空间望远镜精细导星解算及光闭环半物理仿真验证
发布时间：2021-05-15 17:08
空间天文望远镜作为研究宇宙起源、恒星演化和暗物质等前沿物理学问题的重要实验观测设备,需要对目标保持长时间凝视来获得高质量的天文观测结果。因望远镜的工作环境复杂,视轴稳定度会受到内外部多种扰动因素的影响,故设计专门的精密稳像系统来保持望远镜的视轴稳定。精密稳像系统的视轴扰动检测原理是在望远镜的边缘视场配置精细导星仪（Fine Guidance Sensor,FGS）单独对恒星进行成像,利用短时间内恒星天球位置不变的原理,通过不同帧之间提取的星点位置偏差来解算出视轴的相对姿态变化。同时长焦距的主光学系统使精细导星仪具有超高角分辨率的优势,能通过星图识别解算出望远镜视轴指向的高精度绝对姿态。本文以此为背景,主要研究精细导星仪星点提取、视轴相对姿态解算及星图识别等关键技术,并搭建实验验证系统对算法进行验证,具体的研究工作如下:（1）在调研了国外空间天文望远镜精稳像系统的基础上,根据制定的研究目标和研究内容,分析了精细导星仪的相关性能参数和关键技术,提出了导星检测解算系统的基本功能组成,研究了系统误差和噪声对精细导星仪星点提取精度的影响,并对精细导星仪姿态测量的极限精度进行了估计。（2）针对在动...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号说明表
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 空间天文望远镜稳像技术研究现状
1.2.1 空间望远镜稳像相关基础概念
1.2.2 哈勃空间天文望远镜
1.2.3 詹姆斯韦伯空间天文望远镜
1.2.4 欧几里得空间天文望远镜
1.2.5 SOLAR-B卫星
1.3 空间望远镜精细导星解算技术研究现状
1.3.1 空间望远镜常用姿态传感器介绍
1.3.2 星点质心细分定位算法研究现状
1.3.3 星图识别算法研究现状
1.4 论文主要内容与章节安排
1.4.1 论文主要内容
1.4.2 论文各章安排
第2章 精密稳像导星检测系统总体方案及精度分析
2.1 精密稳像系统的结构组成
2.2 星点质心定位精度分析
2.2.1 星斑能量分布
2.2.2 质心细分定位算法
2.2.3 质心定位的系统误差分析
2.2.4 探测器噪声对质心定位精度的影响分析
2.3 精细导星仪姿态测量精度分析
2.3.1 姿态测量误差分析
2.3.2 姿态测量极限精度分析
2.4 本章小结
第3章 精细导星系统高精度检测解算技术研究
3.1 引言
3.2 星图滤波预处理技术
3.3 动态星斑质心定位优化算法
3.3.1 动态星斑模型
3.3.2 退化星斑复原与质心定位
3.4 基于梯度提升决策树的系统误差校正方法
3.4.1 基于统计学习的系统误差校正原理
3.4.2 GBDT数学模型
3.4.3 系统误差校正仿真结果和分析
3.5 空间望远镜视轴相对姿态解算
3.5.1 快摆镜坐标与导星相机的坐标系建立
3.5.2 快摆镜姿态角与视轴相对姿态角的解算分析
3.6 本章小结
第4章 空间望远镜精细导星星图识别算法研究
4.1 引言
4.2 姿态解算常用坐标系定义
4.3 导航星库构建
4.3.1 星探测能力
4.3.2 星探测率
4.3.3 星表划分和粗筛选
4.3.4 星表优化筛选
4.3.5 星图仿真
4.4 基于Smith–Waterman局部特征比对的星图识别算法
4.4.1 传统星图识别算法介绍
4.4.2 星模式特征构建
4.4.3 星模式特征匹配
4.5 星图识别仿真分析
4.6 本章小结
第5章 精细导星系统半物理仿真实验验证
5.1 引言
5.2 实验平台组成
5.2.1 精细导星模块
5.2.2 星点模拟器
5.2.3 模拟扰动源
5.2.4 稳像光闭环补偿机构
5.3 星点提取定位精度测量实验
5.3.1 星点质心定位系统误差校正
5.3.2 动态质心定位精度
5.4 精密稳像系统光闭环半物理仿真实验
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种空间相机热控调焦机构的设计与分析[J]. 李泽坤,吕群波,李伟艳. 光子学报. 2018(04)
[2]一种基于姿态关联帧的星敏感器标定方法[J]. 刘宇,戴东凯,马丽衡,伏思华,王省书. 光学学报. 2017(11)
[3]基于各向异性高斯曲面拟合的星点质心提取算法[J]. 王敏,赵金宇,陈涛. 光学学报. 2017(05)
[4]自适应加权质心算法在高精度星点定位中的应用[J]. 刘南南,徐抒岩,曹小涛,王栋. 光学学报. 2016(08)
