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一种大视场高性能星敏感器研制

作　者: 陈才敏
导　师: 王常虹
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 星敏感器设计高更新率技术在线星像提取大视场标定
分类号: V448.222
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

目前，在高精度姿态测量应用领域，星敏感器备受青睐，甚高精度星敏感器的姿态测量精度能够达到角秒级甚至更高。CCD星敏感器采用CCD图像传感器作为光电转换器件，在完成曝光、图像采集后，经过星像提取、星图识别和姿态计算，得出光轴在惯性空间的瞬时指向，最终确定运动载体的三轴姿态。本文致力于大视场高性能星敏感器的研制工作，完成的内容包括CCD48-20星敏感器的硬件和FPGA逻辑设计、提高星敏感器数据更新率的方法研究和大视场星敏感器标定方法设计，具体内容如下：完成CCD48-20星敏感器的硬件设计和FPGA逻辑设计，细致的介绍了系统中各个功能模块完成的任务和设计原理。该款星敏感器的星像提取（由FPGA实现）与星图存储同步进行，和以往的星敏感器相比，数据的更新率和实时性大为改善。高数据更新率是新一代星敏感器研制的要求，星像提取在姿态确定的整个过程中是比较费时的，并且它是完成星图识别和姿态计算的基础。因此，如能实现快速实时的星像提取，必将有利于高更新率星敏感器的研制。当前的星敏感器都在星图存储完成以后，由DSP(或FPGA)完成星像的离线提取。这种先存储后提取的方式时效性不高，随着CCD面阵的增大，时效问题凸显，难以保证星敏感器对精度和动态性能的要求。为了改善星敏感器姿态数据的更新率和实时性，文中提出了将星图存储和星像提取并行进行的工作模式，解决了实现该模式所需的在线星像提取技术。在CCD48-20星敏感器上的对比实验表明，该技术下，星敏感器数据的更新率和实时性都大为提高，星敏感器的精度和动态性能也大为改善。常用的星敏感器标定方法有两种，分别是待定系数法和内部参数估计法。待定系数法适用于小视场(<15°×15°)星敏感器的标定，随着星敏感器视场的增大，其标定精度变差；而内部参数标定法采用实验室和外场观星相结合的标定方式，不仅标定过程繁琐，而且标定精度也不高。设计的CCD48-20星敏感器视场范围达(20°×20°)，为了保证大视场星敏感器的标定精度，本文将星敏感器内部参数和外部安装偏差统一建模，推导建立了“内外参数标定方法”。最后，分别采用待定系数法和内外参数法对CCD48-20星敏感器进行标定，结果表明，内外参数法在大视场下具有更高的标定精度。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
第1章绪论  9-19
  1.1 研究的目的和意义  9
  1.2 常见姿态敏感器概述  9-11
  1.3 星敏感器概述  11-18
    1.3.1 星敏感器工作原理  11-12
    1.3.2 星敏感器研究现状  12-15
    1.3.3 星敏感器的姿态确定原理  15-18
  1.4 本文的主要内容  18-19
第2章 CCD48-20 星敏感器硬件设计  19-41
  2.1 CCD48-20 芯片  19-20
  2.2 星敏感器总体设计  20-21
  2.3 成像模块  21-23
  2.4 信号处理模块  23-30
    2.4.1 总体框架设计  23-24
    2.4.2 电路模块设计  24-30
    2.4.3 PCB设计  30
  2.5 数据处理模块  30-38
    2.5.1 总体框架设计  30-32
    2.5.2 电路模块设计  32-37
    2.5.3 PCB设计  37-38
  2.6 电源转换模块  38-40
  2.7 本章小结  40-41
第3章 CCD48-20 星敏感器FPGA逻辑设计  41-54
  3.1 引言  41
  3.2 星敏感器功能指标  41-42
  3.3 信号处理模块FPGA内部逻辑设计  42-49
    3.3.1 总体框架设计  42-43
    3.3.2 功能模块设计  43-49
  3.4 数据处理模块FPGA内部逻辑设计  49-52
    3.4.1 总体框架设计  49-50
    3.4.2 功能模块设计  50-52
  3.5 星敏感器实物  52-53
  3.6 本章小结  53-54
第4章提高星敏感器数据更新率的方法研究  54-68
  4.1 引言  54
  4.2 星像提取技术  54-57
    4.2.1 星图特点  54-55
    4.2.2 星像质心计算  55-56
    4.2.3 软件提取算法  56-57
  4.3 现有工作模式及其存在的问题  57-61
    4.3.1 串行模式  57-58
    4.3.2 流水模式  58-60
    4.3.3 存在的问题  60-61
  4.4 在线星像提取模式  61-67
    4.4.1 工作原理  61-62
    4.4.2 星像提取算法设计  62-63
    4.4.3 实验验证  63-67
  4.5 本章小结  67-68
第5章大视场星敏感器标定方法设计  68-88
  5.1 引言  68-69
  5.2 传统标定方法  69-78
    5.2.1 原理  69-74
    5.2.2 标定过程  74-77
    5.2.3 方法评价  77-78
  5.3 内外参数标定法  78-84
    5.3.1 原理  78-82
    5.3.2 仿真实验  82-84
  5.4 CCD48-20 星敏感器标定  84-87
  5.5 本章小结  87-88
结论  88-89
参考文献  89-93
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  93-95
致谢  95

一种大视场高性能星敏感器研制

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