李 賡,王 昊,金仲和,王本冬

(浙江大學(xué)航空航天學(xué)院,杭州 310027)

面向微小衛(wèi)星的星敏感器研究*

李 賡,王 昊*,金仲和,王本冬

(浙江大學(xué)航空航天學(xué)院,杭州 310027)

研制了一款新型面向微小衛(wèi)星的星敏感器,采用商用器件構(gòu)成以滿足微小衛(wèi)星對(duì)小型化的要求。星敏感器由工業(yè)鏡頭、DSP、低功耗CPLD和灰度型CMOS圖像傳感器組成。為進(jìn)一步提高測量精度以滿足衛(wèi)星的需求,針對(duì)星敏感器的成像模型進(jìn)行了分析,并用恒星校準(zhǔn)的方式補(bǔ)償了光學(xué)參數(shù);對(duì)恒星處理算法進(jìn)行了分析,在圖像處理環(huán)節(jié)特別地采用了中值濾波技術(shù),解決了孤立脈沖噪聲對(duì)星點(diǎn)提取的影響?；诘厍蜃赞D(zhuǎn)的星座跟蹤實(shí)驗(yàn)表明,所研制的星敏感器樣機(jī)歐拉角回歸標(biāo)準(zhǔn)差為30″,已可實(shí)際應(yīng)用于微小衛(wèi)星平臺(tái)。

星敏感器;微小衛(wèi)星;姿態(tài)確定

微小衛(wèi)星逐漸開始在各個(gè)行業(yè)展開應(yīng)用,承擔(dān)起大衛(wèi)星的任務(wù),其巨大的應(yīng)用價(jià)值和潛力被航天業(yè)極為重視。微小衛(wèi)星追求更小的體積,更輕的重量,以便縮減研制成本、減少發(fā)射周期。相比過去大衛(wèi)星,微小衛(wèi)星采用商用器件,成本優(yōu)勢較為突出,一般可減少一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)的預(yù)算開銷。然而,許多衛(wèi)星任務(wù)必須建立在姿態(tài)穩(wěn)定的前提下,典型微小衛(wèi)星ZDPS-2[1]3σ姿態(tài)控制精度為5°,其精度受限于太陽敏感器[2]和磁強(qiáng)計(jì)的誤差,且缺少大衛(wèi)星中普遍采用的高精度星敏感器。然而從整體行業(yè)來看,目前鮮有微小衛(wèi)星可以滿足高分辨率成像和高帶寬通信等這類對(duì)姿態(tài)精度要求較高的任務(wù)[3-4]。微小衛(wèi)星未來要應(yīng)用到更多空間任務(wù),以微型化星敏感器提高姿態(tài)測量精度是必然趨勢[5]。

星敏感器作為航天器、飛行器、船舶等載體姿態(tài)確定和方位導(dǎo)航的重要視覺測量儀器,在所有已知姿態(tài)確定儀器中具有最高的角秒級(jí)(1/3 600°)精度。雖然星敏感器發(fā)展至今越來越成熟,被成功應(yīng)用至各類宇航任務(wù),但是大多數(shù)配置于大型衛(wèi)星。微小衛(wèi)星對(duì)星敏感器的電壓、功耗、體積和重量要求都比較嚴(yán)苛。目前美國洛克希德馬丁公司研制的星敏感器AST-301[6]具有業(yè)界最高的測量精度,X/Y軸精度0.18″,Z軸精度5.1″,但是質(zhì)量高達(dá)7.1 kg。此外,以SED36、HYDRA[7]為典型代表的星敏感器指標(biāo)都與微小衛(wèi)星要求的相去甚遠(yuǎn)。

