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基于星敏感器的无陀螺角速度测量新方法研究

作　者: 刘海波
导　师: 谭吉春
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 物理学
关键词: 星敏感器角速度测量在轨自主校准星点提取恒星角距自适应滤波调焦
分类号: V448.22
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年深空自主探测和微小卫星技术发展迅速，采用成本相对较低的光学姿态敏感器实现角速度测量，具有很好的应用前景。针对深空自主导航和微小卫星姿态测量的需求，本文研究无陀螺条件下利用星敏感测量角速度的新方法，使得航天器减小对陀螺的依赖。针对星敏感器角速度测量中的关键技术，从角速度估计方法、星点提取和内部参数的校准三个方面开展研究，主要工作包括：⑴基于星敏感器测量的角速度估计方法研究提出了利用星敏感器测量角速度的矢量差分法和恒星跟踪滤波法。矢量差分法采用同一恒星在星敏感器连续两帧图像中的测量矢量的一阶向后差分，构建角速度测量方程。恒星跟踪滤波法利用Singer模型的目标跟踪滤波，获得恒星投影位置和速度信息，构建角速度测量方程，实现角速度估计。与矢量差分法相比，恒星跟踪滤波法无需差分和上一时刻星敏感器的测量信息。针对矢量差分法和恒星跟踪滤波法，设计了自适应卡尔曼滤波器，估计角速度。与现有的基于卡尔曼滤波估计角速度方法不同，该滤波器以当前时刻星图中导航星数目的增加作为时刻变化，更新状态量，获得角速度的最优估计值；不依赖于航天器动力学模型与转动惯量信息，以及星体参数向量或姿态的任何信息。对低轨卫星轨道仿真测试，以及对地球自转角速度测量的结果表明，在星敏感器采样频率10Hz条件下，该滤波器估计角速度的精度可以达到10-6rad/s量级。⑵星点提取方法研究提出了依赖姿态信息和不依赖姿态信息的两种卡尔曼滤波星点提取方法。具体步骤为：根据卡尔曼滤波的预测方程，预测星点位置；然后，在以预测位置为中心的m×m像元星图窗口，提取星体目标，采用质心法获得星点质心位置的测量值；最后，利用设计的卡尔曼滤波器，获得星点位置信息的最优估计。卡尔曼滤波的星点提取方法，可以在减小星点提取位置的随机噪声的同时，提高提取的速度、减小伪星出现的概率。依赖于姿态信息的方法，根据星敏感器的姿态矩阵和姿态角速度，构建预测方程，预测星点位置。不依赖姿态信息的方法，采用Singer模型构建卡尔曼滤波的预测方程，具有不依赖于姿态矩阵和角速度信息的特点，能同时获得星点位置和速度，是恒星跟踪滤波法测量角速度的基础。⑶内部参数的实验室校准提出了一种星敏感器实验室校准的装置和方法。首先，利用激光自准直的方法测量光学中心位置；然后，采用单星模拟器结合二维可调平面反射镜，利用激光反射的方法监测平面反射镜转角，采集校准数据，估计星敏感器安装角、焦距和高阶畸变系数。该校准方法简单、无需高成本的精密转台；在采集星点数据时无需转动星敏感器，可以消除传统实验室校准方法中星敏感器安装误差对精度的限制。误差分析和实验结果表明，校准后的恒星测角误差小于4.0×105rad，通过增加激光反射距离的简单方法，校准的精度还有进一步提高的空间。此外，还提出了一种新的量化的星敏感器调焦方法，该方法借助于上述装置，通过高斯曲面拟合法，测量不同视场、不同离焦位置的成像光斑的高斯半径，进而选择星敏感器“最佳”离焦位置。⑷内部参数的在轨自主校准研究基于姿态估计和基于角距的星敏感器内部参数在轨自主校准方法，并进行了地面观星测试实验。基于姿态估计的校准方法，在进行姿态估计的同时，估计光学中心、焦距以及高阶畸变系数。基于角距的校准方法，利用角距不变原理构建测量方程，设计结合最小二乘迭代法的卡尔曼滤波器，估计内部参数。当导航星数目较少时，基于姿态估计的校准方法内部参数和姿态存在耦合。与已有的扩展卡尔曼滤波校准方法相比，基于角距的校准方法估计结果不受初值的影响，且引入了高阶畸变模型，具有更高的校准精度。对观星数据处理结果显示，校准后的恒星角距误差为105rad量级上述研究方法和结论可为无陀螺角条件下角速度测量提供参考。

