中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春130033
星敏感器是自主导航姿态控制系统中的重要组成部分之一。作为星敏感器的核心部件,信息处理系统对其整机性能有重要影响。基于飞腾多核DSP+复旦微FPGA架构设计了一种全国产化多视场星敏感器信息处理系统。在设计中采用EMIF接口和GPIO接口与复旦微FPGA进行数据交互及控制,将2片串行 Flash用于存储星库数据和启动程序,将2片DDR3芯片用于缓存数据。详细介绍了信息处理系统的整体软件流程设计、算法流程设计及实现。经试验验证,该系统可稳定运行并输出正确姿态。在星图分辨率为2048×2048的情况下,系统无初始指向时的数据更新频率为20Hz,有初始指向时的数据更新频率为625Hz。运算性能约为普通ARM架构的3倍,对于提升多视场星敏感器的实时性、丰富其工程化实现方法具有重要意义。
多视场星敏感器 飞腾DSP 硬件设计 信息处理系统 multi-field-of-view star sensor Feiteng DSP hardware design information processing system
面向甚高精度微型星敏感器在商业卫星以及中低轨资源勘探卫星的实际应用需求,开展了甚高精度微型星敏感器光学系统设计与验证研究。基于甚高精度微型星敏感器姿态测量精度要求,完成了光学系统技术指标论证工作,具体包括:根据材料透过率与折射率,给出了适用于轻小化镜头的工作波段;根据恒星像点的弥散特性,给出了适用于高精度质心提取的高斯半径;根据黑体辐射定律与探测器参数,给出了适用于提取6.5等星时所需通光口径;根据恒星色温与星等之间的关系,并结合蒙特卡洛方法,给出了最佳工作视场大小。基于光学系统指标论证方法,确定了光学系统设计参数,并依次实现了光路设计以及像质分析,结果表明:在−40~60 ℃工作温度区间内,其星点质心偏移不超过0.05 μm,且弥散斑尺寸变化量不大于1 μm。基于设计甚高精度微型星敏感器光学系统,开展了标定测试、外场观星以及耐辐射测试,结果表明:系统标定精度为0.6″,外场测量精度为1.5″(3σ),外场测量下可探测极限星等为6.51等星,累计60 krad(Si)辐射下可探测极限星等为6.01等星,进一步验证了所设计光学系统的精度以及可靠性,可为甚高精度微型星敏感器的工程应用提供理论基础与技术支持。
星敏感器 光学系统 甚高精度 无热化 耐辐射 star sensor optical system very high-precision accuracy athermal radiation resistant 红外与激光工程
2023, 52(11): 20230104
北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192
对星图识别算法的应用背景进行介绍, 就其优势进行了简述。重点对目前主流的三类星图识别算法进行了综述, 介绍了子图同构类算法、模式识别类算法以及人工智能类算法, 并进行了分析和比较;对星图识别算法研究的评估进行了说明;对星图识别算法的未来发展进行了展望, 提到了非可见光条件下的星图识别、高动态复杂环境下的星图识别和考虑气动光学效应的星图识别等相关未来的研究重点。
星敏感器 星图识别 子图同构 模式识别 人工智能 star sensor star identification subgraph isomorphism pattern recognition artificial intelligence
Author Affiliations
Abstract
Space Optics Research Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
The application of starlight refraction navigation to spacecraft and space weapons is a significant development direction. Observing enough refracted stars for the star sensor in a strong limb background is an urgent problem. The all-day optical system parameters are analyzed based on the star detection requirement and navigation accuracy. Combined with primary aberration theory, the prime-focus catadioptric optical system is selected to meet the design requirements of a wide field of view (FOV) and tight structure. An H-band (1.52 μm–1.78 μm) star sensor is designed with an FOV of 6°, a focal length of 831 mm, an effective aperture of 253 mm, and a relative distortion of 0.03%. The energy concentration of the star point is 85% within 30 μm, and the maximum lateral chromatic aberration is 2.9 μm, which meets the imaging requirements. Furthermore, a baffle is designed to avoid the influence of direct sunlight on stellar imaging. The proposed method can provide a theoretical foundation and technical support for the optical design of the refraction star navigation.