為此浙江大學(xué)自主研制了一款面向微小衛(wèi)星的星敏感器硬件平臺(tái)[8],然而其實(shí)際測量精度與預(yù)期相差甚遠(yuǎn)。本研究在該平臺(tái)基礎(chǔ)上重點(diǎn)解決了微型化過程中面臨的兩個(gè)關(guān)鍵問題:基于模型分析了誤差來源并實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償;設(shè)計(jì)了外場測試實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了精度驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相比已有的大型星敏感器,微小衛(wèi)星可用的資源有限。浙江大學(xué)自主研制的星敏感器采用了商用化機(jī)器視覺鏡頭、圖像傳感器和處理電路,確保在體積、功耗降低前提下,同樣擁有高速的運(yùn)算能力,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法和軟件,樣機(jī)實(shí)物如圖1所示,結(jié)構(gòu)如圖2所示。該星敏感器樣機(jī)重量150 g,總功耗1.6 W,體積97 mm×73 mm×50 mm,理論單星最優(yōu)測量精度為4″(X/Y)/25″(Z),其系統(tǒng)框圖示于圖2。

圖1 星敏感器樣機(jī)

圖2 系統(tǒng)框圖

然而樣機(jī)的實(shí)測精度無法達(dá)到實(shí)用標(biāo)準(zhǔn),為此本研究從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析出發(fā),通過建模補(bǔ)償?shù)姆绞教岣邩訖C(jī)的測量精度。

星敏感器采用的是通用的商業(yè)部件模塊化結(jié)構(gòu),下面首先分別對(duì)各個(gè)組成模塊進(jìn)行簡要說明。

1.1 成像系統(tǒng)

樣機(jī)采用的商用化工業(yè)機(jī)器視覺鏡頭如圖3所示,有效縮減了傳統(tǒng)星敏感器花在光學(xué)部件的體積和成本。相機(jī)安裝遵守C型標(biāo)準(zhǔn)法蘭距(Flange Back Focal Length)保證鏡頭對(duì)焦面與CMOS工藝面高度重合,解決未補(bǔ)償下過大的幾何工裝誤差問題。與光學(xué)部分配套的CMOS圖像傳感器采用商用化ON Semiconductor系列,從像元尺寸、填充率以及感光度上解決了星敏感器在體積、功耗和探測能力、探測精度的矛盾關(guān)系。整體成像系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

圖3 光學(xué)鏡頭

參數(shù)設(shè)計(jì)值光學(xué)鏡頭2/3英寸視場光圈質(zhì)量焦距17．3°(對(duì)角線)13．9°(水平)10．4°(垂直)F1．4-F16C87g35mm圖像傳感器分辨率像元尺寸填充比例感光度功耗1280×10246．7μm66%8．4V/lux．s(650nm)200mW

1.2 電路結(jié)構(gòu)

星敏感器的架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)以低功耗、速度較快的TI系列DSP作為主處理器,結(jié)合功耗較低的可編程器件CPLD、CMOS圖像傳感器,共同構(gòu)成適用于微小衛(wèi)星的電路與系統(tǒng)。

DSP負(fù)責(zé)圖像處理、恒星識(shí)別以及姿態(tài)計(jì)算。CPLD采用XilinxCoolRunnerII系列,功耗比FPGA低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡,負(fù)責(zé)輔助驅(qū)動(dòng)CMOS以及控制圖像流。

星敏感器單幀圖像數(shù)據(jù)流始于DSP的拍照信號(hào),CPLD內(nèi)設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)CMOS的成像和SRAM的存儲(chǔ)調(diào)度。而DSP內(nèi)部的EMIF(External Memory Interface)通過CPLD采集SRAM數(shù)據(jù),然后進(jìn)行后續(xù)的軟件處理。

2 系統(tǒng)誤差分析及校準(zhǔn)

星敏感器的誤差來源于成像系統(tǒng)、軟件算法兩大模塊。

2.1 成像系統(tǒng)模型及誤差分析

星敏感器在采用微型化方案時(shí),除了需要驗(yàn)證光電探測系統(tǒng)在物理器件上滿足恒星探測概率閾值,還應(yīng)對(duì)其模型進(jìn)行分析和校準(zhǔn)以確定探測精度。成像系統(tǒng)的誤差來自于恒星位置、成像模型和姿態(tài)因子。

