法是在传统的导航星优选算法基础上进行的改进，通过区域分割和星密集度计算来实现优选导航星。同时，基于SAO星表，本文建立了一个星图仿真器的软件平台，可以按照实际需求输出全天球范围内不同光轴指向、视场角、轨道位置、像元敏感度等约束条件下的观测星图。在此星图的基础上，运用上述导航星优选算法，建立导航星星库。经均匀性评价准则验证，本文提出的导航星优选算法可以更好地实现导航星的均匀分布，降低星冗余度。最终基于此算法建立导航星库，可以有效降低星图匹配复杂性，提高星图匹配速率和识别成功率。%A guide star database based on a new guide star selection algorithm is properly built,in order to improve the performance of the star pattern recognition for the star sensor. The selection algorithm is preferred by improving the traditional algorithm,through the process of regional segmentation and star-density calculations. Meanwhile,a software platform is established based on SAO star catalog. Through it,different star patterns can be put out according to the actual needs,including the range viewing angle,tracking position,pixel sensitivity and other restricted conditions. The new selection algorithm is used to select guide stars among the stars of the above star pattern. Ultimately the guide star database can be built. The algorithm is proved better to solve the problem of navigation star uniform distribution by uniformity evaluation criteria. Finally,by building the guide star database,the complexity of the star pattern identifica-tion can be
从Pleiades剖析新一代高性能小卫星技术发展
从Pleiades剖析新一代高性能小卫星技术发展 徐伟;朴永杰 【摘要】综述了著名的新一代极限性能高分辨小卫星Pleiades,说明了该卫星的技术特点,同时给出了其关键技术指标,并且有针对性地剖析了Pleiades在多星组网轨道设计、一体化超分辨焦平面设计、一体化综合电子学设计及敏捷姿态控制系统设计等方面所采用的先进技术和设计理念.在此基础上,提出了适应我国国情的小卫星新技术发展方向,包括CMOS TDI模式成像技术、高动态范围视频成像技术、基于可重构模块的柔性化集成技术、基于软件总线的星载软件设计技术以及星载一体化设计技术等,为今后我国研发具有更高的地面分辨率、在轨成像效率和成像质量的新一代高性能小卫星提供了新的思路. 【期刊名称】《中国光学》 【年(卷),期】2013(006)001 【总页数】11页(P9-19) 【关键词】Pleiades;高性能小卫星;高分辨成像;一体化技术 【作者】徐伟;朴永杰 【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033 【正文语种】中文 【中图分类】V474.6
随着遥感信息应用领域的不断扩大和遥感技术的不断发展，商用遥感卫星凭借其不断提高的时间分辨率、空间分辨率及光谱分辨率特性，具有越来越广阔的应用前景。近代商用高分辨率遥感卫星颇具典型代表的有美国Digital Globe公司的QuickBird，WorldView-1，WorldView-2卫星和GeoEye公司的IKONOS，GeoEye-1，GeoEye-2卫星(0.25 m分辨率，在研)，这些卫星相机拍摄的地球表面图像的像元分辨力都优于1 m，最高已达到了0.41 m［1-3］。法国的SPOT 系列卫星是世界上最早，也是以商业模式运作最为成功的遥感卫星，但其SPOT 卫星系列主要面向大幅宽应用场合，分辨率一直不是很高。进入21世纪，面对日益激烈的竞争压力，为争夺高分辨率卫星影像市场，法国和意大利合作研发了Pleiades系列卫星作为SPOT系列卫星的性能补充，首颗Pleiades-1卫星已于2011年12月17日成功发射，其具有0.5 m超高空间分辨率且幅宽达到了20 km。 较之美国的同类卫星，Pleiades凭借其独特的技术特点脱颖而出，受到全世界航 天研发机构的关注。本文将详细总结Pleiades的技术特点并加以深入剖析，进而 揭示未来商用高分辨遥感卫星技术的发展方向。 Pleiades是一种便捷、灵巧的高分辨率光学遥感卫星，如图1所示。 为了适应对地观测的发展需要，研制者对Pleiades卫星进行了全新设计，对传感 器也进行了较大的调整，一方面继续保持了SPOT系列卫星在波段设置、立体成像、星座运行等方面的特点，另一方面重新设置了空间分辨率、观测灵活性以及数据获取模式等，使其具有更高的技术水准。与SPOT系列卫星相比，Pleiades卫 星是灵巧型卫星，重量为1 t，太阳能帆板和锂离子电池为卫星提供1500 W的能量。不同于传统卫星平台与载荷层层叠放的构型方式，Pleiades以载荷为中心进 行整星布局的构型设计，打破了载荷与平台的界限，尽量互相结合，减少构件，达到简化、多用与高度集成。表1为Pleiades卫星的主要参数。