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《华中科技大学》 2011年
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高精度双视场星敏感器关键技术研究

张华  
【摘要】:星敏感器是一种高精度的航天器姿态测量设备。在航天器自主导航应用中,星敏感器的视场角尺寸在测量精度与星探测能力之间是矛盾的。为了在提高星敏感器姿态测量精度的同时保证其星探测能力,本文从系统结构入手,提出一种采用双图像传感器的双视场星敏感器方案设计。并以此为基础,从算法和仿真试验两方面,重点对快速星模式识别算法和高精度姿态估计方法进行了深入研究。主要研究内容如下: 通过分析星敏感器的工作原理,在星敏感器的系统结构方面,提出了一种采用双图像传感器的双视场星敏感器的设计方案,并讨论了在星图采集、星提取和质心计算、星模式识别和姿态计算等算法处理中综合利用两个视场中导航星信息的算法思路。通过分析星敏感器的星探测能力和成像过程中影响星敏感器星探测能力的机制和因素,讨论了提高星敏感器星探测能力的方法。利用星敏感器的目标成像特点和星敏感器的响应曲线特征,提出一种通过自适应调节积分时间来提高星敏感器星探测能力的方法。试验表明,这种方法可以自适应地对不同亮度的目标成像,从而提高了星敏感器的星探测能力。 通过对星模式识别算法中的星模式特征进行分析,利用星间角距和相邻星间连线的夹角来表示多边形模式,从而得到一种以一颗参考星为中心的星形星模式来直观地表示星图中与参考星相邻的导航星分布特征,并分析了该模式在几何上与三角形模式和多边形模式的等价性。采用以视角为坐标值的极坐标系来表示这种星形模式,径向坐标值可以直接表示参考星与相邻星间的角距,而且这种星形星模式具有平移和旋转不变性。提出一种基于视角极坐标系的栅格星形星模式识别算法,在视角极坐标下利用栅格算法的原理来实现星形星模式识别。通过与三角形算法和传统栅格算法的对比仿真表明,提出的算法具有识别率高、识别速度快及对测量噪声较强的鲁棒性等特点。 在分析基于姿态四元数的星敏感器测量方程的基础上,将Choukroun等提出的四元数矢量定姿测量方程引入到星敏感器应用中,从而可以直接利用KF (KalmanFilter,卡尔曼滤波)方法进行姿态估计。理论分析和与基于EKF(Extended Kalman Filter,扩展卡尔曼滤波)的姿态估计方法的对比仿真结果表明,这种方法没有线性化造成的高阶截断误差,具有较高的姿态估计精度,可用于双视场星敏感器姿态估计。对双视场星敏感器的姿态估计融合方法进行了研究,通过理论分析和仿真比较得出,基于联合卡尔曼滤波的信息融合方法具有计算简单和姿态估计精度高的优点,适合于双视场星敏感器姿态估计融合。为了提高姿态估计的精度,对基于联合卡尔曼滤波的双视场星敏感器姿态估计融合算法中的信息分配方法进行了研究,提出了利用系统状态分量差异性的对角矩阵信息分配方法,并对利用系统状态协方差矩阵和测量噪声方差矩阵两方面信息进行信息分配的方法进行了研究。仿真结果表明,利用这两种信息分配方法的双视场星敏感器姿态估计融合算法不仅姿态估计精度高,同时还具有较高的容错性。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:V448.2

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【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 张力军;基于多视场星敏感器的航天器姿态确定方法研究[D];国防科学技术大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王广君,房建成;基于Hausdorff距离的星图识别方法[J];北京航空航天大学学报;2005年05期
2 于延波;房建成;;基于矢量观测的航天器分段信息融合定姿方法[J];北京航空航天大学学报;2005年11期
3 全伟;王广君;房建成;;一种基于Hausdorff距离的改进星图识别方法[J];北京航空航天大学学报;2006年01期
4 邱恺,荣军,陈天如,杨振;联邦滤波信息分配方法研究[J];传感技术学报;2005年03期
5 陈元枝,郝志航;适用于星敏感器的星图识别方法[J];光电工程;2000年05期
6 李立宏,张福恩,林涛;一种基于遗传算法的全天自主星图识别算法[J];光电工程;2000年05期
7 李葆华,张迎春,李化义,许士文;用KMP算法进行星敏感器星图识别的方法[J];光电工程;2004年01期
8 魏新国,张广军,江洁;利用径向和环向分布特征的星图识别方法[J];光电工程;2004年08期
9 张晨,陈朝阳,沈绪榜;APS星跟踪器探测灵敏度研究[J];光电工程;2004年10期
10 张福民;曲兴华;叶声华;;大尺寸测量中多传感器的融合[J];光学精密工程;2008年07期
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 朱长征;基于星敏感器的星模式识别算法及空间飞行器姿态确定技术研究[D];国防科学技术大学;2004年
2 刘智;CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2004年
3 张晨;基于星跟踪器的航天器姿态确定方法研究[D];华中科技大学;2005年
4 王素娟;基于恒星敏感器的风云四号气象卫星姿态确定方法研究及实现[D];中国气象科学研究院;2009年