2.1.1 成像系統(tǒng)模型

星敏感器的姿態(tài)確定、方位導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)依據(jù)是:恒星較長一段時(shí)間都會(huì)靜止在天球慣性坐標(biāo)系中。因此本研究不考慮由于恒星位置帶來的誤差影響。采用公元2000年作為時(shí)間基準(zhǔn),圖4、圖5分別表示了從天球慣性坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系兩個(gè)角度觀測相同恒星的坐標(biāo)圖。

圖4 天球坐標(biāo)系

圖5 像面坐標(biāo)系

在不同正交坐標(biāo)系中兩顆星均具有相同的幾何觀測夾角,但帶有一定的測量誤差,這是星敏感器方位和姿態(tài)測量的關(guān)鍵精度影響因素。這種角度使用矢量內(nèi)積衡量,稱為恒星角距:

(1)

式中:d為角距,δ為恒星角距對(duì)應(yīng)的夾角。角距是星敏感器的核心測量值,直接影響到星圖識(shí)別算法和姿態(tài)解算兩個(gè)關(guān)鍵步驟。

星敏感器并不直接測量矢量方位,而是參照模型從圖像坐標(biāo)點(diǎn)還原出天體在坐標(biāo)系下的矢量。按式(1)描述,i,j兩星的角距表示為dij。對(duì)于任意一顆星,其矢量由圖像平面位置轉(zhuǎn)換到本體矢量的方式為:

(2)

式中:(xi,yi)為恒星x、y方向測量點(diǎn),(x0,y0)為相機(jī)x、y方向原點(diǎn),f為歸一化像方焦距(像素單位)。由于星敏感器并不直接對(duì)公式的結(jié)果進(jìn)行觀測,因此星敏感器必須對(duì)星敏感器相機(jī)模型參數(shù)做校準(zhǔn)。

2.1.2 成像模型校準(zhǔn)

為了提高星敏感器的測量精度,本文結(jié)合無維度識(shí)別算法[9]和恒星再校準(zhǔn)方法[10],解決星敏感器的校準(zhǔn)問題,并重新估算出相機(jī)關(guān)鍵的像方焦距f和圖像中心位置(x0,y0)。

恒星再校準(zhǔn)方法以f和(x0,y0)作為可變待估參量,利用恒星角距作為測量值。對(duì)于m顆樣本恒星,判據(jù)使用角距測量方差:

(3)

式中:ui為星表內(nèi)的恒星位置矢量,vi為樣本(xi,yi)代入公式所得的觀測矢量。校準(zhǔn)過程中,通過最優(yōu)估計(jì)方法改變x0、y0、f3個(gè)自變量令E達(dá)到最小。這種方法本質(zhì)上融合了所有樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù),通過平均加權(quán)得到需要估計(jì)的x0、y0、f3個(gè)自變量。

圖6 f對(duì)應(yīng)誤差趨勢

這種判據(jù)對(duì)焦距f效果顯著,如圖6所示,此時(shí)假設(shè)(x0,y0)無誤差。然而在驗(yàn)證圖像中心原點(diǎn)時(shí)效果并不突出。以圖7為例,該圖是恒星實(shí)測樣本分析出的(x0,y0)對(duì)應(yīng)的誤差性能曲面,此時(shí)假定f無誤差,坐標(biāo)Z軸對(duì)應(yīng)角距測量方差。樣本所標(biāo)中心點(diǎn)位置(x0,y0)為(459.33,659.04),歸一化焦距f為5 075.7,折合原始焦距為34.0 mm。

