基于星敏感器的星图识别方法研究

论文摘要

星敏感器是航天器定姿的重要敏感器件,作为基于星敏感器定姿的核心技术,可靠、快速和高精度的星图识别方法一直是重要的研究课题。本文对基于星敏感器的星图识别方法进行了研究。主要内容包括星图模拟与检测方法、星图识别方法和基于星敏感器的航天器姿态确定方法。首先,为建立良好的星图识别环境,开展星图模拟与检测方法的研究。在分析星图的数学模型和星敏感器参数的基础上,开发星图模拟器,完成指定星表的星图模拟。通过对噪声特性的分析,利用高斯去噪方法和基于帧累加去噪方法完成对星图的噪声预处理。利用无监督聚类算法,实现对星图中多颗目标星的检测,并给出带阈值的质心算法和带阈值的加权平方的质心算法。仿真结果表明带阈值的质心算法具有较好的精确性和鲁棒性。其次,对星图识别算法进行研究。针对三角形算法可能出现的冗余匹配以及单星状态无法识别的问题,提出一种改进的三角形算法和互相关系数的算法。利用多帧模拟星图进行的实验结果表明,改进的三角形算法识别正确率达95%以上,互相关系数的算法正确率达98%以上,两种算法对变化的星空环境均具有较好的鲁棒性。最后,开展基于星敏感器的航天器姿态确定方法研究。在对静态单帧的姿态确定算法分析的基础上,结合星敏感器和陀螺的测量模型,给出基于星敏感器的EKF状态估计姿态算法。仿真结果表明,基于星敏感器的EKF姿态估计算法精度较高,姿态估计误差较小,能够满足姿态确定的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.1.1 本课题来源
• 1.1.2 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 星图识别算法的发展与现状
• 1.2.2 姿态确定算法发展与现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 星图模拟与检测方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 星图模拟方法研究
• 2.2.1 星图的数学模型
• 2.2.2 星敏感器的参数
• 2.2.3 星图模拟
• 2.3 星图的噪声处理
• 2.3.1 星图噪声特性分析
• 2.3.2 高斯去噪
• 2.3.3 帧累加去噪
• 2.4 星图的检测
• 2.4.1 星图检测方法
• 2.4.2 星图质心提取
• 2.4.3 带阈值的质心算法
• 2.4.4 带阈值的平方加权质心算法
• 2.4.5 算法仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 星图识别算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 基本坐标系
• 3.3 星表处理
• 3.4 改进的三角形星图识别方法
• 3.5 相关系数的星图识别方法
• 3.6 误差分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于星敏感器的航天器姿态确定算法
• 4.1 引言
• 4.2 姿态参数
• 4.2.1 方向余弦矩阵
• 4.2.2 欧拉角
• 4.2.3 四元数
• 4.3 星敏感器测姿模型
• 4.4 静态单帧姿态确定算法
• 4.4.1 Triad算法
• 4.4.2 Q算法
• 4.4.3 Quest算法
• 4.4.4 算法的仿真
• 4.5 基于EKF的姿态确定算法
• 4.5.1 EKF滤波算法原理
• 4.5.2 基于星敏感器的EKF滤波算法
• 4.5.3 基于星敏感器/陀螺的EKF滤波算法
• 4.5.4 算法的仿真
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