电路噪声对星敏感器星点定位精度的影响

提出了一种测量星敏感器电路模块带来的图像噪声的方法。在实验室条件下,用星敏感器拍摄多幅背景图像,分析表明:不同背景图像上相同像素的灰度差值代表了电路模块带来的图像噪声,该噪声服从正态分布。模拟产生该正态分布的随机矩阵作为图像噪声加到理想的星点上,采用亚像素细分质心算法计算出带噪声的星点质心坐标,从而得到噪声带来的星点位置偏差。计算结果表明:实验室条件下,星敏感器实测6等星的质心测量精度为1/25 Pixel,而电路噪声将引起1/200 Pixel量级的标准偏差;电路噪声,尤其是DC/DC电源纹波噪声对星敏感器星点定位带来的误差是不容忽视的。     

星点质心亚像元定位的高精度误差补偿法

在CCD星敏感器设计过程中,星点坐标的提取精度不仅影响星图识别的正确性,也直接影响星敏感器的最终姿态输出精度。本文通过分析传统质心法亚像元提取算法误差模型,证明该模型存在系统误差和随机误差。针对系统误差,提出了用最小二乘拟合法来估计质心位置和系统误差大小的对应关系,利用这个关系对系统误差进行补偿;针对随机误差,提出用边缘阈值法和星图整体相消法来消除。本文还分析了CCD成像数学模型,星光成像的能量分布近似服从二维高斯分布,星点高斯分布弥散半径不同,用于误差补偿的曲线方程也不一样,根据不同的高斯弥散半径,设计了误差补偿模板,用于补偿质心法的系统误差。实验表明,采用误差补偿模板,可以将质心法精度从1/20pixel提高到1/200pix-el,满足了星敏感器高精度星点质心提取的要求。     

多步变权重复合的通用星点聚心

为了解决星敏感器星点质心定位中对过曝光星象的聚心问题,提出一种通用的星象聚心算法.采用先对局部星象区域进行初步计算,进而通过整体复合实现对所有星象的质心定位.首先,结合实拍星图介绍了想象的过曝光星象存在及区域分布;在分析其分布特性的基础上检测各行/列的过曝光区域尺度,根据与尺度相关的规则对相应点的灰度值进行空间缩放;然...     

一种星敏感器系统热设计方法及试验验证

目前,国内机构针对星敏感器的温控研究与设计较少,多集中于星图的图像处理和图像算法的优化。着重以星图中目标能量变化、信噪比、质心定位误差等参数为指标,分析温度对该星敏感器的热影响,从而实现高精度星敏感器在空间复杂热环境下的可靠应用。进一步基于星敏感器的结构及热分布,对星敏感器进行热设计及散热路径优化,提出星敏感器热电制冷器（Thermo electric cooler,TEC）的热控措施。以典型在轨高温工况与低温工况为例,利用有限元仿真软件进行该热设计的有效性与合理性仿真分析。在以上的设计与分析基础上,完成一套温度控制系统,通过模拟星敏感器在高温工况下的环境条件,使用热电制冷方式对星敏感器采取制冷措施,使星敏感器探测器温度维持在20℃±3℃,达到温控指标,保证星敏感器能够在恶劣温度环境下持续提供高精度姿态信息。重点阐明热环境因素与成像质量之间的关系,完成温度与星点识别精度的关联性分析,为后续星敏感器热控设计及定姿精度提升提供参考。     

基于高斯分布的星像点精确模拟及质心计算

为提高星敏感器仿真系统的精度,提出了基于高斯规律的模拟星像点的灰度扩散方法和高斯质心提取算法.按照二维高斯分布规律置灰度值来模拟星像点像素,对称中心是映射坐标而不是取整的中心像素坐标,以便准确模拟实际星像点散焦及像差导致的灰度扩散.高斯质心提取亚像素定位过程包括像素粗定位和偏差精定位两个步骤,基于高斯规律建立了一个分段函数实现偏差精定位.在星像点噪声为N(0, 1.22)的仿真条件下,整个偏差区间[-0.5,0.5)pixel内高斯质心定位标准差为0.007 pixel,远小于灰度重心法的0.041 pixel和加权灰度重心法的0.026 pixel,而3种方法对模拟星图的处理结果一致.仿真实验表明:模拟星像点高斯灰度扩散法是合理准确的,而高斯质心提取算法简单精确,精度高于传统灰度重心法.     