圖7 (x0,y0)對(duì)應(yīng)誤差性能曲面

從該圖可發(fā)現(xiàn)其領(lǐng)域內(nèi)可收斂,但是高低梯度勢差不足。首先造成恒星間角距對(duì)圖像中心原點(diǎn)的平移并不特別敏感。此外使得最優(yōu)化算法容易震蕩于最低點(diǎn)附近。盡管如此,使用恒星校準(zhǔn)相比地面標(biāo)定仍然在測試成本、驗(yàn)證周期和校準(zhǔn)真實(shí)性上具有較大的優(yōu)勢。

2.1.3 成像模型誤差分析

視覺測量一般以點(diǎn)矢量作為基本的測量元素,矢量存在兩個(gè)變化方向。因此星敏感器需要分析兩種角度分辨精度:徑向分辨率、切向分辨率。

①徑向分辨率

為分析徑向分辨率,令公式在平面上投影的徑向偏移用另一種方法表示:

(4)

本質(zhì)上公式反映了矢量與相機(jī)本體Z軸的夾角θ。假設(shè)星敏感器的定位精度以圓形范圍做波動(dòng),并以偏導(dǎo)衡量Z軸角度θ對(duì)圖像徑向移動(dòng)r的敏感度:

(5)

假定質(zhì)心定位精度為1/10級(jí)亞像素,由公式可知。當(dāng)r→0,代入歸一化焦距f,徑向角度敏感度約為1/f=40″每像素,則質(zhì)心定位精度造成的單點(diǎn)矢量角度誤差在4″。當(dāng)像素處于圖像邊緣位置r→512時(shí),則敏感度約為39″每像素。因此全畫幅內(nèi)敏感度無較大變化。

此外影響徑向角度精度的參數(shù)還有焦距,焦距并不影響分辨率,而是直接影響了測量的模型偏差,對(duì)公式求角度θ對(duì)焦距f的變化率:

(6)

在圖像邊緣處焦距f如果產(chǎn)生1‰估計(jì)偏差,代入上一節(jié)估計(jì)的焦距參數(shù),以及r→512,可知因?yàn)?‰焦距誤差帶來的角度估計(jì)誤差可達(dá)20.6″。由圖6可知,誤差性能最低點(diǎn)至其2倍誤差的橫截距,也就是焦距容限,恰好為1‰的焦距值。

②切向分辨率

其次,星敏感器存在切向角度分辨率。對(duì)公式的平面特性做分析,其切向移動(dòng)l對(duì)應(yīng)切向轉(zhuǎn)動(dòng)角表示為:

φ/l=1/r

(7)

假定此時(shí)質(zhì)心定位精度與徑向時(shí)相同。當(dāng)r→0,φ無法分辨因?yàn)榍邢蛞苿?dòng)l所造成的誤差。當(dāng)r→512時(shí),質(zhì)心定位造成的誤差為40″;當(dāng)像素處于圖像角落r→820,得到最優(yōu)誤差25″。因此切向角度敏感度在不同的徑向位置有較大變化,相對(duì)徑向敏感度要低,成為星敏感器主要測量誤差問題。

為了解決主要誤差來源的切向角度誤差,應(yīng)盡量選取圖像較靠近邊緣的星體。然而鏡頭在角度較大情況下會(huì)呈現(xiàn)出畸變性。因此星敏感器實(shí)際選取星體時(shí)優(yōu)先選取視場中圈的星體解算切向角度(Z軸姿態(tài)角度)。

2.2 星點(diǎn)誤差分析

星敏感器中,對(duì)精度造成影響的主要軟件來源是星點(diǎn)提取算法,但是本質(zhì)上還是受到成像器的光電探測轉(zhuǎn)換性能影響。星點(diǎn)探測的位置準(zhǔn)確性以及可能性是星敏感器計(jì)算時(shí)的關(guān)鍵。該環(huán)節(jié)主要解決的是星點(diǎn)如何被提取為質(zhì)點(diǎn)位置。星點(diǎn)的提取采用了帶閾值的質(zhì)心加權(quán)法,其中閾值使用如下公式:

(8)

