CCD星敏感器关键技术的研究

摘要

星敏感器是目前精度最高且技术最先进的姿态敏感设备。它具有的高精度、高灵敏度、无姿态累积误差等优点使其成为目前最受关注的姿态敏感器。本文基于实际的星敏感器研制项目,对星敏感器的CCD(Charge Couple Device)时序驱动、星点坐标提取、姿态计算几方面的关键技术展开了相关研究。主要完成工作如下:
　　给出了星敏感器电路部分的设计方案,分为光电转换单元、时序驱动单元、图像信号处理单元、电源单元四个单元。
　　CCD时序驱动的设计。准确且配合适当的时序驱动信号是CCD能否成功传出图像的关键。时序驱动可分为水平寄存器移位时序驱动和垂直寄存器移位驱动两个部分。采用复杂可编程逻辑器件结合硬件描述语言的方法实现。利用Binning的技术手段增强图像信号的信噪比。利用有限状态机的思想生成合适的CCD时序驱动信号。经仿真与拍摄验证,设计产生的驱动信号能够正确驱动CCD进行图像拍摄,效果良好,实现了图像拍摄与传输的预定目标。
　　星点坐标提取的实现。高精度星点提取是快速星图识别与高精度姿态计算的基础。本文结合传统星点提取算法与星图特点提出一种改进星点坐标定位方法。该方法以自适应阈值为求取手段,在求取过程中消除恒星对背景阈值的影响,使其更准确、更接近真实背景阈值。利用仿真实验对该算法与两种算法比较。实验证实该方法具有计算量小、精度高等优点,且便于在星敏感器中实现。
　　姿态算法的相关研究。姿态计算直接影响着星敏感器输出姿态精度及更新速率。静态姿态确定方面,对几种通用算法:Triad、Q-、Quest方法进行了理论推导,以一个算例对它们进行比较,得出效果最优的静态算法。动态估计算法方面,将预测卡尔曼滤波算法引入星敏感器的姿态估计,该方法以卡尔曼滤波传播姿态,以预测滤波方法预测动力学模型误差。通过仿真验证了该算法相对扩展卡尔曼滤波的精度、收敛速度及动力学模型误差容许性方面的优良性。对权重矩阵的选取做了理论分析及仿真判定,给出了权重矩阵的限定条件。
　　星敏感器精度的分析,给出了精度限制因素及各种误差源,推导了总误差的表达式,建立了总误差模型。给出了基于室内和天顶观测的星敏感器的标定方案及具体实施流程。最后对星敏感器系统进行模拟精度测试。

目录

CCD星敏感器关键技术的研究

RESEARCH ON KEY TECHNOLOGIES OF CCD STAR SENSOR

摘 要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 星敏感器的发展及国内外研究现状

1.3 星敏感器的原理

1.4 星敏感器的结构

1.5 总体方案的设计和主要的技术指标

1.6 本文主要研究内容

第2章 CCD驱动时序及相关电路的设计

2.1 CCD相关电路构成及工作原理

2.2 CCD驱动时序的设计

2.3 图像信号的预处理

2.4 信号A/D转换

2.5 实际拍摄验证

2.6 本章小结

第3章星点提取算法相关研究

3.1 星图特点

3.2 阈值选取

3.3 连通性的判定

3.4 剔除伪星

3.5 星等计算

3.6 内插细分定位方法

3.7 本章小结

第4章姿态确定算法的研究

4.1 姿态的表示方法

4.2 静态姿态确定

4.3 动态姿态确定算法

4.4 本章小结

第5章星敏感器系统精度分析及测定方法

5.1 星敏感器系统精度分析

5.2 星敏感器参数的测定

5.3 星敏感器系统的精度指标模拟测试

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