基于恒星测量的载荷视线确定方法研究

摘要

星载TDI CCD(Time Delayed and Integration Charge-coupled Device)红外相机是对弱小目标进行探测的核心设备，相机的视轴指向精度是对目标进行高精度跟踪定位的关键因素，为了实现红外监视卫星系统对目标高精度的实时性跟踪、定位，必须确保正确的目标视轴指向。
　　视线确定技术一般是通过控制卫星平台位置、平台姿态调整角（失配角）和对相机指向，建立数学模型，分析扫描相机中存在的误差因素，来减小目标视轴指向误差，实现精确校正。高精度的恒星提取算法与视轴指向实时校正算法是视线确定技术的两个关键技术。
　　本文分别对这两个方面展开研究，首先是对星载TDI CCD相机成像模型进分析，针对TDICCD的结构特点，研究并提出了一种适应于平台抖动条件下TDI CCD的质心确定算法；其次，利用卫星姿态的失配角参数，提出了基于扩展卡尔曼滤波的目标视轴指向进行实时校正的方法。
　　论文主要包括以下三个部分：
　　第二章介绍了传感器成像的数学模型，研究了线阵摆扫相机的成像模型，并针对不同成像因素对传感器的成像效果进行了分析，解算卫星位置变化和卫星姿态变化对相机成像的影响公式；
　　第三章在TDI CCD工作原理的基础上对其信噪比进行分析，得到不同级数的CCD相机对信噪比影响的结论，并以高斯背景和云层杂波背景为例，通过仿真对理论分析进行验证。针对卫星平台抖动产生图像混叠的情形，提出适应于TDI条件下的质心确定算法，仿真实验表明，该算法可以有效的对多次积分造成恒星点质心偏移进行有效抑制。
　　第四章对视轴指向校正进行分析，根据扫描相机的成像特点，引入了扩展卡尔曼滤波算法，提出了目标视轴指向校正的最小二乘方法，建立了失配角参数的实时估计模型，阐述了基于失配角参数实时估计技术，通过设立检查点、控制点和进行蒙特卡洛仿真，比较最小二乘原理和实时校正方法两种算法在视轴校正的精度和稳定性上的性能。仿真结果表明，该算法能够有效的解决高轨红外监视系统在动平台条件下图像配准的难题，也能够为扫描相机在序列图像的目标检测和高精度的目标跟踪定位上奠定一定的研究基础。
　　总之，论文中对质心算法和对视轴指向校正的研究能够对天基预警系统实现对目标的高精度跟踪定位提供一定的支撑。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和课题依据

1.2 国内外研究现状和面临的主要问题

1.3 论文创新点和研究重点

1.4 论文的主要结构和工作安排

第二章 传感器成像的数学模型

2.1 引言

2.2 传感器成像的基本模型

2.3 线阵摆扫相机成像模型

2.4 卫星位置、卫星姿态对传感器成像效果的影响分析

2.5 总结

第三章平台抖动条件下TDI CCD图像质心确定研究

3.1 引言

3.2TDI CCD成像的工作参数和信噪比分析

3.3 平台抖动对恒星点成像的影响

3.4 质心确定算法

3.5 平台抖动条件下质心确定研究

3.6 仿真实验和结果分析

3.7 总结

第四章 基于失配角的视轴指向实时校正方法研究

4.1 引言

4.2 扫描相机的成像特点分析

4.3目标视轴指向校正的最小二乘方法

4.4 基于EKF的失配角参数实时估计实现技术

4.5 总结

结束语

参考文献

致谢

作者在学期间取得的学术成果