式中:Tc為閾值用于分離背景噪聲;Tv為稍小于Tc的校準(zhǔn)值,可使像素點(diǎn)更多的連通域得到更大的權(quán)值,用于亮度排序。改變Tc和Tv將得到更符合實(shí)際的權(quán)重值。將公式的結(jié)果代入標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)算法得到x,y方向的質(zhì)心點(diǎn):

(9)

帶閾值的質(zhì)心算法精度較高,可有效還原出星點(diǎn)位置,同時(shí)用加權(quán)綜合反映出恒星亮度等級(jí)。目前普遍使用的質(zhì)心加權(quán)算法一般能取得優(yōu)于1/10級(jí)亞像素精度[11]。

由于星點(diǎn)成像領(lǐng)域較小,公式的閾值化環(huán)節(jié)容易被圖像“鹽”噪聲等圖像孤立點(diǎn)干擾,現(xiàn)象如圖8所示。如果采用傳統(tǒng)的星點(diǎn)提取和星圖識(shí)別算法,將造成星點(diǎn)定位誤差較大或者星點(diǎn)無法提取。

圖8 中值濾波前的星點(diǎn)提取圖像

為此,在采用現(xiàn)有的星點(diǎn)提取、星圖識(shí)別和姿態(tài)算法的情況下,在星點(diǎn)提取環(huán)節(jié)前增加中值濾波算法而非高斯濾波,并對(duì)此展開了研究。結(jié)果顯示,該方法可以濾除圖像中各種孤立的奇異點(diǎn)對(duì)星點(diǎn)提取的影響,同時(shí)加強(qiáng)星圖識(shí)別的穩(wěn)定性和正確性,避免冗余的無效質(zhì)點(diǎn)信息帶來高計(jì)算負(fù)荷。下面將對(duì)此展開分析。

中值濾波采用的是領(lǐng)域內(nèi)像素排序后取中值的方法,因此如果某個(gè)點(diǎn)量化灰度是孤立的,就會(huì)被直接濾除。使用3×3模板進(jìn)行中值濾波迭代5次后,星點(diǎn)提取效果如圖9所示。因此顯然相比于直接使用高斯濾波,中值濾波對(duì)于圖像實(shí)際可能遇見的“鹽”噪聲等問題得到一定程度的處理。

圖9 中值濾波后的星點(diǎn)提取圖像

雖然中值濾波在上述過程中增強(qiáng)了星圖識(shí)別的穩(wěn)定性,但是帶來的代價(jià)是影響了星點(diǎn)的質(zhì)心定位精度。為了確定中值濾波迭代過程中各項(xiàng)指標(biāo)的變化,本文對(duì)圖8中編號(hào)為SAO132444的恒星進(jìn)行了分析。

圖10顯示了質(zhì)心定位隨著中值濾波迭代的實(shí)際變化過程。中值濾波在執(zhí)行2次時(shí)就可消除大部分的“鹽”噪聲點(diǎn),同時(shí)并不太大影響精度性能;迭代至6次以后所有星點(diǎn)幾乎不再變動(dòng),這是由于中值濾波迭代最終會(huì)收斂于其根序列。從分析圖可以發(fā)現(xiàn),星點(diǎn)質(zhì)心在迭代過程中不超過0.1個(gè)像素點(diǎn)。

圖10 質(zhì)心定位迭代變化趨勢

姿態(tài)解算的集平均RMS如圖11所示。在2次中值濾波迭代后姿態(tài)精度得到一定程度的提升;6次以后RMS基本達(dá)到收斂。

圖11 姿態(tài)解算誤差迭代變化趨勢

圖12 基于地球自轉(zhuǎn)的星跟蹤

3 外場驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

外場實(shí)驗(yàn)是星敏感器精度的直接研究方式,相比較仿真星圖實(shí)驗(yàn),其主要目的是驗(yàn)證星敏感器的恒星探測和恒星識(shí)別兩大研究內(nèi)容。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

