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 上海航天控制技术研究所, 上海 201109
2 中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心, 上海 201109
针对现有描述星点能量分布的高斯模型的局限性, 基于恒星辐射特性和星敏感器的成像特性, 提出了改进的偏正态分布恒星成像模型, 并确定其关键参数向量.根据星敏感器对恒星成像为平稳随机过程的特点, 设计了Kalman滤波器迭代估计星点像斑特征, 提取四个星点像斑特征量, 建立状态空间, 得到特征量在最小二乘意义下的最优估计值, 以此作为参考基准, 利用查表法实现星点成像模型参数寻优求解.地面观星实验结果表明, 基于Kalman滤波可以快速有效地对实测星点像斑特征量进行估计, 相对于高斯模型, 改进的偏高斯模型对星点像斑能量分布的仿真精度更高.
恒星成像模型 偏正态分布 特征提取 Kalman滤波 模型参数确定 迭代估计 高斯分布 Star imaging model Skewed Gaussian model Characteristics extraction Kalman filtering Model parameter determination Iterative estimation Gaussian distribution
1 上海市空间智能控制技术重点实验室, 上海 201109
2 上海航天控制技术研究所, 上海 201109
在轨运行过程中, 受空间热环境的影响, 星敏感器的安装矩阵具有轨道周期变化的特征。为了校准卫星结构变形导致的星敏感器之间安装矩阵变化, 提出了一种基于四元数自适应卡尔曼滤波(quaternion Adaptive Kalman Filter, q-AKF)的安装矩阵在轨实时校准方法。该方法结合衰减记忆滤波与简化的Sage_Husa自适应滤波, 通过自适应调整衰减因子, 调节当前量测值在滤波过程中的权重, 以抑制因模型参数不准确造成的滤波性能下降甚至发散问题。仿真试验结果与在轨数据验证结果表明: q-AKF算法不但可以抑制参数不准确造成的滤波发散问题, 而且在0~5 (°)/s的姿态机动速率范围内, 仍能稳定跟踪安装矩阵的真值(偏差均值的绝对值<0.15″), 具有良好的自适应性与鲁棒性。
安装矩阵 多星敏感器 自适应滤波 衰减因子 installation matrix multiple star trackers adaptive filter fading factor 红外与激光工程
2018, 47(12): 1217006
1 上海航天控制技术研究所, 上海 200233
2 中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心, 上海 200233
3 上海应用技术大学 计算机科学与信息工程学院, 上海 201418
星敏感器标定是基于更高精度的测量基准对光学系统内方位元素进行建模与最优化解算的过程。针对大视场星敏感器光学系统误差分布非理想轴对称的实际情况, 提出了一种采用视场网状分区域建模的内方位元素最优化解算方法。首先, 在补偿了星敏感器与标定系统初始对准误差后, 基于针孔模型计算主点和焦距; 然后, 在视场分区域建模思想的指导下, 采用多项式拟合结合双线性插值的方法修正畸变; 最后, 提出了基于测角误差的标定精度评价准则。经实验室标定与外场观星验证, x轴与y轴标定残差较全局建模法分别降低了35%和20%, 证明了该方法的有效性。
大视场星敏感器 分区域校正 双线性插值 测角误差 初始对准误差 star tracker with large field of view zone-division calibration bilinear interpolation measurement angle error initial alignment error 红外与激光工程
2017, 46(10): 1017006
1 上海航天控制技术研究所, 上海 201109
2 中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心, 上海 201109
详细介绍了一种星敏感器像素频率误差补偿方法并结合实际实验数据对其补偿效果进行验证。首先依据阈值分割的星点提取算法, 分析了像素频率误差产生的几个主要原因。然后改进原有的星点质心定位点扩散函数, 提出了一种基于亚像元坐标的像素频率误差补偿方法。最后通过星敏感器微步距实验, 与正弦曲线法比较。实验结果表明: 在视场中心区域, 使用该方法对采样点补偿后像素频率误差减少了65.2%, 优于正弦曲线法的52.7%; 使用视场中心的误差补偿公式对视场边缘的采样点补偿, 像素频率误差减少58.7%, 优于正弦曲线法的41.9%。由实验结果可得: 较之于正弦曲线法, 该误差修正方法不仅具有更好的误差补偿效果, 而且在视场范围内具有较强的通用性。
星敏感器 亚像元坐标 像素频率误差 误差补偿 star sensor sub-pixel coordinates pixel frequency error error compensation 红外与激光工程
2017, 46(7): 0717006
1 上海航天控制技术研究所, 上海 201109
2 中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心, 上海 201109
3 上海应用技术学院 计算机科学与信息工程学院, 上海 201418
针对星敏感器在轨运行时的精度评估问题, 提出了采用历元差法、滑动窗口法和光轴夹角法综合分析的方法, 分别用于评估星敏感器测量噪声, 测量总误差, 并基于浦江一号卫星提供的星敏感器不同类型的在轨数据进行分析计算. 在轨测试结果表明: 星敏感器光轴指向精度达到15"(3σ), 满足卫星控制系统要求, 其三轴稳定度达到0.01°。 该方法可用于星敏感器在轨测量精度评估, 也可用于星敏感器地面观星精度评估.
星敏感器 飞行试验 精度分析 姿态测量 star tracker flight test accuracy analysis attitude measurement 红外与激光工程
2017, 46(5): 0517002
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院， 北京 100191
2 上海航天控制技术研究所， 上海 200233
根据星敏感器的误差来源和组成，提出了对甚高精度星敏感器的瞬时误差(TE)、高频误差(HSFE)、低频误差(LSFE)三项误差的测试方法。针对星敏感器TE的测试，利用统计高精度静态光星模和基于高精度单星模拟器的星点质心定位误差的方法，得到星敏感器TE的误差；针对星敏感器HSFE的测试，利用高精度转台和单星模拟器，以微步距采集星点弥散斑在不同成像位置时的能量变化，计算星敏感器高频误差；针对星敏感器LSFE误差的测试，利用双轴转台，并且分别旋转转台的两轴，计算星敏感器星像坐标在像面上的变化来获得LSFE的误差。最后文中以某甚高精度星敏感器为例进行试验，结果表明测试方法有效。
精度测试 星敏感器 误差 precision test star sensor errors
