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《中国科学院长春光学精密机械与物理研究所》 2000年 博士论文
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基于星敏感器的卫星三轴姿态测量方法研究

陈元枝  
【摘要】: 航天器的姿态测量问题是伴随着航天器的出现而产生的,姿态 控制已经成为航天领域的一个主要研究方向。航天器姿态的实时测 量对于姿控、导航、定位,尤其是遥感摄影测量都具有重要意义。 以面阵CCD为敏感元件、以恒星为探测对象的星敏感器,以其高 生存率、高可靠性和高精确度等的优点,已成为卫星、航天飞机和 空间站上必备的高精度姿态敏感部件,而且正在向高自主、轻量化、 低功耗方向迈进。 二十世纪九十年代中期,德国和美国先后研究出了被称为第二 代CCD星敏感器的CHAMP ASC和AST-201,它们都具有自主性强、 视域大、各种补偿在内部完成、直接输出姿态等特点。我国经过近 四十年的研究,在工程上实现了星相机关键技术上的突破,在摄星 能力上达到了世界先进水平,但在视场及长时间在轨运行等方面, 还不能满足高精度摄影测量相机的要求。在国内目前还没有见到有 关第二代星敏感器全系统实验研究报导的情况下,本文针对第二代 星敏感器系统,进行了如下几方面研究工作: 1.查阅了大量的国内外文献和书籍,系统阐述了星敏感器设计中的各 项精度要求。 2.在分析、比较和归纳有关文献和专著的基础上,确定了以球矩阵 方法存储星表,并对其进行了改进;确立了恒星平位置至视位置的 转换公式;确定只以星对角距作为识别特征,排除了星等做特征所 带来的误识别;采用直接求取转换矩阵的方法获取三轴姿态。 3.根据观测星图和导航星所具有的特性---星对角距和连通性,构造 了最大连通匹配树识别算法。 4.用BORLANDC++编程实现了由星表生成星载存储星表、坐标变 换、星识别、姿态获取等整个流程。 5.由主频120M微机模拟星敏感器,在含有9107颗星的均匀分布 星表中随机抽取视场(每视场10颗星),每颗被测星加入正态分布 偏差,进行识别实验和姿态计算实验。分析了视场大小,位置噪声, 门限,被测星数等对识别率及识别时间的影响以及位置噪声和参与 计算的星数对姿态测量精度的影响。在12°×12°视场,门限取0.06°, 一 位置噪声为 5=0刀2’时,每一区域的星识别概率达到 100%,识别时 间平均小于0.2秒;全球搜索时间少于455;整个流程所需时间少 于0.5秒。


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