文章目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 星敏感器的发展历程

1.3 国内外全天时星敏感器的研究现状

1.4 论文的主要内容与结构安排

第2章 全天时星敏感器关键技术分析

2.1 星敏感器的组成及原理

2.2 星敏感器的工作坐标系

    2.2.1 天球坐标系

    2.2.2 成像坐标系

    2.2.3 星敏感器坐标系

    2.2.4 坐标系间的转换

2.3 星敏感器的主要技术参数

    2.3.1 光学参数

    2.3.2 积分时间

    2.3.3 数据更新率

    2.3.4 极限探测星等

    2.3.5 平均可用星数量

2.4 全天时星敏感器关键技术分析

    2.4.1 白天星敏感器的姿态测量方法分析

    2.4.2 夜间星敏感器的姿态优化方法分析

    2.4.3 全天时星敏感器运动模糊的复原方法分析

2.5 本章小结

第3章 白天星敏感器的姿态测量方法

3.1 引言

3.2 基于星图叠加的姿态测量方法

    3.2.1 基于姿态相关帧的星图叠加算法

    3.2.2 星点提取与质心定位

    3.2.3 全天球星图识别

    3.2.4 高精度姿态解算

3.3 基于太阳位置的测量方法

    3.3.1 太阳图像边缘点检测

    3.3.2 未遮挡条件下太阳的形心定位

    3.3.3 遮挡条件下太阳的形心拟合算法

    3.3.4 基于太阳位置的测量方法

3.4 仿真实验验证

    3.4.1 基于姿态相关帧的星图叠加算法实验

    3.4.2 太阳形心的拟合实验

3.5 本章小结

第4章 夜间星敏感器的姿态优化方法

4.1 引言

4.2 星敏感器的姿态滤波算法

    4.2.1 星敏感器的系统模型

    4.2.2 基于卡尔曼滤波的姿态滤波算法

4.3 星敏感器的快速跟踪识别算法

4.4 仿真实验验证

    4.4.1 星敏感器的姿态滤波实验

    4.4.2 星敏感器快速跟踪识别实验

4.5 本章小结

第5章 全天时星敏感器运动模糊的复原方法

5.1 引言

5.2 星点质心的运动规律

5.3 模糊星图的复原函数

5.4 模糊星图的复原算法

    5.4.1 基于能量函数的曲率滤波算法

    5.4.2 改进的LR算法

5.5 仿真实验验证

    5.5.1 模糊星图的去噪实验

    5.5.2 模糊星图的复原实验

5.6 本章小结

第6章 全天时星敏感器系统的设计与实验

6.1 引言

6.2 全天时星敏感器电子学系统设计

    6.2.1 全天时星敏感器的成像系统

    6.2.2 全天时星敏感器的数据处理系统

6.3 全天时星敏感器标定

    6.3.1 全天时星敏感器参数标定

    6.3.2 全天时星敏感器精度标定

6.4 全天时星敏感器的观星实验

    6.4.1 全天时星敏感器的夜间观星实验

    6.4.2 全天时星敏感器的白天观星实验

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章摘要:天文导航系统是一种通过探测天体位置信息确定姿态的导航系统,星敏感器是天文导航系统中精度最高、抗干扰性最强的导航设备。国内星敏感器在空间和近地面夜间任务中得到了广泛的应用,而在近地面白天条件下,较强的天空背景辐射会影响星敏感器的正常工作。随着我国军事实力的不断发展,近地面武器装备对导航系统的测量精度和抗干扰能力提出了更高的要求,使得星敏感器在近地面全天时的应用需求愈发迫切。因此,目前全天时星敏感器是国内星敏感器研究领域中亟需解决的重点和难点问题。论文针对全天时星敏感器提高测量精度和抗干扰能力的现实需求,分别对全天时星敏感器的白天姿态测量方法,夜间姿态优化方法和全天时星敏感器运动模糊的复原方法等关键技术进行了研究。论文的主要研究内容总结如下:（1）针对白天条件下星敏感器高精度姿态测量难的问题,在对星图叠加算法进行研究后,分析了星敏感器连续帧图像中像素位置的映射关系,对传统星图叠加算法进行了改进,提出一种基于姿态相关帧的星图叠加算法,改善了图像中星点的信噪比,在此基础上采用基于星图叠加的姿态测量方法对白天星敏感器的姿态进行测量。（2）针对在白天恒星被云层遮挡的条件下,无法通过恒星探测的方法对星敏感器的姿态进行测量的问题,在对基于太阳定位的姿态测量方法进行研究后,提出一种太阳形心的拟合算法,在此基础上采用基于太阳位置的测量方法对白天星敏感器的光轴指向进行粗测量,提高星敏感器在白天条件下工作的鲁棒性。（3）针对夜间星敏感器姿态测量时受测量噪声干扰的问题,对星敏感器的姿态滤波方法进行研究后,建立了星敏感器的线性系统模型,在此基础上提出一种基于卡尔曼滤波的姿态滤波算法,改善了星敏感器姿态测量过程中的测量精度。（4）针对星跟踪过程中视场内新星识别速度慢的问题,在对星表的分区方法进行研究后,采用基于正多面体的星表分区方法,在此基础上提出一种星敏感器的快速跟踪识别算法,提高星跟踪过程中对新星的识别速度。（5）针对全天时星敏感器在动态条件下工作时星点的运动模糊问题,对模糊星图中星点质心的运动规律进行分析,在此基础上解算出星图的复原函数,对LR（Lucy Richardson）复原算法进行改进,提出一种基于能量函数的曲率滤波算法和LR算法的终止判据,改善了LR算法对噪声鲁棒性差以及无迭代终止判据的问题。（6）对全天时星敏感器的电子学系统进行设计,研制了全天时星敏感器的原理样机,在此基础上,对全天时星敏感器的主要技术参数进行了标定,并根据标定后的参数对精度分别进行了理论计算和实验标定。进行了全天时星敏感器的观星实验,通过夜间观星实验和白天观星实验分别对本文关键技术的研究成果和全天时星敏感器的整体性能进行了验证。