星敏感器姿态测量算法的仿真

星敏感器姿态测量算法的仿真（精选10篇）

篇1：星敏感器姿态测量算法的仿真

星敏感器测量模型及其在卫星姿态确定系统中的应用

星敏感器是卫星高精度姿态测量的重要部件,如何正确建立其测量误差模型是影响姿态确定精度的关键因素.本文推导出星敏感器三轴姿态测量误差的方差计算公式,对测量误差的性质进行研究,揭示了在星敏感器三轴测量中,光轴测量精度劣于根据另两轴测量所确定的`光轴指向精度.在此基础上提出了新的星敏感器测量模型,给出改进的姿态滤波器观测方程,减小了观测误差,由此可以进一步提高姿态确定的精度.本文方法不仅适用于通常使用的双星敏感器姿态确定系统,也可独立地应用于只带单个星敏感器的姿态确定系统.

作 者：刘一武 陈义庆 作者单位：北京控制工程研究所,北京市2729信箱20分箱,北京,100080刊 名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS年，卷(期)：24(2)分类号：V448关键词：星敏感器 姿态测量 姿态确定

篇2：星敏感器姿态测量算法的仿真

仅用星敏感器的卫星姿态估计UKF算法研究

针对无陀螺或陀螺失效等情况下的卫星姿态确定问题,应用基于Unscented变换的.Unscented滤波理论,提出了仅利用星敏感器矢量观测信息来确定无陀螺卫星姿态的Unscented卡尔曼滤波算法,并进行了数学仿真,仿真结果表明了所提出的UKF算法在无陀螺情况下对卫星姿态估计的有效性和可靠性.

作 者：孙兆伟 李晖 张世杰 SUN Zhao-wei LI Hui ZHANG Shi-jie 作者单位：哈尔滨工业大学,卫星技术研究所,黑龙江,哈尔滨,150080刊 名：飞行力学 ISTIC PKU英文刊名：FLIGHT DYNAMICS年，卷(期)：200624(3)分类号：V448.22关键词：姿态估计 Unscented卡尔曼滤波器 星敏感器

篇3：星敏感器姿态测量算法的仿真

关键词：星敏感器,温度测量,I2C,FPGA,AD7416

星敏感器是一种高精度的航天器姿态测量仪器,通过探测天球上不同位置的恒星并进行解运算,来确定航天器的姿态,其工作的可靠性对航天器姿态的测量和控制起着重要作用。空间环境温度和太阳光热效应的变化对星敏感器的光学系统成像质量有很大影响,会造成恒星成像光斑偏移和成像光斑能量分布变化[1];光学系统中的CCD组件对星敏感器探测精度影响比较大,光电子的热运动会导致暗电流噪声,且暗电流噪声对温度非常敏感,温度每升高15℃,噪声会增加一个量级[2];此外会造成镜筒的热变形,从而导致透镜几何位置偏离原来固定的安装位置,透镜的曲率和折射率也会随着温度的变化而变化[3]。因此,星敏感器环境温度的测量和控制对提高星敏感器的测量起着重要作用。有研究人员提出用热敏电阻加模数转换器对CCD温度进行测量[2],但热敏电阻感温时间长,不适合温度的实时测量。本文利用ADI公司推出的10位高精度数字温度传感器AD7416,与可编程逻辑器件FPGA构成了星敏感器的温度测量控制系统,再通过芯片内部的10位模数转换器将采集到的温度值转换为数字量,通过FPGA内部的判断逻辑,对星敏感器的温度进行调节。AD7416高精度测量和FPGA对数据的高速并行处理满足系统温度快速测量和控制的要求。

1 系统硬件方案设计

由于星敏感器的光学系统对温度的变化非常敏感,因此,选择高精度温度传感器对星敏感器的成像质量和工作稳定性具有重要意义。本系统中所使用的CCD工作在-200℃~0℃范围内时,星敏感器测量误差最小,对温度传感器的感温时间要求较高,本文选用AD7416温度传感器作为CCD温度测量器件。AD7416[4]是一款多功能温度传感器,内部采用10位逐次逼近型模数转换器,典型的温度转换时间为400μs,分辨率可达0.25℃,测量范围为-40℃~+125℃,最低功耗可达1.2μW,采用I2C总线进行数据传输,并且具有过温保护和采样防错机制。由于AD7416内部采用I2C总线接口,使得它很容易和其他器件组成温度测量系统。目前基于AD7416的温度测量系统大多数采用的是单片机作为主控制器[5,6],其结构简单,容易编程,在工业控制领域得到了广泛应用。由于单片机资源有限,外部可用的I/O接口有限,工作稳定性不好,程序编写依靠具体的器件,不具有可移植性。为了满足系统实时性要求,能在复杂环境下稳定工作,本系统采用资源更为丰富、可靠性更高的FPGA作为AD7416的主控制器。Xilinx公司Spartan-3系列的FPGA器件XC3S400具有丰富的内部逻辑资源和外部接口资源,最大I/O数可达264,内部的RAM块为288 KB,广泛应用于控制领域。利用FPGA作为主控制器,AD7416作为从设备,构成了星敏感器的温度测量控制系统,AD7416和FPGA之间采用的是I2C通信协议,当温度高于0℃时,启动制冷系统对星敏感器制冷,使其工作在0℃以下。为了验证程序的正确性,通过RS232接口将采集到的温度值传送给计算机,并通过上位机软件来观察采集到的温度值和当前制冷器的工作状态。系统的组成和测试框图如图1所示。

