三视场星敏感器的研究

星敏感器外场观星标定及检验方法研究姜文英;陈元枝;俞晓磊;赵志敏;沈令斌【摘要】The mainly calibration methods of the star sensor,which is based on the real space experiment outfield,as well as the composition and structure of the test platform,were introduced. The dynamic and static three-axis attitude accuracy and the update rate of output data were acquired by processing and analyzing the related experiment data obtained from the dual-CCD star sensor. The results showed that the calibration method on real space can examine the performance specifications on accuracy,update rate,sensitive magnitude and capture time of the star sensor,and have high credibility.%介绍了星敏感器的主要检验标定方法—外场实测观星标定方法，以及实验平台的组成和搭建。

根据对双 CCD 探头星敏感器获取的实验数据进行处理、分析，给出了动、静态三轴姿态精度和数据更新率。

实验结果表明，采用这种方法可对星敏感器的精度、更新率、敏感星等级、捕获时间等指标进行检验，可信度高。

【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2016(037)003【总页数】4页(P251-254)【关键词】计量学;星敏感器;外场观星测试系统;标定方法;三轴姿态【作者】姜文英;陈元枝;俞晓磊;赵志敏;沈令斌【作者单位】南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016; 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林 541004;桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林 541004;江苏省标准化研究院，江苏南京 210029; 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京 210094;南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016;南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016【正文语种】中文【中图分类】TB96星敏感器是通过成像器件获取恒星星图，由微处理器及软件进行星图匹配、识别，并根据已识别恒星的精确位置（星表）计算星敏感器安装坐标系相对于J2000.0地心惯性坐标系的三轴姿态（偏航角、俯仰角、横滚角）［1］。