5 王鹏;基于星载敏感器的卫星自主导航及姿态确定方法研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
6 李丹;小卫星多传感器自主导航关键技术研究[D];南京航空航天大学;2008年
7 徐帆;惯性/天文/卫星组合导航方法研究[D];北京航空航天大学;2009年
8 胡海东;星图识别与组合导航滤波方法研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 曾瑞;周乐柱;李明之;王玮;;姿态变化条件下的典型卫星目标宽带散射特性分析[J];北京大学学报(自然科学版);2009年01期
2 张伟;管萍;刘小河;;卫星姿态的间接自适应模糊鲁棒控制[J];北京信息科技大学学报(自然科学版);2011年01期
3 韩潮;舱外机动装置姿态自适应控制研究[J];北京航空航天大学学报;1999年06期
4 陈杰,周荫清,李春升,陈元藻;卫星姿态指向抖动与SAR成像质量关系研究[J];北京航空航天大学学报;2001年05期
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6 房建成,全伟,孟小红;基于Delaunay三角剖分的全天自主星图识别算法[J];北京航空航天大学学报;2005年03期
7 王广君,房建成;基于Hausdorff距离的星图识别方法[J];北京航空航天大学学报;2005年05期
8 宁晓琳,房建成;航天器自主天文导航系统的可观测性及可观测度分析[J];北京航空航天大学学报;2005年06期
9 全伟;王广君;房建成;;一种基于Hausdorff距离的改进星图识别方法[J];北京航空航天大学学报;2006年01期
10 蔡晓东;叶培建;;基于特征点集的匹配算法应用于卫星姿态确定[J];北京航空航天大学学报;2006年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 隋树林;孙立宏;姚文龙;袁健;;融合改进UKF/SIFT信息的自主光学导航方法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 ;A Novel Algorithm Reducing All-sky Star Pattern Recognition's Delay Time[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 王鹏;张迎春;;基于星敏感器/红外地平仪的自主导航方法研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
4 张泽;段广仁;;超定条件下基于星敏感器的姿态确定[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 丁世宏;李世华;陈熙源;;基于非光滑控制技术的挠性飞行器姿态镇定[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
6 高照照;杨慧;王东;郝文宇;王庆华;李美红;;导航卫星太阳光压任务分析[A];第二届中国卫星导航学术年会电子文集[C];2011年
7 陈宏宇;吴会英;袁明;;影响导航伪距测量的卫星参数和处理方法[A];第二届中国卫星导航学术年会电子文集[C];2011年
8 袁莉芳;杨慧;定宇;罗耀辉;米红;;静止轨道卫星姿态偏置对天线方向图及卫星性能的影响分析[A];第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S03精密定轨与精密定位[C];2012年
9 黄康;施浒立;刘成;;一种适用于海洋舰船使用的天文定位导航新方法[A];第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S09组合导航与导航新方法[C];2012年
10 吴国栋;;星敏感器坐标系与自身立方镜坐标系间转换矩阵的标定方法[A];2011下一代自动测试系统学术研讨会论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 冯其强;数字工业摄影测量技术研究与实践[D];解放军信息工程大学;2010年
2 石善斌;静止轨道多星共位技术研究[D];解放军信息工程大学;2009年
3 李康乐;雷达目标微动特征提取与估计技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
4 贾辉;高精度星敏感器星点提取与星图识别研究[D];国防科学技术大学;2010年
5 刘劲;基于X射线脉冲星的航天器自主导航方法研究[D];华中科技大学;2011年
6 毕胜;变结构飞行器的多刚体建模和姿态控制[D];中国科学技术大学;2010年
7 苏哲;X射线脉冲星导航信号处理方法和仿真实验系统研究[D];西安电子科技大学;2011年
8 周彬;具有饱和非线性的控制系统设计的参量Lyapunov方法及其应用[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 蓝朝桢;空间目标天基光学观测系统建模与探测能力分析[D];解放军信息工程大学;2009年
10 何勇;绳系卫星空间交会制导与控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈洪生;基于IBIS5的APT系统视频跟踪器技术研究[D];长春理工大学;2010年