船载高精度星敏感器安装角的标定

星敏感器测量船体姿态精度与星敏感器与甲板之间的安装角标定精度密切相关。本文介绍了船载星敏感器的相关坐标系及安装角的定义,建立了船载星敏感器蒙气差修正模型,提出了一种船载高精度星敏感器安装角标定方法。船进坞坐墩时,船载经纬仪通过拍摄方位标确定航向,星敏感器通过星图识别获得视场内星点的赤经、赤纬,构成地心惯性系参考矢量,经岁差、章动、极移、船位等修正,得到各恒星在惯导地平系下的参考矢量。然后,根据蒙气差模型对星点逐个修正俯仰角,重构惯导地平系下的参考矢量。最后,依据姿态确定算法原理,解算星敏感器安装矩阵,求解安装角。实验表明,使用该方法可使方位角、俯仰角的标定精度达10"以内。该方法有效发挥了星敏感器指向精度高的优点,改善了程序自动化程度,提高了船体姿态测量精度。     

星图的稀疏表示性能

分析了星图在不同表示方法下的稀疏性能,以便将更好的稀疏表示应用于星敏感器压缩成像过程中。采用两种方式对星图的稀疏性进行了分析:第一种方法利用离散余弦变换(DCT)、离散傅里叶变换(DFT)和离散小波变换(DWT)构造完备正交基,考察星图在不同完备基下的稀疏性;第二种方法则是通过选择DCT完备基构造超完备字典及训练学习字典来分析星图在不同表示方法下的稀疏性。仿真结果表明,在完备基表示下,星图相比一般场景图像的平均峰值信噪比(PSNR)值高出15~20dB,超完备字典和学习字典稀疏表示能够在各稀疏度下进一步提升峰值信噪比(PSNR值)2~20dB;对于星点的重构质量,各表示方法在10%以上稀疏度时基本能够保证星点重构成功率高于95%。得到的结果证明星图的稀疏性满足压缩成像的要求,其稀疏重构能够在很大程度上保持适用于姿态确定的星点质心位置,从而验证了压缩感知在星敏感器应用中的稀疏前提及可行性。     

高精度星敏感器天文标定方法及观测分析

提出了一种利用天顶观测来进行星敏感器标定的新方法.将地球当作均匀转动的转台,由一较精确的时钟代替刻度盘,用相对地球静止的星敏感器对天顶邻域进行观测.把星点作为目标,让其匀速扫过视场,建立星点坐标和对应恒星像点坐标的数学模型,求出位置传递函数.此方法简单、方便,标定精度高.通过实际星空观测,对连续拍摄的2037幅星图进行标定计算,每幅星图的积分时间为80 ms.实际观测星在α与δ方向上的标定误差分别为7.267 2″和6.922 0″,系统总的标定误差为10.036 2″.利用标定结果对连续拍摄的星图进行识别,得到星敏感器光轴指向误差为4.846 2″,标定结果比较理想.     

大量程高精度三维姿态角测量系统设计

基于针孔成像和双矢量定姿原理,设计一种使用单图像传感器实现大量程高精度三维姿态角测量的方法.根据系统要求设计双基准平行光源,采用FPGA单芯片实时实现图像传感器的驱动成像、光斑的分割与质心定位及与USB之间的快速通信,通过光斑质心坐标计算得到双基准平行光源的方向矢量,根据双矢量定姿原理计算姿态敏感器的旋转矩阵,得到三维姿态角;根据针孔成像模型,建立姿态敏感器的内外参数统一标定模型,对测量系统进行标定,标定结果和测量实验表明,三维姿态角测量系统的视场范围达到19.6°×19.6°,俯仰角、偏航角、滚动角的精度达到9.9″、9.3″、80.2″.     

小波变换在压电陀螺仪信号去噪中的应用

提出了基于小波变换的陀螺仪信号的去噪方法.陀螺仪作为重要的敏感测量器件,其测量信号的精度很大程度上决定了系统的性能.利用信号与噪声进行小波变换后在各尺度空间呈现的不同特性,应用Daubechies四阶正交小波(db4)对噪声信号进行多层小波变换,逐层估计小波变换的各层细节信号的阈值,分别进行软阈值滤波处理,然后进行小波逆变换重建信号以达到对信号消噪和恢复的目的.采用该方法可以有效提高陀螺仪噪声环境下的测量精度.     