分类号V445 学号******** U D C 密级公开工程硕士学位论文星敏感器光学系统设计硕士生姓名赵超工程领域光学工程研究方向光电仪器与测控技术指导教师伏思华副教授协助指导教师周金鹏副教授国防科学技术大学研究生院二〇一六年十一月Optical System Design of Star SensorCandidate：Zhao ChaoAdvisor：Fu SihuaAssistant advisor：Zhou JinpengA thesisSubmitted in partial fulfillment of the requirementsfor the professional degree of Master of Engineeringin Optical EngineeringGraduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China（November，2016）目录摘要 (i)ABSTRACT .................................................................................................................. i i 第一章绪论 (1)1.1选题背景和研究意义 (1)1.2 星敏感器简介 (2)1.3 星敏感器光学系统技术发展现状 (2)1.3.1 光学系统参数的确定方法 (3)1.3.2 光学镜头设计 (4)1.3.3 遮光罩设计 (7)1.4 本论文的研究内容 (9)第二章星敏感器光学系统设计需求分析 (11)2.1 星敏感器探测能力分析 (12)2.1.1 星光信号能量 (12)2.1.2 探测器星光能量 (13)2.1.3 星等探测信噪比计算 (13)2.1.4 星探测概率计算 (14)2.2 星敏感器光学系统参数确定 (15)2.2.1 视场、焦距和阈值星等的初步选择 (15)2.2.2 入瞳直径的确定 (19)2.2.3光谱范围和中心波长的确定 (22)2.2.4 其他参数确定 (22)2.3 定位精度对几何像差的要求的定性分析 (24)2.3.1 色差 (24)2.3.2 畸变和彗差 (25)2.3.3 球差、像散和场曲 (26)2.4 本章小结 (26)第三章星敏感器光学镜头设计 (28)3.1 光学系统选型 (28)3.2 光学镜头初始结构确定 (28)3.3 光学镜头优化 (29)3.4 光学镜头像质评价 (33)3.3.1 点列图 (33)3.3.2 光线像差 (35)3.3.3 垂轴色差曲线 (36)3.3.4 调制传递函数 (37)3.3.5 点扩散函数 (38)3.3.6 能量集中度 (39)3.3.7 光学镜头图像分析 (40)3.3.8 光学镜头透过率计算 (41)3.5 温度对光学镜头成像质量的影响 (41)3.4.1 温度变化对光斑大小的影响 (42)3.4.2 温度变化对焦距和后截距的影响 (43)3.4.3 温度变化对能量包围圆半径与能量中心偏移量的影响 (44)3.4.4 温度变化对畸变、垂轴色差和点扩散函数的影响 (46)3.6 公差分析 (46)3.7 光学镜头设计结果 (50)3.8 本章小结 (51)第四章星敏感器光学系统杂散光抑制 (52)4.1 杂散光分析与抑制理论 (52)4.2 星敏感器遮光罩设计 (56)4.2.1 遮光罩参数计算与设计 (56)4.2.2 挡光环设计 (59)4.3 星敏感器光学系统建模 (60)4.4 光学系统杂散光抑制结果 (62)4.5 杂散光抑制结果验证 (64)4.6 遮光罩优化设计 (65)4.7 本章小结 (69)第五章星敏感器光学系统模拟成像分析 (70)5.1 光学镜头模拟成像 (70)5.2 光学镜头视场内杂散光抑制分析 (74)5.3 光学系统视场外杂散光模拟成像分析 (75)5.4 本章小结 (77)第六章总结与展望 (78)6.1 本文完成的工作 (78)6.2 下一步研究计划 (79)致谢 (81)参考文献 (82)作者在学期间取得的学术成果 (87)表目录表2.1 SonyICX285AL探测器参数表 (11)表2.2 不同视场下不同阈值星等的探测概率 (15)表2.3 SKY2000星表中不弱于M V的全天星数的数目 (18)表2.4 不同视场下的焦距 (18)表2.5 不同视场不同入瞳直径下的设计难度系数C (20)表2.6 不同阈值星等不同入瞳直径下的信噪比SNR (20)表2.7 方案1不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.8 方案2不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.9 方案3不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.10 方案4不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.11 四种方案探测到恒星的概率和星表大小 (22)表2.12 弥散斑圆大小对内插星象中心的影响 (23)表2.13 光学系统设计参数表 (24)表3.1 光学系统各视场弥散斑直径 (34)表3.2 垂轴色差数据 (37)表3.3 包围85%和90%能量时半径大小 (40)表3.4 不同温度4个半视场下的光斑均方根半径值/μm (42)表3.5 不同温度下光学镜头焦距值 (44)表3.6 不同温度下镜头焦距值相对于20°C时焦距值的变化值 (44)表3.7 不同温度时光学系统后截距参数及其移动量 (44)表3.8 4.949°视场不同温度下包围85%和90%能量的包围圆半径 (45)表3.9 不同温度引起的不同半视场能量中心偏移 (46)表3.10 不同温度下垂轴色差最大值 (46)表3.11 光学镜头主要参数 (51)表4.1 挡光环高度和位置表 (61)表4.2 杂散光追迹值表 (63)表4.3 优化结构挡光环高度和位置表 (67)表4.4 优化结构杂散光追迹值表 (68)表5.1 竖直轴不同视场星象能量中心位置 (73)表5.2 竖直轴方向不同视场星象能量提取位置 (75)图目录图2.1 探测器量子效率曲线图 (11)图2.2 不同视场下不同阈值星等的平均星数目 (17)图2.3 阈值星等5.5时不同视场下探测到不同数目的星的概率 (17)图2.4 10°视场下不同阈值星等探测到不同星的数目的概率 (17)图2.5 不同视场下难度系数C与口径直径的关系曲线 (20)图2.6 不同阈值星等不同口径下的信噪比SNR曲线图 (21)图3.1 初步优化光学系统2D结构图 (30)图3.2 初步优化光学系统点列图 (30)图3.3 初步优化光学系统传递函数曲线 (31)图3.4 初步优化光学系统点扩散函数 (31)图3.5 初始光学系统能量分布图 (31)图3.6 优化后光学镜头数据 (32)图3.7 优化后光学系统2D结构图 (32)图3.8 优化后光学镜头数据 (33)图3.9 优化后光学系统点列图 (34)图3.10 光线像差曲线 (35)图3.11 光程差曲线 (35)图3.12 优化后光学系统场曲与畸变曲线 (36)图3.13 垂轴色差曲线 (36)图3.14 光学系统传递函数曲线 (38)图3.15 点扩散函数图 (39)图3.16 优化后光学系统包围能量曲线 (39)图3.17 原始星点图像 (40)图3.18 4.949 星象示意图 (41)图3.19 -30°C、-10°C、10°C、20°C、30°C和50°C的点列图 (43)图3.20 4.949°半视场不同温度下包围85%和90%能量的包围圆半径 (45)图3.21 光学镜头公差分析时公差设置 (47)图3.22 公差分析方法设置 (48)图3.23 灵敏度分析 (48)图3.24 蒙特卡罗分析结构 (49)图3.25 蒙特卡罗统计 (49)图3.26 光学镜头3D图 (50)图3. 27镜头各单个镜片参数 (51)图4.1 表面BRDF定义图 (53)图4.2 AB g模型示意图 (53)图4.3 基本能量方程传输图 (54)图4.4 星敏感器遮光罩设计流程图 (56)图4.5 星敏感器与杂光源夹角示意图 (57)图4.6 遮光罩结构示意图 (57)图4.7 延拓后的遮光罩结构 (59)图4.8 挡光环位置结构确定示意图 (59)图4.9 结构示意图 (61)图4.10 遮光罩与光学系统剖面图 (61)图4.11 辐照度图 (62)图4.12 PST曲线 (63)图4.13 30°杂散光光线追迹图 (64)图4.14 优化结构示意图 (65)图4.15 优化结构示意图 (67)图4.16 光线追迹示意图 (68)图4.17 PST曲线 (69)图5.1不同视场星场成像模拟 (70)图5.2 光学系统整体结构图 (70)图5.3 模拟成像光线追迹 (71)图5.4 探测器模拟星象图 (71)图5.5 探测器星象能量分布 (72)图5.6 探测器能量分布 (72)图5.7 光学镜头设置光阑后光线追迹 (74)图5.8 视场内杂散光抑制后探测器能量分布 (75)图5.9 光学系统光线追迹 (75)图5.10 探测器模拟星象图 (76)图5.11 探测器杂散光模拟成像 (76)图5.12 探测器平滑后模拟星象图 (77)摘要星敏感器是以恒星为探测对象的高精度空间姿态测量装置，已被广泛应用于航天、航空、航海、制导等领域。