2 孙伟;基于卷帘式快门的数字相机速度测量技术研究[D];长春理工大学;2010年
3 牟忠凯;卫星姿态确定的非线性滤波方法研究[D];解放军信息工程大学;2010年
4 张成义;气动辅助变轨的轨道模拟[D];浙江大学;2010年
5 彭会湘;一体化态势综合表达技术研究[D];西安电子科技大学;2009年
6 程征;星图定位与识别技术研究[D];西安电子科技大学;2010年
7 周艳;星敏感器光学系统测试设备研究[D];西安电子科技大学;2010年
8 孟靖;大地天文测量星图定位与识别算法的研究[D];西安电子科技大学;2010年
9 周迎春;计入大气阻力的电动力绳系系统的稳定性分析与控制[D];北方工业大学;2011年
10 刘振强;弹载GPS数据采集及存储技术研究[D];中北大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 叶生龙;魏新国;樊巧云;张广军;;多视场星敏感器工作模式设计[J];北京航空航天大学学报;2010年10期
2 张力军;钱山;蔡洪;张士峰;;Kalman滤波中连续系统离散化的计算机实现[J];飞行器测控学报;2010年02期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 程开富;CMOS图像传感器及应用[J];半导体光电;2000年S1期
2 程开富;CMOS图象传感器的原理及应用[J];半导体情报;2001年05期
3 魏新国,张广军,江洁;星敏感器中星图图像的星体细分定位方法研究[J];北京航空航天大学学报;2003年09期
4 张瑜,房建成;航天器天文导航模糊自适应卡尔曼滤波研究[J];北京航空航天大学学报;2004年08期
5 王广君,房建成;基于Hausdorff距离的星图识别方法[J];北京航空航天大学学报;2005年05期
6 王广君,房建成;一种星图识别的星体图像高精度内插算法[J];北京航空航天大学学报;2005年05期
7 刘军;韩潮;;基于UKF的雷达高度计自主定轨[J];北京航空航天大学学报;2006年08期
8 王艳东,黄继勋,范跃祖;GPS/INS组合导航系统半实物仿真研究[J];北京航空航天大学学报;1999年03期
9 缪玲娟,李春明,郭振西,杨勇;陆用捷联惯导系统/里程计自主式组合导航技术[J];北京理工大学学报;2004年09期
10 荣思远;穆荣军;崔乃刚;;非线性容错滤波在基于磁强计自主导航中的应用[J];北京理工大学学报;2006年04期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 陆建新;赵大炜;缪栋;;基于神经网络信息融合技术的容错组合导航系统设计[A];2003中国控制与决策学术年会论文集[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 陈元枝;基于星敏感器的卫星三轴姿态测量方法研究[D];中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;2000年
2 刘广军;组合导航系统的数据处理与仿真[D];中国人民解放军信息工程大学;2002年
3 钱勇;高精度三轴稳定卫星姿态确定和控制系统研究[D];西北工业大学;2002年
4 王晓东;大视场高精度星敏感器技术研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2003年
5 郑万波;基于星敏感器的全天自主分层星识别算法研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2004年
6 朱长征;基于星敏感器的星模式识别算法及空间飞行器姿态确定技术研究[D];国防科学技术大学;2004年
7 李涛;非线性滤波方法在导航系统中的应用研究[D];国防科学技术大学;2003年
8 张艳;基于星间观测的星座自主导航方法研究[D];国防科学技术大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 彭蓉;智能组合导航系统中信息融合与容错理论研究[D];西北工业大学;2003年
2 李春艳;利用神经网络技术实现星敏感器的星图识别[D];辽宁师范大学;2003年
3 李端勇;基于信息融合的组合导航系统研究[D];西北工业大学;2005年
4 王萍;星载雷达高度计自主导航技术[D];国防科学技术大学;2004年
5 兰艳亭;多传感器数据融合跟踪算法研究[D];中北大学;2006年
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6 马涛;刘朝山;肖松;;一种改进的凸多边形星图识别算法[J];光学技术;2008年S1期
7 张辉;郝永杰;;基于STK的卫星星敏感器视场仿真研究[J];计算机仿真;2011年07期
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9 穆华,吴美平,胡小平;卫星惯性/星光组合自主定姿方法研究[J];中国惯性技术学报;2004年03期
10 郝雪涛,江洁,张广军;CMOS星敏感器图像驱动及实时星点定位算法[J];北京航空航天大学学报;2005年04期
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3 吴峰;沈为民;周建康;陈新华;;星敏感器光学系统星场成像仿真的设计和实现[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