星敏感器的外場實(shí)驗(yàn)設(shè)定于北緯30°17′37.14″、東經(jīng)120°9′41.12″,時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)刻24時(shí),探測目標(biāo)為獵戶座星群。

姿態(tài)精度確定實(shí)驗(yàn)方式為固定星敏感器,令其隨地球自轉(zhuǎn),如圖12所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)物圖如圖13所示。由于地球呈慣性旋轉(zhuǎn),且慣性章動(dòng)角較小,每次采樣時(shí)記錄下時(shí)間標(biāo)記,可獲取經(jīng)過時(shí)間t后的精確參考轉(zhuǎn)動(dòng)角ψ:

ψ=t×15 °/hour

(10)

該方法相對(duì)于地面轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),不僅無需考慮外部模擬轉(zhuǎn)動(dòng)儀器的機(jī)械精度特性[12],在轉(zhuǎn)動(dòng)真實(shí)性上具有真實(shí)的參考意義,可檢驗(yàn)星敏感器對(duì)恒星的捕捉能力。同時(shí)在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上驗(yàn)證了恒星識(shí)別算法和姿態(tài)解算精度。

圖13 實(shí)物圖

3.2 恒星識(shí)別算法驗(yàn)證

星敏感器在未得到先驗(yàn)信息的情況下,恒星識(shí)別算法是其自主工作的第1步。圖14展示了一張星敏感器觀測圖像樣本,假設(shè)此時(shí)相機(jī)焦距等信息未知,使用無需相機(jī)信息的無維度算法初次識(shí)別恒星。該算法對(duì)樣本圖片識(shí)別后的結(jié)果信息列于表2,進(jìn)而可知恒星的星表信息,按照公式確定出相機(jī)的參數(shù)信息用于后續(xù)矢量還原。

圖14 星圖與識(shí)別結(jié)果

編號(hào)標(biāo)記名SAO編號(hào)星等1參宿七1319070．152參宿二1323461．653參宿一1324441．854參宿三1322202．405Hatsya1323232．75

由于星敏感器實(shí)際工作時(shí)并不采用無維度識(shí)別算法而是基于角距的算法。因此首先利用上一步表2的識(shí)別信息,將恒星測量矢量與星表參考矢量代入公式,確定出模型內(nèi)使用的相機(jī)參數(shù)。

星敏感器在目前兩類恒星識(shí)別算法選取過程中[13],采取了基于拓?fù)浔闅v的Pyramid算法[14]。實(shí)際算法在使用第四顆星鎖定基礎(chǔ)三角形P0后,繼續(xù)選取未識(shí)別星體qm與該組合的恒星逐一進(jìn)行角距配對(duì),直到識(shí)別出足夠的星體才退出當(dāng)次流程。該算法最理想可識(shí)別出視場內(nèi)所有恒星,極大增強(qiáng)姿態(tài)計(jì)算的精度。為提高運(yùn)算速度,算法在識(shí)別出5顆恒星時(shí)結(jié)束。星組拓?fù)銹對(duì)星體qm擴(kuò)展過程可由如下代數(shù)表示:

(11)

然后使用公式所采用的方法可成功對(duì)樣本圖14進(jìn)行恒星識(shí)別。在識(shí)別過程中,公式對(duì)于星間匹配的關(guān)鍵判據(jù)是星間角距誤差,此處使用如下矩陣表示:

E=arccos(WTV)

(12)

角距誤差矩陣E的(i,j)元素對(duì)應(yīng)了星i和星j角距對(duì)比星表計(jì)算的矢量空間誤差,并列于表3,該表體現(xiàn)不同星間組合件的誤差,如果某一顆星定位誤差較大,其所在的行或列誤差會(huì)普遍較大。而表內(nèi)的星間角距誤差在算法中足以完成匹配。