基于多视场星敏感器的姿态确定方法曾芬;刘金国;左洋;武星星;陈佳豫【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2015(23)2【摘要】星敏感器是目前航天器姿态测量精度最高的器件,与传统的单视场星敏感器相比,多视场星敏感器可以实现三轴同样高精度的姿态测量,提高姿态测量精度;针对单视场星敏感器姿态确定问题,推导了以最小代价函数为指标的QUEST姿态确定算法;对于多视场星敏感器,通过坐标变换方法将多个视场的导航星矢量转换到同一视场中,再利用QUEST算法得到航天器姿态;最后仿真结果表明,坐标变换后进行姿态确定得到的姿态数据与单个视场所得的姿态数据相同,验证了方法的正确性.【总页数】3页(P548-550)【作者】曾芬;刘金国;左洋;武星星;陈佳豫【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院大学,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院大学,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033【正文语种】中文【中图分类】V488.22【相关文献】1.基于卫星姿态敏感器和星载天线信息的联合姿态确定方法 [J], 夏克强;周凤岐;周军;刘莹莹2.一种采用双视场星敏感器的飞行器姿态角快速、高精度测量方法 [J], 范宏深;王同权;佛显超3.基于大视场星敏感器惯性/星光组合导航与仿真 [J], 崔航;邵会兵;张康4.基于星像位置误差估计星敏感器姿态角偏差的方法 [J], 张勇; 何贻洋; 由四海5.基于陀螺/星敏感器的微小卫星姿态确定方法研究 [J], 吴廷元;刘建业;郁丰;熊智因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

