基于星图识别的卫星自主定姿及实验系统设计

摘要

卫星姿态的确定作为卫星自主捕获目标、接收指令、姿态控制变化以及向地面传回数据的基础，在天文导航和遥感定位等领域发挥着关键性的作用。第二代CCD星敏感器拥有高精度、无姿态累积误差及快速故障恢复能力的特点，已成为航天、航空以及军事领域青睐的研究对象。
　　为了提高CCD星敏感器获取卫星姿态信息的实时性，同时降低在太空实验研究的成本，论文使用两台PC机和一部受SC300系列移位控制箱控制搭载CCD相机的云台，搭建了一个星图模拟、数据处理的卫星姿态自主确定系统。从整体上来看，卫星姿态确定的过程分为两种模式，分别是初始姿态捕获模式和星图跟踪姿态输出模式。详细分析初始姿态捕获模式，选用第谷II标准星表中星等小于6.5的恒星，制作标准导航星库数据，将这些数据在其中一台PC机上模拟出星图，然后对星图进行预处理操作，包括分析太空环境对图像的噪声，模拟该环境下星图的质量，添加高斯噪声，采用加权平均平滑法和背景分割阈值法对图像去噪。另一台PC机通过CCD相机将星图显示出来，对视场范围内的恒星提取质心，分别使用经典质心提取算法、加权质心提取算法以及带阈值的质心提取算法，分析了每种算法的精度，在此基础上提出了一种改进的质心提取算法，通过实验对比，得出该算法的精度高于前面三种。利用精确的恒星质心分别采用了三角形星图识别算法和栅格星图识别算法，分析了各自的优缺点，给出了一种改进的栅格识别算法，并做出实验对比，得出该算法对恒星位置的灵敏度优于普通的栅格识别算法。
　　通过星图识别出的恒星以及坐标系间的转换计算出卫星的初始姿态，仿真出其实验结果。获取到卫星初始姿态后进入姿态输出跟踪模式，该模式下的姿态匹配采用估计的思想。根据前几帧星图中恒星变化的位置，估计出下一帧视场指向的星图位置。记录标记星位置，计算出视轴变化的相对位移。通过PC机软件控制向云台发出串口指令，改变视轴指向，模拟实现星图中恒星跟踪。以估计出视轴指向的星图作为参考星图，并且星图中恒星的数据已知；以CCD相机观测的星图为观测星图，参考多帧星图快速跟踪算法，最终输出卫星姿态。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外发展现状及趋势

1.3 论文结构及各章节安排

第二章 系统组成及各模块设计

2.1 卫星姿态自主确定系统组成

2.2 各模块实现原理

2.3 本章小结

第三章 星图模拟与识别

3.1 星图模拟理论概述

3.2 制作导航星库

3.3 生成星图

3.4 星图预处理

3.5 星图识别

3.6 本章小结

第四章 卫星自主姿态确定

4.1 初始姿态的解算

4.2 星敏感器的跟踪模式

4.3 跟踪模式实验结果

4.4 自主姿态确定仿真结果

4.5 本章小结

第五章 结束语

5.1 论文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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