CCD星敏感器星图识别算法及DSP实现

论文摘要

星敏感器是一种高精度的卫星姿态确定敏感器。在过去大约30年的时间里,已经研制了两代CCD星敏感器。第二代CCD星敏感器由于无姿态累计误差、姿态确定精度高、快速的故障恢复能力和具有完全自主的姿态确定能力而受到人们的关注,成为当前和未来空间飞行器姿态测量的首选敏感器。本论文对全天自主式CCD星敏感器进行了星图识别算法的软硬件系统设计。论文首先介绍了基于径向和环向特征的星图识别算法,它将星的特征模式分解成径向和环向两部分,采用多步匹配的方法来进行匹配识别,使用查找表的方式构建径向模式库以提高搜索速度,并引入验证识别环节为观测星图中尽可能多的星找到对应的匹配星。本部分还对星图识别中所要用到的基本概念和思想（星角距、星图的空间思维等）进行了详细说明。接着论文详细阐述了各部分算法的设计思想,以此为基础在C++ Builder开发环境中用C语言实现了利用径向和环向特征的星图识别算法,并创建了支持此算法的导航星库与模拟星图。论文最后对星敏感器的总体硬件结构进行了介绍。本文研究的主要硬件部分是其中的星图识别算法的硬件电路系统。经过性能分析、芯片型号选则、电路原理图设计,完成了以TMS320C6713 DSP为处理核心的星图识别算法硬件电路系统设计,制作完成了PCB电路板,经过调试确定硬件系统设计正确无误。总结列出了本论文中的主要成果和问题,并指明了未来研究的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外相关领域的研究进展
• 1.2.1 CCD 星敏感器的组成及工作原理
• 1.2.2 CCD 器件特点简介
• 1.2.3 星敏感器的发展过程
• 1.2.4 星敏感器研究现状
• 1.2.5 星敏感器的发展趋势和相关技术
• 1.2.6 空间飞行器的姿态确定
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 1.3.1 星图识别算法
• 1.3.2 建立导航星库
• 第2章 利用径向和环向分布特征的星图识别方法
• 2.1 基本概念
• 2.2 坐标系之间的转换
• 2.3 星敏感器工作步骤
• 2.4 特征提取
• 2.4.1 径向特征
• 2.4.2 环向特征
• 2.5 导航数据库的构建
• 2.6 匹配过程
• 2.7 本章小结
• 第3章 建立导航星库
• 3.1 基本概念
• 3.2 导航星的选取
• 3.3 星角距的计算
• 3.4 环向模式向量中夹角的计算
• 3.5 环向模式向量的计算
• 3.5.1 程序设计思想
• 3.5.2 具体程序设计
• 3.6 建立导航星库
• 3.7 本章小结
• 第4章 星图识别算法的实现
• 4.1 FOVx 计算
• 4.2 模拟星图矩阵的提取
• 4.2.1 基本概念
• 4.2.2 提取模拟星图矩阵
• 4.2.3 星等量化
• 4.3 星图识别程序
• 4.3.1 计算CCD 星敏感器坐标系中的星角距
• 4.3.2 星图识别
• 4.4 本章小结
• 第5章 星图识别算法DSP 硬件系统设计
• 5.1 星敏感器总体硬件结构
• 5.1.1 图像采集及预处理电路
• 5.1.2 星图识别及姿态计算电路硬件结构
• 5.2 电路系统设计
• 5.3 TMS320C6000 系列 DSP
• 5.4 XilinxXC9500 系列CPLD
• 5.5 外扩存储器
• 5.6 串行接口
• 5.7 复位电路
• 5.8 电路JATG 接口
• 5.9 电源供电模块
• 5.10 功能实现
• 5.11 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 硬件系统PCB
• 附录2 电路原理图
• 致谢