临近空间星敏感器观星能力研究
李晓;徐卿;孙秀清;李林
【期刊名称】《空间控制技术与应用》
【年(卷),期】2024(50)3
【摘要】临近空间飞行器对星敏感器需求日益增加,与空间应用环境相比,临近空间包含大气消光、天空背景光、高速、高温和高动态等影响星敏感器观星能力的新环境.对影响临近空间星敏感器观星能力的因素进行逐级分解,得出视场、灵敏度、星点信噪比和图像处理算法等因素对观星能力的影响机理,并针对信噪比与环境因素和设计因素的关系进行量化分析,在此基础上提出临近空间星敏感器整机参数设计方法.针对特定需求开展原理样机的设计与试验验证,试验数据验证了原理样机能够满足应用需求.
【总页数】9页(P94-102)
【作者】李晓;徐卿;孙秀清;李林
【作者单位】北京控制工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】V448.22
【相关文献】
1.基于CMOS的星敏感器白天观星能力分析
2.星敏感器外场观星标定及检验方法研究
3.临近空间大气压力传感器现场校准装置研究
4.白天大气层内星敏感器观星能力分析
5.星敏感器辅助的临近空间飞行器姿态匹配传递对准方法
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高精度星敏感器星点光斑质心算法李春艳;谢华;李怀锋;孙才红【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2006(33)2【摘要】高精度星敏感器星点光斑的质心精度是星敏感器整体精度的基础,它需要达到角秒级的量级.因此,提出了一种基于亚像元相关法的星像质心算法.这种算法是利用互相关匹配实现图像定位的原理,将星像质心定位到亚像素上来提高质心精度.它可以克服由于系统误差和图像采集所带来的误差.根据系统的光学参数设计以及星像的光谱、亮度及其在视场中的位置特征,仿真得到点列图模型,针对视场内与光轴的不同夹角仿真制作一系列亚像元理想模板,然后对星像加高斯随机噪声,把有随机噪声的星像与理想星像进行相关运算来求星像质心精度.通过仿真实验,得到相关法具有较高的星像质心精度,定位精度可以优于1/12个像素的量级.【总页数】4页(P41-44)【作者】李春艳;谢华;李怀锋;孙才红【作者单位】中国科学院国家天文台,北京,100012;中国科学院研究生院,北京,100039;中国科学院国家天文台,北京,100012;北京大学,物理学院,北京,100087;中国科学院国家天文台,北京,100012;中国科学院国家天文台,北京,100012【正文语种】中文【中图分类】TP212【相关文献】1.星敏感器星点能量分布数学模型及其对精度的影响分析 [J], 张新宇;郝云彩2.适用于星敏感器的预测未知恒星星像质心算法 [J], 李葆华;马衍宇;刘睿;王常虹3.载体运动对星敏感器星点光斑定位的影响分析 [J], 季家兴;王新龙4.星敏感器星图的高精度星点提取方法 [J], 何贻洋;王宏力;冯磊;由四海;许强5.基于时域约束的卷帘曝光星敏感器星点校正方法 [J], 何隆东;赵汝进;马跃博;侯娅贤;朱自发;曾思康因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

星敏感器基本原理及研究现状与发展趋势0 引言星敏感器是以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置，通过探测天球上不同位置的恒星并进行解算，为卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准，并且与惯性陀螺一样都具有自主导航能力，具有重要的应用价值。

星敏感器的研究发展与应用已历经半个多世纪，随着新材料，新器件的出现和工艺技术的进步，精度提高，功耗减小，成本降低，应用领域日益广泛的新型星敏感器不断推出。

因此，及时收集整理分析比较国外星敏感器的信息，有利于国内有关姿态测量控制技术的发展。

1 星敏感器研究现状1.1 应用于卫星等空间飞行器的星敏感器星敏感器空间适用性好，且成本较高，因此传统上多用于卫星等空间飞行器的定姿。

1.1.1 基于CCD图像传感器的星敏感器电荷耦合器件(CCD)体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠性高，像元尺寸及位置固定，对磁场不敏感，适合空间应用需要，自70年代中期美国率先研发出基于CCD的星敏感器后，一直作为主流的图像传感器应用于星敏感器。

（1）德国Jena-Optronik 的ASTRO 系列该公司的第一款星敏感器是ASTRO 1，1984 年研制，1989年应用于MIR(和平)空间站上。

其后的ASTRO 5是全自主星敏感器，重量轻、功耗小、价格便宜，但横滚轴精度较差，需要两枚同时工作以提高精度。

ASTRO 10 为分体式结构，电子模块与光敏模块分离，主要应用于近地轨道的各类卫星(SAR-Lupe，TerraSAR，DARPA’s Orbital Express,我国的HJ-1 与FY-3等)。

ASTRO 10 集高精度低功耗低重量低成本等优点于一身，是全自主式星敏感器。

主要特点是：内置星表，无须先验知识定姿，遮光罩的遮光角可以自定。

自主温控或者由飞行器控制。

电子模块和敏感器头部相互独立，依靠电缆连接，便于在飞行器上的安装与调整。

电子接口可选。