4 张伟娜;全伟;;高动态下CMOS星敏感器探测能力分析[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集[C];2010年
5 陈元枝;;星敏感器仿真研究[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
6 张泽;段广仁;;超定条件下基于星敏感器的姿态确定[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 陈元枝;姜文英;钟建勇;田宏;;星敏感器技术及检测方法[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
8 钟兴;王栋;金光;;CMOS星敏感器光学系统设计与能量质心特性仿真[A];中国空间科学学会第七次学术年会会议手册及文集[C];2009年
9 刘剑辉;赵龙;;卫星自主导航中星图的实时仿真[A];2008通信理论与技术新进展——第十三届全国青年通信学术会议论文集(上)[C];2008年
10 廖瑛;刘光明;文援兰;;卫星星敏感器视场建模与仿真研究[A];中国系统仿真学会第五次全国会员代表大会暨2006年全国学术年会论文集[C];2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 崔伟光 蒋建科;矢志航天写辉煌[N];人民日报;2003年
2 本报记者 仇方迎 通讯员 崔伟光 李明;打造中国的“智多星”[N];科技日报;2003年
3 ;五院502所嫦娥奔月圆梦想 乘胜前进谱华章[N];中国航天报;2007年
4 周晓松 陈云 刘海青;磨砺“一剑封喉”硬功[N];中国国防报;2011年
5 北京控制工程研究所所长 张笃周 党委书记 徐希悦;擎科学发展大旗 走自主创新之路[N];科技日报;2011年
6 蒋中秋;印刷色彩控制仪器和原理[N];中国包装报;2008年
7 本报实习记者 信爱华 马文娟;太空“黑户”将减少1000万[N];大众科技报;2002年
8 田龙生 里土;点评坦克:“陆战之王”排行榜上的硝烟[N];中国国防报;2004年
9 胡小平;傈僳族的“草地婚宴”[N];中国民族报;2004年
10 华佬 译;异常声音搜索扫描器[N];电子报;2004年
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1 张华;高精度双视场星敏感器关键技术研究[D];华中科技大学;2011年
2 吴峰;自主导航星敏感器关键技术的研究[D];苏州大学;2012年
3 王天聪;航空导航白天星敏感器技术研究及光学系统优化设计[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2012年
4 朱长征;基于星敏感器的星模式识别算法及空间飞行器姿态确定技术研究[D];国防科学技术大学;2004年
5 陈元枝;基于星敏感器的卫星三轴姿态测量方法研究[D];中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;2000年
6 王晓东;大视场高精度星敏感器技术研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2003年
7 郑万波;基于星敏感器的全天自主分层星识别算法研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2004年
8 黄晨;三轴稳定卫星姿态确定与控制系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
9 刘智;CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2004年
10 李杰;APS星敏感器关键技术的研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郑循江;轻小型高动态星敏感器技术研究[D];上海交通大学;2012年
2 李春艳;利用神经网络技术实现星敏感器的星图识别[D];辽宁师范大学;2003年
3 张力军;基于多视场星敏感器的航天器姿态确定方法研究[D];国防科学技术大学;2011年
4 宋亮;星敏感器陀螺姿态确定系统在轨标定研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
5 吴志华;基于星敏感器/陀螺组合定姿系统研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
6 马凤仙;处理带乘性噪声星敏感器/陀螺系统的UKF算法研究[D];湖南大学;2011年
7 陈锐;基于星敏感器的星图识别方法研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
8 廖家莉;图像传感器噪声对恒星定位精度影响的理论与实验研究[D];国防科学技术大学;2010年
9 刘丹凤;基于带乘性噪声的星敏感器/陀螺卫星姿态确定方法研究[D];湖南大学;2010年
10 张文明;小型星模拟器的研制方法和研制技术[D];电子科技大学;2003年
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