暗弱空间目标的高精度定位

提出了一种暗弱空间目标的高精度定位方法,以进一步提高该类空间目标的定位精度。研究了星像质心计算和星图匹配以及光电望远镜静态指向修正模型和天文定位等算法。首先,深入分析了星像质心计算和三角形匹配算法。然后,采用Tycho-2星表和基本参数修正模型,修正光电望远镜系统静态指向误差。最后,针对暗弱空间目标定位精度低,对传统天文定位方法进行了改进,提出了"暗弱空间目标高精度定位方法",实现了暗弱空间目标高精度定位。实验结果表明:提出的暗弱空间目标高精度定位方法的测量精度优于4″,基本满足光电观测系统进行暗弱空间目标测量时对精度和稳定性的要求。     

星点质心定位算法最优门限研究

采用合适的门限,质心定位算法可以获得相对最佳的定位精度。系统信噪比,光斑位置以及光学系统结构的不同,都将影响最优门限的取值。当前普遍采用的门限确定方法不能实现质心定位算法对门限动态最优化的要求。分析了影响最优门限的各种因素,提出了一种基于星点灰度信息的最优门限确定方法,通过研究星象灰度信息与最优门限的关系,制作了基于灰度信息的最优门限曲线模板,采用线性插值方法确定最佳门限的取值。通过仿真实验验证,证明该方法能够实现星点质心定位算法的门限取值最优化。在不同信噪比情况下比现有门限确定方法均能获得更高的质心定位精度。     

分块峰值点局部区域生长的星像提取

为了获得高精度、高更新率的抗噪声性能,对星敏感器星像提取环节进行了研究。首先,分析星图中星像灰度的分布特点,建立了判断某个像素是否与峰值像素归属同一星像的标准。然后,介绍了像元阵列分块方法和背景预测法。最后,结合星像的特点提出了以峰值点为种子点的区域生长准则。仿真实验结果表明,在不加噪声的情况下,提取出的星像与参考星图完全一致,用质心法得到的亚像素定位精度为0.028 2。在添加均值为20、标准差高达2.5的强高斯灰度噪声的情况下,提取率仍能达到86.11%,质心精度则下降到0.219 6pixel。均匀性很差,信噪比低于4.9dB的实拍星图实验结果也证明该方法有很强的星像提取能力和准确性,能够满足强噪声弱星像质心提取的强抗干扰能力的要求。     

激光CCD二维自准直仪中圆目标中心精确定位算法

提出一种新的激光CCD二维自准直仪中圆目标中心精确定位算法。该算法采用变结构元多尺度广义数学形态学滤波算法滤除图像噪声,由Zernike矩定位算法得出目标轮廓的亚像素位置,用最小二乘拟合法精确获取圆目标的中心位置,并进行了实验。结果表明:该算法稳定性好,定位精度高,应用该算法后自准直仪的测量分辨力提高了10倍,在±2'测量范围内测量不确定度优于0.3″,有效地提高了自准直仪的测量分辨力和测量精度。     

基于增强拉东变换及稀疏先验的模糊星斑复原

为了提高动态条件下星光导航系统星斑质心定位精度,本文提出了一种新的模糊星斑复原算法。首先,分析了星斑图像退化模型,得出了星斑质心定位精度与星斑信噪比呈正相关的关系。对于载体角运动和载体振动两个因素引起的模糊星斑复原过程分成粗级复原和精级复原两个步骤。接着分析了噪声对拉东(Radon)变换的影响,提出基于灰度拉伸的改进Radon变换算法进行粗复原。最后,根据清晰星斑的梯度分布稀疏先验正则化,利用迭代盲复原算法对星斑进行精复原。仿真实验结果表明,本文提出的两步模糊星斑复原算法较传统算法复原后星斑峰值信噪比(PSNR)提高30%,质心定位精度提高55%。     

CCD星跟踪器

自七十年代以来,CCD星跟踪器在各种航天飞行器上得到越来越广泛的应用。本文叙述了XG-1型CCD星跟踪器的设计思想,系统结构和工作原理。整个系统的工作由单片微计算机控制；由于采用了内插细分的矩心算法,XG-1 CCD星跟踪器达到了亚象元精度。实验结果说明,在视场角为2°×2°时,测量精度优于2角秒。系统具有多星跟踪的功能,可以稳定跟踪+6.4等恒星。     

基于非极大值抑制的圆目标亚像素中心定位

圆形目标在基于图像的测量系统中应用广泛,针对圆目标中心的高定位精度和快速提取的要求,提出了一种基于非极大值抑制的亚像素中心定位方法.该方法利用Sobel算子进行边缘检测,通过改进非极大值抑制方法获取连续细化的边缘,实现了像素级边缘定位,采用Zernike正交矩对边缘点进行亚像素级定位,并用最小二乘法进行二次拟合来获取精确的标志点的中心坐标.仿真图像和实测图像的实验结果验证了该方法的有效性和准确性,其定位精度可以达到0.02像素,通过测试算法的运行时间,证明该算法具有很好的实时性.     

利用曲线拟合方法的亚像素提取算法

在图像测量系统中，测量系统的精度与边缘提取的精度成直接的正比关系，普通算法的精度为像素级，现在员常用的亚像素算法是重心法。这里提出了一种利用曲线拟合方法的亚像素边缘提取算法，介绍了算法的推导过程，给出了算法的计算公式，最后给出了实验结果。