Optical design Starlight refraction All-day star sensor Short-wave infrared (SWIR) Autonomous navigation Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(2): 2023041
1 中国科学院光场调控科学技术全国重点实验室,成都 610209
2 中国科学院空间光电精密测量技术重点实验室,成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所,成都 610209
4 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院,北京 100049
5 空军装备部驻成都地区第五军事代表室,成都 610042
星敏感器在太空作业时,易受到太阳光、月光和地气光等杂光的干扰,导致拍摄的星图灰度整体升高,背景均匀性较差,难以准确提取到星点坐标。针对上述问题并结合现有算法提出了一种复合型背景估计的杂光干扰下星图处理算法。首先,星点具有经点扩散成像后尺寸为直径3×3至7×7的特征,设计相应的背景估计模板,最后为提高算法鲁棒性,提高局部信息的利用率,再设计一个像素估计模板,两个估计模板同时计算后处理数据实现阈值分割;最后进行星点质心计算。通过试验证明该方法可以较好地抵抗杂光干扰,提高杂光背景下星点提取的精度。
星敏感器 星点提取 背景估计 star sensor star extraction background estimation
星敏感器在轨工作期间周期性地受到以太阳光为主要来源的杂散光干扰,导致恒星或感知目标捕获失效,轻者姿态数据无效,重者面临被非合作目标定向攻击。在杂散光抑制过程中,遮光罩可将太阳光消减至10−5~10−6量级,从而有效减少太阳光对像面的污染。然而,在遮光罩研制过程中,因散射模型精度不高、挡光环刃口厚度无法有效测量,导致实际遮光罩消光性能达不到预期设计要求。文中在粗糙度为1.0 μm铝合金基材上测量Magic black消光涂层,并拟合出偏差小于10%的散射模型;针对挡光环刃口的特殊构造,提出利用同轴远心光路检测刃口厚度,检测精度优于1.2 μm;最后以遮光罩消光比定量测试以及外场杂散光观星测试考核遮光罩杂散光抑制性能。结果表明,用拟合后的BRDF散射模型,比朗伯散射体精度提升40%;刃口检测可保障遮光罩消光性能,使得遮光罩消光比理论仿真与实际测试偏差小于12%;暗室杂散光测试使得在24°太阳光入射时像面平均灰度为55.80;外场观星杂散光测试时精度变化量不超过0.5″。该星敏感器遮光罩检测方法可为其他光电类敏感器提供理论基础与技术支持。
星敏感器 遮光罩 杂散光抑制 BRDF 刃口检测 star sensor baffle stray light suppression BRDF edge inspection 红外与激光工程
2023, 52(9): 20230450
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室,合肥 230031
2 国防科学技术大学 电子对抗学院 红外与低温等离子体安徽省重点实验室,合肥 230037
3 先进激光技术安徽省实验室,合肥 230037
4 合肥工业大学 物理学院,合肥 230601
5 中国科学技术大学研究生院科学岛分院,合肥 230026
工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之二,建立了湍流大气星光传输模型,研究了恒星成像的大气湍流影响。基于ERA5数据和光学湍流预报方法得到大气湍流参数廓线,计算了典型地区不同时刻及观测条件下星光的闪烁指数,对比星光闪烁的理论值,验证了数值计算的可靠性。研究了湍流大气中星光传输的闪烁效应及星像质心的抖动特性,得到了典型观测高度及观测天顶角情况下的恒星抖动量。研究表明:恒星抖动的到达角和到达角起伏与星光的闪烁指数呈正相关关系,提升星敏感器的观测高度、减小星敏感器的观测天顶角,能一定程度上减轻星光成像的大气湍流影响。
星敏感器 恒星成像 大气湍流 闪烁指数 到达角起伏 Star sensor Star imaging Atmospheric turbulence Scintillation index Arrival angle fluctuation
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室,合肥 230031
2 国防科学技术大学 电子对抗学院 红外与低温等离子体安徽省重点实验室,合肥 230037
3 先进激光技术安徽省实验室,合肥 230037
4 合肥工业大学 物理学院,合肥 230601
5 中国科学技术大学研究生院科学岛分院,合肥 230026
工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之一,研究了如何利用偏振滤波技术降低天空背景辐射对恒星成像的影响。基于激光雷达实测数据,计算得到了典型地区整层大气粒子的分布特性及散射特性,结合大气矢量辐射传输模型,研究了天空背景在近红外波段的偏振特性,获得了不同大气条件及观测条件下的天空偏振特性,分析了观测与太阳位置对不同波长天空背景偏振分布的影响。研究表明:使用波长较长且位于吸收带的近红外光进行观测或提升星敏感器的观测高度,可采用偏振滤波技术一定程度上抑制天空背景光。当观测方位角一定时,选取合适的观测角度可以保证在较低太阳高度时能使用偏振滤波技术降低天空背景辐射对星光成像的影响。
星敏感器 恒星成像 背景辐射 偏振分布 偏振滤波技术 Star sensor Star imaging Background radiation Polarization distribution Polarization filtering technique