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轻小型高动态星敏感器技术研究

作　者: 郑循江
导　师: 杨明; 李英波
学　校: 上海交通大学
专　业: 控制工程
关键词: 高动态探测器灵敏度星图识别
分类号: V448.222
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

星敏感器是一种以恒星作为观测基准的光学姿态敏感器，是目前卫星领域广泛应用的精度最高的光学姿态敏感器。受到星图生成和处理速度的制约，传统的星敏感器动态性能不高，导致应用场合受到限制。随着航天技术的飞速发展，航天器对星敏感器的动态性能提出了较高要求，同时对产品的重量和体积也提出了较高的要求。本文重点研究提高星敏感器动态性能的方法。研究内容包括光电探测、信号处理和高动态星图识别技术三个方面，其中光电探测和信号处理硬件平台决定了动态星图的目标特性和数据处理的速度，是影响星敏感器动态性能的主要因素，高灵敏度的光电探测系统和快速的信号处理系统是星敏感器实现高动态性能的基础，为本文研究的重点。本文首先对星敏感器的特点、应用和国内外发展现状进行了综述，分析了国内外高动态星敏感器的发展趋势。针对卫星高动态要求，在吸收国内外先进技术方案的基础上，提出了高动态星敏感器的总体方案。该方案针对高动态条件下星点的拖影和运动特性开展研究，降低了星点拖影对目标提取的影响，提高了对快速移动的星点的识别能力，有效地解决了星敏感器对高动态的适应性问题。针对高动态星图拖影的问题，提出了一种基于大面阵CCD的弱光探测的设计方法并实现。该方法采用大通光孔径光学系统和高灵敏度探测器，通过增强光能量的输入和扩大光电探测的动态范围，降低电路系统噪声，解决了高动态条件下星点能量弥散的问题。实验结果表明，该方法具有探测灵敏度高、探测范围大等特点，可以有效提高光电探测系统的探测能力，降低杂散光、电路噪声对星点目标的影响。针对信号处理速度对星图识别的影响，设计并实现了一种高速的信号处理系统，采用图像和信号的并行处理机制，将信号处理的时间控制在一个积分周期内，解决了传统星敏感器信号处理慢、数据更新率低的问题，使得星图识别不受信号处理时间的影响。测试结果表明该信号处理系统的处理速度可满足本文高动态指标的要求。本文还根据高动态条件下星图运动较快的特性，改进了星图识别的工作模式，并提出了一种基于快速质心跟随的自适应星跟踪算法，有效地解决了高动态条件下，星图运动和星点拖影对星跟踪的影响，提高了星敏感器持续稳定星跟踪的能力。本文最后采用光学星空模拟器和外场测试的方法对本课题研制的工程样机进行了测试。测试结果表明产品指标满足目标要求，验证了全文研究成果有效。本文的研究成果已在实际项目中开展应用，效果良好，大大缩小了国内高动态星敏感器与国际先进水平的差距。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-15
  1.1 引言  10-11
  1.2 星敏感器研究现状  11-13
  1.3 高动态星敏感器发展趋势  13-14
  1.4 本文的主要研究内容  14
  1.5 本章小结  14-15
第二章星敏感器的原理和高动态分析  15-21
  2.1 星敏感器的原理和组成  15-18
    2.1.1 星敏感器姿态测量原理  15-17
    2.1.2 星敏感器的组成  17-18
  2.2 星敏感器的主要指标分析  18-19
  2.3 提高动态性能的目标和方法  19-20
  2.4 本章小结  20-21
第三章星图探测与采集技术研究  21-54
  3.1 高灵敏度探测器技术研究  21-40
    3.1.1 星点探测能力分析  21-25
    3.1.2 星点的动态特性分析  25-27
    3.1.3 高信噪比光电探测系统设计  27-40
  3.2 高动态探测技术研究  40-46
    3.2.1 星图动态性能分析  40-43
    3.2.2 高动态探测电路设计  43-46
  3.3 高速星图采集设计  46-47
  3.4 结果分析  47-53
    3.4.1 星图灵敏度分析  48-49
    3.4.2 星图信噪比分析  49-50
    3.4.3 星图探测动态性分析  50-52
    3.4.4 高动态星图分析  52-53
  3.5 本章小结  53-54
第四章高速信号处理电路设计  54-65
  4.1 信号处理的性能分析  54-55
  4.2 电路设计  55-62
    4.2.1 DSP 和 FPGA 电路设计  55-59
    4.2.2 存储器电路设计  59-60
    4.2.3 复位和看门狗电路设计  60
    4.2.4 对外接口电路设计  60-61
    4.2.5 系统启动设计  61-62
  4.3 测试情况  62-64
  4.4 本章小结  64-65
第五章高动态星图识别技术研究  65-78
  5.1 星图识别工作模式研究  65-68
  5.2 高动态星点提取技术研究  68-72
    5.2.1 快速质心跟随技术  68-70
    5.2.2 高动态星点质心精确定位技术  70-72
  5.3 高动态星跟踪算法研究  72-77
    5.3.1 星点筛选技术  72-73
    5.3.2 自适应的跟踪算法研究  73-76
    5.3.3 基于运动矢量的位置估计  76-77
  5.4 本章小结  77-78
第六章高动态星敏感器测试验证  78-87
  6.1 测试方法研究  78-80
  6.2 测试结果分析  80-85
    6.2.1 光星模测试  81-83
    6.2.2 外场测试  83-85
  6.3 本章小结  85-87
第七章全文总结  87-89
  7.1 主要结论  87-88
  7.2 研究展望  88-89
参考文献  89-93
致谢  93-94
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  94-96

轻小型高动态星敏感器技术研究

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