[5]空间大口径望远镜稳像系统发展现状及趋势[J]. 曹小涛,孙天宇,赵运隆,王栋,郭权锋. 中国光学. 2014(05)
[6]基于多视场星敏感器的三角形星图识别方法[J]. 熊雪,王庆. 计算机测量与控制. 2014(01)
[7]车载大口径刚性支撑式快速反射镜[J]. 徐新行,高云国,杨洪波,王兵,韩旭东. 光学精密工程. 2014(01)
[8]光电稳瞄二级稳定系统性能分析及测试[J]. 胥青青,纪明,雷霏霖,徐飞飞,谭名栋,李红光. 应用光学. 2014(01)
[9]改进金字塔算法用于小视场星图识别[J]. 李辉,王安国,张磊. 应用光学. 2013(02)
[10]月基望远镜探测能力的地面标定[J]. 徐亮,赵建科,薛勋,刘峰,胡丹丹. 光学精密工程. 2012(05)
博士论文
[1]空间天文望远镜精细导星高速处理技术研究[D]. 郑天宇.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2018
[2]12mag精细导星星库构建及解算方法研究[D]. 赵玥皎.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[3]基于特征提取与匹配的车载电子稳像方法研究[D]. 熊晶莹.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[4]基于星敏感器的星点提取与星图识别方法研究[D]. 罗丽燕.西安电子科技大学 2015
[5]空间望远镜精密稳像控制关键技术研究[D]. 史少龙.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[6]航空光电稳定平台扰动抑制技术的研究[D]. 李贤涛.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[7]高精度导星测量系统细分定位技术研究[D]. 刘南南.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[8]卫星热辐射特性及其空间辐照环境效应研究[D]. 马伟.南京理工大学 2011
[9]高精度星敏感器星点提取与星图识别研究[D]. 贾辉.国防科学技术大学 2010
[10]CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究[D]. 刘智.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
硕士论文
[1]光电检测电路的噪声分析与处理[D]. 韩勇.哈尔滨工程大学 2011
[2]基于快速反射镜的光束指向稳定技术[D]. 邓耀初.西安电子科技大学 2008
本文编号：3188021
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号说明表
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 空间天文望远镜稳像技术研究现状
1.2.1 空间望远镜稳像相关基础概念
1.2.2 哈勃空间天文望远镜
1.2.3 詹姆斯韦伯空间天文望远镜
1.2.4 欧几里得空间天文望远镜
1.2.5 SOLAR-B卫星
1.3 空间望远镜精细导星解算技术研究现状
1.3.1 空间望远镜常用姿态传感器介绍
1.3.2 星点质心细分定位算法研究现状
1.3.3 星图识别算法研究现状
1.4 论文主要内容与章节安排
1.4.1 论文主要内容
1.4.2 论文各章安排
第2章 精密稳像导星检测系统总体方案及精度分析
2.1 精密稳像系统的结构组成
2.2 星点质心定位精度分析
2.2.1 星斑能量分布
2.2.2 质心细分定位算法
2.2.3 质心定位的系统误差分析
2.2.4 探测器噪声对质心定位精度的影响分析
2.3 精细导星仪姿态测量精度分析
2.3.1 姿态测量误差分析
2.3.2 姿态测量极限精度分析
2.4 本章小结
第3章 精细导星系统高精度检测解算技术研究
3.1 引言
3.2 星图滤波预处理技术
3.3 动态星斑质心定位优化算法
3.3.1 动态星斑模型
3.3.2 退化星斑复原与质心定位
3.4 基于梯度提升决策树的系统误差校正方法
3.4.1 基于统计学习的系统误差校正原理
3.4.2 GBDT数学模型
3.4.3 系统误差校正仿真结果和分析
3.5 空间望远镜视轴相对姿态解算
3.5.1 快摆镜坐标与导星相机的坐标系建立
