微小型化星敏感器的关键技术研究及应用

发布时间：2017-08-25 20:12

  本文关键词：微小型化星敏感器的关键技术研究及应用

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【摘要】：星敏感器是航天飞行器中一个非常重要的姿态测量及控制方面的传感系统。由于使用CCD作为传感器的星敏感器技术仍旧存在着一些问题有待解决,于是使得以APS(active pixel sensor有源像元传感器)作为能够代替CCD传感器的星敏感器技术,成为了很长时间以来最新的研究热点。APS星敏感器具有集成度高、硬件电路简单等优点。对于星敏感器来说,正是基于这些特点让其十分有利于空间应用及研究。近些年来,随着微小型卫星的不断发展,使得星敏感器的需求也呈现出了微小型化的趋势。本文在满足微小型化及其性能指标的前提下,全部使用国产化的芯片,最大限度保障星敏感器的国产化研制。论文主要以研制一台国产化微小型化星敏感器作为切入点,研究其参数的设计、系统的构建、使用性能等关键技术问题,最后进行拍摄仿真。本文主要进行了以下研究工作:1.根据某国产CMOS APS传感器芯片及CPU芯片进行星敏感器微小型化设计,确定了光学系统的参数,完成硬件系统的搭配。2.对APS图像传感器的原理进行分析,完成星敏感器质心定位,星图匹配,姿态解算等软件算法。3.在现有星敏感器软件算法的基础上,进行降噪算法设计。对软件功能进行完善,设计人机通信上位机软件并仿真。4.研制一套星敏感器系统并进行测试。
【关键词】：星敏感器 APS 国产化 微小型化
【学位授予单位】：中国航天科技集团公司第一研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.22;TP212
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 1 绪论7-13
• 1.1 星敏感器简介7-9
• 1.2 星敏感器技术的发展9-11
• 1.3 CMOS APS星敏感器11-12
• 1.4 论文主要内容12-13
• 2 星敏感器原理13-19
• 2.1 星敏感器基本组成及工作原理13-14
• 2.2 星光导航基础14-18
• 2.2.1 天球坐标系14
• 2.2.2 星敏感器中的坐标系14
• 2.2.3 坐标系之间的转换关系14-15
• 2.2.4 常用星表15-17
• 2.2.5 星等与光谱17-18
• 2.3 本章小结18-19
• 3 APS星敏感器光学系统方案19-29
• 3.1 图像传感器参数19
• 3.2 光学系统参数确定19-28
• 3.2.1 光学系统的主要参数19-23
• 3.2.2 中心波长和光谱响应曲线23
• 3.2.3 视场角的确定23-24
• 3.2.4 焦距的确定24
• 3.2.5 弥散斑尺寸的确定24
• 3.2.6 相对孔径的确定24-25
• 3.2.7 光学系统设计25-28
• 3.3 本章小结28-29
• 4 APS星敏感器硬件方案29-40
• 4.1 硬件系统总体设计29-31
• 4.2 CMOS APS传感器31-35
• 4.2.1 CMOS APS传感器分析31-33
• 4.2.2 APS器件噪声分析33-35
• 4.3 FPGA时序驱动模块35-37
• 4.4 信号处理方案37-38
• 4.5 硬件原理图38-39
• 4.6 本章小结39-40
• 5 APS星敏感器软件方案40-54
• 5.1 建立导航星库40-42
• 5.2 星图预处理42-48
• 5.2.1 阈值法背景分离42-43
• 5.2.2 平均值去噪43-47
• 5.2.3 改进型质心法47-48
• 5.3 星图匹配48-50
• 5.4 姿态解算50-53
• 5.4.1 四元数表示姿态的算法50-51
• 5.4.2 Quest方法51-52
• 5.4.3 欧拉角表示姿态的算法52-53
• 5.5 本章小结53-54
• 6 实验及仿真54-68
• 6.1 上位机设计54-60
• 6.1.1 嵌入式软件工作流程54-55
• 6.1.2 上位机设计原理概述55
• 6.1.3 上位机设计界面55-56
• 6.1.4 上位机功能介绍56-57
• 6.1.5 算法验证57-60
• 6.2 整机拍摄测试实验60-67
• 6.3 后续实验仿真67
• 6.4 本章小结67-68
• 7 总结及展望68-69
• 总结68
• 总结成果及不足68-69
• 参考文献69-71
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况71-72
• 致谢72-74

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本文编号：738060