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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。


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