地基光电系统白天在可见光波段对空间目标观测时,因受大气散射等因素的影响,探测能力会急剧下降。红外波段较可见光波段具有较强的大气穿透能力,因此在红外波段观测空间目标可以较好地解决白天探测的问题。利用MODTRAN模型计算了不同大气成分对中波红外透射率的影响并进行了分析,并用中波红外成像系统在地基望远镜上进行了观测。实验结果表明,中波红外探测器在白天能极限探测到7等星,平均信噪比为6.236。本研究对白天红外波段地基的空间探测具有一定参考意义。

星等模拟器是星敏感器的地面标定和关键测试设备。设计了一种准直光学系统用于模拟“无穷远”处的星光, 系统采用4片式透镜分离结构, 满足微弱光需求的同时, 提升了系统的成像质量, 光学系统出瞳外置, 实现了高精度星图的模拟; 基于脉冲宽度调制(PWM)信号调节LED光源作为系统的高精度可变目标光源, 对比度为631∶1, 光源系统实现了单点可控和联合调控的功能; 在暗室条件下对星等进行测试。结果表明在10 μm的星点孔下, 系统实现了0~7等星控制, 各星等的微调范围不小于半个星等, 模拟精度小于0.1(重复实验定点落在±0.4%的要求范围内), 光谱范围覆盖整个可见光。

依据地面设备标定的需要, 介绍了一种高精度、有限空间、全光谱的星等模拟器实现方法。该星等模拟器的光学系统结构采用紧凑结构空间设计, 其控制采用脉宽调制(PWM) 技术, 应用白光XLamp LED作为光源, 并以PT4115作驱动, 实现了对LED光照强度在640 lx~1.0 lx范围内数字化任意调整。所设计的星等模拟器与传统模拟调节的星等模拟器相比, 该星等模拟器具有体积小、热量低、稳定性高等特点。通过在暗室环境中进行应用验证, 分析和测试结果表明: 该星等模拟器可实现0m~7m等星控制, 光谱范围覆盖整个可见光, 星等的控制精度高达±0.1m。

针对星模拟器与星敏感器观星的色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的影响，设计了一种基于LED的多色温多星等单星模拟器，采用该系统模拟特定色温的星光用于星敏感器光信号定标，大幅降低了色温非匹配带来的定标误差。从理论上分析了色温非匹配影响星敏感器光信号的定标精度的机理；根据设计指标确定了星模拟器的设计方案，主要解决了光源的选型、多色温多星等单星模拟器驱动和控制系统、色温星等匹配算法、多色温多星等单星模拟器软件设计四项关键技术问题；对多色温多星等单星模拟器进行了标定和性能测试：0等星4000K和3等星7000 K 星光的光谱匹配误差分别为4.87%和7.83%，星等等级分别为0.03和2.93；光源稳定后，多色温多星等单星模拟器的平行光管出口Φ 100 mm 口径内的照度非均匀度为6.5%，均满足设计指标。

白天恒星探测最大的困难在于过强的背景辐射, 全天时近红外多视场探测系统将三个参数相同的探测器刚性固连在探测平台上, 同时进行恒星探测。结合中国地理位置, 分析了白天近红外波段三个探测视场内的恒星——背景对比度随太阳天顶角、平台方位角、平台x方向俯仰角, 平台y方向俯仰角及平台高度的变化情况。结果表明, 随太阳天顶角的变化, 对比度近似指数增长; 随平台方位角的变化, 对比度呈正态分布变化; 当平台有一定的倾角时, 对比度变化都很低且变化范围不大, 但三个视场间相差较大(相差1.5~20倍不等); 随着平台高度的变化, 对比度呈指数变化明显增大; 为星等修正研究奠定较好的基础。

天文导航可全面地提供位置、航向、姿态和速度等核心导航信息，特别是在复杂电磁环境下，发挥着独特的重要作用。测星能力是天文导航设备的核心指标之一，提出了光电通道测星的信噪比和调制度的计算公式和参数选取说明，给出了短波红外测星设备的计算实例和实测结果，结果表明短波红外测星可显著延长测星时段。

通过空间目标的光度测量可判断目标在轨运动特性和进行编目识别。对光电望远镜在卫星姿态判定领域的应用进行了介绍, 验证了一种暗弱目标识别算法, 即霍夫变换。通过仿真计算分析了影响极限探测星等的因素, 并从目标成像后在探测器上获得信噪比的一般计算公式出发, 推导计算得出光电望远镜的极限探测星等理论值, 并使用星图比对的方法进行了试验验证。结果表明, 星图比对法是一种可靠的星等测量方法。

为了解决月基紫外深空观测相机地面定标的难题, 研制了一种动态范围大、星等模拟精度高的紫外星模拟器。 该模拟器采用5 m离轴光管作为准直光学系统, 用双积分球系统作为均匀光源, 可模拟3～16等星的弱目标, 其星等最小分辨率为02等星, 星等不确定度为548％。通过试验证明, 该星模拟器完全满足月基紫外弱光星等深空观测相机地面定标的试验要求, 不仅可以在实验室内标定紫外观测相机的探测能力和灵敏度, 还可用于测试观测相机的其它参数指标, 为发展深空高轨探测相机提供了地面定标基础。

三角形识别算法是采用星敏感器为导航部件所广泛运用的星图识别算法。但由于三角形特征维数较低，容易造成冗余匹配和错误识别。为了提高三角形识别算法的识别成功率，对三角形识别算法的识别过程做了改进。先将满足三边判决门限的导航星对记录到匹配数组，然后对导航星出现的次数进行计数；利用三角形三边之间两两相交的相关性，将导航星出现次数＜2的星对作为整体剔除，最后在余下的导航星对中寻找与观测三角形同构的三角形。识别过程中，以星对角距和相对星等差为识别特征，并对识别特征构造了散列函数，从而减少了识别过程中特征量比较的次数，提高了识别速度，增加了识别成功率。同时，也减小了内部导航星库的存储容量。

在卫星探测相机及星敏感器的地面标定实验中，需要一台能够模拟无穷远处极小星点以及极弱星光照度的光源，即星光模拟器。采用积分球均匀点光源加准直平行光管模拟出无穷远处的星点，使用可变光阑调节光能量动态范围，提高模拟星等。同时点光源的光亮度可以精确测定，再通过精确测量影响星等照度的各个因素，从而解决弱光情况下的标定问题。分析模拟器的模拟星等能力及精度，在现有加工测试条件下，星光模拟器能够满足模拟6～14星等照度要求且精度较高，完全满足地面标定实验需求。