表3 星間夾角計(jì)算誤差 單位:″

3.3 姿態(tài)精度驗(yàn)證

姿態(tài)解算是恒星識(shí)別后的最后一環(huán)步驟。為了驗(yàn)證姿態(tài)測量的精度,首先完成了獵戶座的跟蹤實(shí)驗(yàn)。姿態(tài)解算方面,目前廣泛采用TRAID、QUEST算法,而星敏感器采用精度較高的SVD(Singular Value Decomposition)姿態(tài)解算法[15],可以簡化大量的矩陣求逆運(yùn)算,同時(shí)利用SVD的降維減少冗余維度的計(jì)算。

按照基于地球自轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)方案,設(shè)當(dāng)前時(shí)刻,星敏感器采集第k組樣本,解算得到J2000天球系姿態(tài)矩陣Ck,初始時(shí)刻姿態(tài)矩陣為C1,則姿態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣Bk為:

(13)

由于星敏感器隨地球繞軸慣性旋轉(zhuǎn),矩陣Bk其本質(zhì)上即為歐拉轉(zhuǎn)動(dòng)角:

Φk=arccos[(traceBk-1)/2]

(14)

實(shí)驗(yàn)在經(jīng)過一段時(shí)間的采樣后,得到一系列Ф與ψ角度對(duì)比,回歸與誤差圖如圖15所示,其樣本點(diǎn)的RMSE為30″(0.008 3°)。

圖15 星跟蹤姿態(tài)測試結(jié)果

上述姿態(tài)測量誤差接近于公式切向Z軸角度誤差理論值。實(shí)際上,問題還來源于恒星間角距存在較大的誤差,即星表未對(duì)恒星自主運(yùn)動(dòng)視差做更新。故星敏感器的恒星方位探測精度仍要高于該值。

4 結(jié)論及展望

星敏感器系統(tǒng)平臺(tái)具有成像性能優(yōu)秀、重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn),參數(shù)總覽如表4所示。星敏感器小型化方案和關(guān)鍵技術(shù)得到驗(yàn)證,包括選擇的鏡頭、成像器和基本算法流程。目前精度性能主要受制于星點(diǎn)測量精度以及星表自行處理。

表4 星敏感器參數(shù)總覽

外場實(shí)驗(yàn)中,隨地球自轉(zhuǎn)的星座跟蹤姿態(tài)測試表明其歐拉角回歸RMSE為30″,這一精度將大幅提高微小衛(wèi)星的姿態(tài)測量能力。本研究中的星敏感器將在ZDPS-3衛(wèi)星上進(jìn)行空間驗(yàn)證。

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李 賡(1991-),男,浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心,碩士研究生,研究方向?yàn)樾l(wèi)星姿態(tài)確定與控制系統(tǒng),lgzju@zju.edu.cn;

王 昊(1974-),男,浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心,副教授,研究方向?yàn)樾l(wèi)星姿態(tài)控制、MEMS慣性器件、信號(hào)處理,roger@zju.edu.cn。

Research on StarTracker for Micro-Satellites*

LIGeng,WANGHao*,JINZhonghe,WANGBendong

(School of Aeronautics and Astronautics,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

A new design of star tracker(ST)is proposed. The STisbased on the using of commercial devices,to matchMicro-satellites’ compact size. The STconsists of an industrial lens,a DSP processor,a low power CPLD and a grayscale CMOS sensor. To improve the measurement accuracy,theimaging model of the STis analyzed,andthe optical parameters are compensated by in-field star calibration. The algorithm of star photoprocessing is also analyzed,anda median filter is applied to reduce the effect ofimpulse noise during star point extracting. A ST prototype is tested with field experimentsbased on the earth’s rotation and constellation tracking,the results show that the prototype’s RMSE(Root Mean Square Error)of Euler angleis 30″. The prototype,whichis in compact size and low power consumption,can be exactly applied to Micro-satellites.

star tracker;micro-satellite;attitude determination

項(xiàng)目來源:國家杰出青年基金項(xiàng)目(61525403)

2016-12-30 修改日期:2017-04-07

V448.222

A

1004-1699(2017)08-1145-07

C:7630

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.08.002