高精度导星测量系统细分定位技术研究

发布时间：2019-11-06 21:40

【摘要】：高精度导星测量系统是大口径空间天文望远镜稳像控制系统的重要组成部分，是最精密的角位置测量元件。它利用光学系统超长的焦距极其相关算法获得惯性角位置偏移信息，以图像的方式为精级稳像控制系统提供反馈信息。天文望远镜光学系统焦距确定的情况下，星点细分定位精度直接决定了导星测量系统的惯性角位置测量精度。本文以此为研究背景，主要研究适用于导星测量系统的细分定位技术，从软件算法的角度提高测量精度，实现精级稳像控制系统的闭环控制。提出了基于最小二乘支持向量机的系统误差校正算法，解决了CMOS探测器填充因子低，感光区形状影响细分定位精度的问题。分析研究统计学习理论，详细介绍最小二乘支持向量机回归数学模型，以此为理论基础建立星点定位系统误差校正的模型，利用蒙特卡罗数值仿真的方法，用带有高斯径向基函数核的最小二乘支持向量机进行回归分析，得到系统误差与星点质心的理想位置和感光区形状大小的非线性函数关系，并用此函数关系对质心估计值进行后校正。提出了基于自适应Kalman滤波的亚像元细分算法，解决了高动态条件下的导星跟踪问题并发挥CMOS探测器可任意开窗的特点。研究了Kalman滤波原理，提出了采用预测开窗和Kalman滤波相结合的星点定位方法。预测开窗方法利用陀螺输出的惯导信息得到星点的粗位置，星点的量测位置由星点预测位置较小的窗口范围内确定，用Kalman滤波器对粗位置滤波，输出高精度的星点位置。由于星点量测位置在小窗口内计算，提出的算法运算速度快，同时Kalman滤波器能有效的抑制随机噪声，也特别适合于导星测量系统这种高星等低信噪比星点图像，能提供高精度的星点位置信息。提出了迭代加权质心算法，解决了高星等低信噪比图像的细分定位及像移和像差使光斑椭圆化的问题。运用统计信号处理理论首先对光斑信号建模，推导出光斑中心的最大似然估计公式，由于最大似然估计是一个性能良好的无偏估计子，它构成了的理论基础；给出了采用迭代加权质心法的计算流程，用统计信号处理理论中Cramer-Rao下限推导出当迭代次数无穷大时，星点定位的极限精度。迭代加权质心法在算法收敛时，本质上是用一个高斯权函数对光强加权，增加了图像的信噪比，而且在两个方向可用不同的高斯宽度，适用于椭圆光斑，，通过数值仿真实验验证了提出的算法具有良好的性能。搭建了导星测量地面实验系统，对提出的算法进行验证。介绍实验系统的组成和工作原理；对实验中相关器件的参数进行分析；分别通过系统误差补偿实验、静态精度测量实验和动态精度测量实验对提出的算法进行实验验证，取得了预期的实验效果。实验结果表明，在导星测量系统工作条件下，提出的算法的测量精度相比于传统的细分定位算法有很大提高。研究成果对我国空间天文望远镜高精度导星测量系统的研制具有一定的借鉴意义。
【图文】：

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细分定位方法。本文结合某一国家重大航天项目，对应用于高精度的亚像元细分定位技术进行深入的研究。研究成果对我国空间天文导星测量系统的研制具有一定的借鉴意义。导星测量系统研究现状勃(HST)天文望远镜发射的众多空间天文望远镜中，最具影响力的无疑是哈勃天文望le Space Telescope，HST）。哈勃天文望远镜（如图 1.1）于 1990 年今仍在运行，轨道高度约为 600km。其主镜口径为 2.4m，望远镜，重 11.6t，造价约 30 亿美元。主要用于紫外及可见光波段观测，外波段。迄今为止，HST 已经拍摄了 50 多万张照片（如图 1.2），的科学产出最多的科学设备之一。哈勃空间望远镜在测定宇宙年龄演化，黑洞存在的盘状结构等方面取得了极大的科学成就，彻底改宙的认识，成为空间光学天文的标志和里程碑[9][10]。

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图 1.2 哈勃天文望远镜拍摄的触须星系核心部件是 Koesters 棱镜，如图 1.4 所示。半透膜，使透射光延迟 λ/4，而反射光的相位oesters 棱镜垂直时，这样，在左右两侧两束光增管检测出的干涉光强相同；当入射光束与右两侧两束光的波面不平行，由平面波干涉a ba bI IKI I 望远镜的导星测量系统采用干涉的原理进行其光机结构复杂，质量和体积都较大。主要面阵的探测器，只能采用机械的伺服系统驱功耗和成本大幅增加。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH751

【参考文献】