全文目录

摘要  11-13
Abstract  13-15
第一章绪论  15-20
  1.1 研究背景  15-16
  1.2 利用星敏感器测量角速度的关键技术  16-17
  1.3 解决问题的思路  17-18
  1.4 论文的结构  18-20
第二章基于星敏感器的无陀螺角速度测量方法  20-41
  2.1 星敏感器角速度估计方法研究动态  20-23
    2.1.1 国内外研究动态  20-21
    2.1.2 本章的研究思路  21-23
  2.2 星敏感器测量角速度的原理  23-24
  2.3 测量矢量差分法  24-35
    2.3.1 最小二乘估计  24-25
    2.3.2 自适应卡尔曼滤波的角速度估计  25-31
    2.3.3 仿真测试  31-32
    2.3.4 观星测试  32-35
    2.3.5 讨论  35
  2.4 恒星跟踪滤波法  35-39
    2.4.1 Singer 模型恒星跟踪滤波的角速度估计  35-36
    2.4.2 仿真测试  36-37
    2.4.3 观星测试  37-39
    2.4.4 讨论  39
  2.5 本章小结  39-41
第三章星点提取  41-61
  3.1 星点提取研究动态  41-43
    3.1.1 国内外研究动态  41-42
    3.1.2 本章研究思路  42-43
  3.2 卡尔曼滤波星点提取的原理  43
  3.3 依赖姿态信息的卡尔曼滤波星点提取  43-55
    3.3.1 星点提取方法  44-48
    3.3.2 仿真测试  48-52
    3.3.3 观星测试  52-55
  3.4 不依赖姿态信息的卡尔曼滤波星点提取  55-60
    3.4.1 基于 Singer 模型的卡尔曼滤波星点提取  55-57
    3.4.2 星点位置估计步骤  57
    3.4.3 仿真测试及结果  57-59
    3.4.4 观星测试  59-60
  3.5 本章小结  60-61
第四章内部参数实验室校准  61-80
  4.1 内部参数实验室校准研究动态  61-62
    4.1.1 国内外研究动态  61-62
    4.1.2 本章研究思路  62
  4.2 星敏感器实验室校准模型  62-64
    4.2.1 理想模型  62-63
    4.2.2 考虑畸变的成像模型  63-64
  4.3 校准装置及方法  64-73
    4.3.1 校准装置  64-65
    4.3.2 星光模拟  65-67
    4.3.3 星敏感器调焦  67-70
    4.3.4 校准步骤  70-73
  4.4 误差分析与讨论  73-78
    4.4.1 误差源分析  73-75
    4.4.2 模拟测试  75-78
    4.4.3 误差影响  78
  4.5 本章小结  78-80
第五章内部参数在轨自主校准  80-101
  5.1 内部参数在轨自主校准研究动态  80-81
    5.1.1 国内外研究动态  80-81
    5.1.2 本章研究思路  81
  5.2 基于姿态估计的校准  81-87
    5.2.1 校准模型  82-83
    5.2.2 校准步骤  83-84
    5.2.3 仿真测试  84-87
  5.3 基于角距的校准  87-95
    5.3.1 校准模型  87-89
    5.3.2 校准步骤  89-92
    5.3.3 仿真测试  92-95
  5.4 观星实验  95-99
    5.4.1 恒星位置修正  95
    5.4.2 实验结果及讨论  95-99
  5.5 本章小结  99-101
第六章总结  101-105
  6.1 主要内容  101-102
  6.2 主要创新点  102-104
  6.3 工作展望  104-105
致谢  105-107
参考文献  107-118
作者在学期间取得的学术成果  118-120
附录 A 星敏感器组成与工作原理  120-121
附录 B 星敏感器发展简史  121-130
附录 C 恒星视位置计算  130-131

基于星敏感器的无陀螺角速度测量新方法研究

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