3.5.2 快摆镜姿态角与视轴相对姿态角的解算分析
3.6 本章小结
第4章 空间望远镜精细导星星图识别算法研究
4.1 引言
4.2 姿态解算常用坐标系定义
4.3 导航星库构建
4.3.1 星探测能力
4.3.2 星探测率
4.3.3 星表划分和粗筛选
4.3.4 星表优化筛选
4.3.5 星图仿真
4.4 基于Smith–Waterman局部特征比对的星图识别算法
4.4.1 传统星图识别算法介绍
4.4.2 星模式特征构建
4.4.3 星模式特征匹配
4.5 星图识别仿真分析
4.6 本章小结
第5章 精细导星系统半物理仿真实验验证
5.1 引言
5.2 实验平台组成
5.2.1 精细导星模块
5.2.2 星点模拟器
5.2.3 模拟扰动源
5.2.4 稳像光闭环补偿机构
5.3 星点提取定位精度测量实验
5.3.1 星点质心定位系统误差校正
5.3.2 动态质心定位精度
5.4 精密稳像系统光闭环半物理仿真实验
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种空间相机热控调焦机构的设计与分析[J]. 李泽坤,吕群波,李伟艳. 光子学报. 2018(04)
[2]一种基于姿态关联帧的星敏感器标定方法[J]. 刘宇,戴东凯,马丽衡,伏思华,王省书. 光学学报. 2017(11)
[3]基于各向异性高斯曲面拟合的星点质心提取算法[J]. 王敏,赵金宇,陈涛. 光学学报. 2017(05)
[4]自适应加权质心算法在高精度星点定位中的应用[J]. 刘南南,徐抒岩,曹小涛,王栋. 光学学报. 2016(08)
[5]空间大口径望远镜稳像系统发展现状及趋势[J]. 曹小涛,孙天宇,赵运隆,王栋,郭权锋. 中国光学. 2014(05)
[6]基于多视场星敏感器的三角形星图识别方法[J]. 熊雪,王庆. 计算机测量与控制. 2014(01)
[7]车载大口径刚性支撑式快速反射镜[J]. 徐新行,高云国,杨洪波,王兵,韩旭东. 光学精密工程. 2014(01)
[8]光电稳瞄二级稳定系统性能分析及测试[J]. 胥青青,纪明,雷霏霖,徐飞飞,谭名栋,李红光. 应用光学. 2014(01)
[9]改进金字塔算法用于小视场星图识别[J]. 李辉,王安国,张磊. 应用光学. 2013(02)
[10]月基望远镜探测能力的地面标定[J]. 徐亮,赵建科,薛勋,刘峰,胡丹丹. 光学精密工程. 2012(05)
博士论文
[1]空间天文望远镜精细导星高速处理技术研究[D]. 郑天宇.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2018
[2]12mag精细导星星库构建及解算方法研究[D]. 赵玥皎.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[3]基于特征提取与匹配的车载电子稳像方法研究[D]. 熊晶莹.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[4]基于星敏感器的星点提取与星图识别方法研究[D]. 罗丽燕.西安电子科技大学 2015
[5]空间望远镜精密稳像控制关键技术研究[D]. 史少龙.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[6]航空光电稳定平台扰动抑制技术的研究[D]. 李贤涛.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[7]高精度导星测量系统细分定位技术研究[D]. 刘南南.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[8]卫星热辐射特性及其空间辐照环境效应研究[D]. 马伟.南京理工大学 2011
[9]高精度星敏感器星点提取与星图识别研究[D]. 贾辉.国防科学技术大学 2010
[10]CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究[D]. 刘智.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
硕士论文
[1]光电检测电路的噪声分析与处理[D]. 韩勇.哈尔滨工程大学 2011
[2]基于快速反射镜的光束指向稳定技术[D]. 邓耀初.西安电子科技大学 2008
本文编号：3188021
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