采用Verilog HDL设计AD7416的控制程序。由于Verilog HDL是IEEE的标准,能应用于各种型号的FPGA和CPLD,因此,程序具有可移植性,且FPGA的执行效率更高,程序运行稳定性更好,满足星敏感器实时温控的要求。

2 系统功能模块及时序设计

2.1 硬件功能模块设计

图2是系统具体的硬件连接图,由外部50 MHz晶振作为系统输入时钟,FPGA与AD7416之间采用I2C通信,AD7416将温度转换为数字量后通过SDA数据线串行传送到FPGA内部缓存器中,FPGA将采集到的温度值转换为并行数据,输出给显示设备或作为其他控制逻辑的输入;FLAG是星敏感器制冷控制信号。

AD7416采用串行总线进行数据传输,时钟周期最小为25μs,即时钟频率最高为400 k Hz,在FPGA内需要对输入50 MHz的晶振进行分频,本系统中采用125 k Hz时钟对AD7416进行读写操作,读写的时序符合I2C时序要求;温度传感器输出的数据是串行输出的,而且是高10位有效,低6位无效,FPGA需要将串行数据转换为并行数据输出,同时根据温度值来输出制冷器的控制信号,FPGA功能模块设计如图3所示。

2.2 系统控制程序设计

温度传感器AD7416采用I2C总线接口。I2C总线是PHILIPS公司推出的一种串行总线,是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线,其传输速率在标准模式下可达100 kb/s,在快速模式下可达400 kb/s,在高速模式下可达3.4 Mb/s。I2C总线只有两根双向信号线:数据线SDA和时钟线SCL;I2C总线通过上拉电阻接正电源,在总线空闲时均保持高电平。当连接到总线上的任一器件输出低电平时,总线信号将被拉低。连接到I2C总线上的器件都有唯一地址,因此可以有多个器件同时连接到I2C总线上,通过不同地址片选来确定当前工作的器件。I2C协议规定SDA上的数据必须在时钟的高电平期间保持稳定,数据的变化只能发生在时钟的低电平期,因为在时钟高电平期间数据线上由高电平跳变到低电平被认为是起始信号,由低电平跳变到高电平被认为是停止信号。主机每发送一个字节给从机,从机会产生一个响应,主机每读取一个字节,也要向从机发送一个响应。

AD7416中的I2C总线接口与标准的I2C协议略有不同,其时钟线SCL是单向传送,SDA是双向传送,数据的传送符合标准的I2C协议。AD7416串行地址的前4位是固定的,为1001,后三位串行地址由A2~A0确定,原理图中将A2~A0直接接地,因此,AD7416的串行地址为90 H。AD7416内部有4个数据寄存器,数据寄存器的地址由内部的地址寄存器指定,前5位固定为0,低两位(P1和P0)表示四个数据寄存器地址,其地址分配如表1所示。

温度寄存器是一个16位的只读寄存器,其高10位为模数转换器得到的温度值的二进制编码,低6位无效,温度值采用10位补码形式,最高位为1表示负温度,最高位为0表示正温度,分辨率为0.25℃;配置寄存器为8位读/写寄存器,用来配置AD7416的工作方式,具体配置如表2所示。

对于AD7416,配置寄存器的高三位缺省设置为000;D3~D4设置错误序列的长度,表示检测到多少个错误序列后OTI输出有效,缺省为01,表示检测到一个错误序列后OTI输出有效;D2设置OTI输出的极性;D1设置AD7416是处于比较模式(=0)还是中断模式(=1);D0设置工作方式为正常工作方式(=0,缺省设置)或低功耗方式(=1),本系统中错误序列计数器采用缺省配置,器件工作在比较模式,采用正常工作模式,因此配置寄存器的配置数据为04H。

对AD7416的读/写时序如图4所示。

从读写时序可以看出,每读或写1B需要9个时钟周期,因此采用有限状态机来设计读写控制程序。为了满足I2C时序要求,避免在时钟高电平期间数据线上的数据跳变,设计时钟时采用不同的跳变沿触发。分频后得到的时钟作为状态机的工作时钟,在其上升沿触发;AD7416的SCL时钟在分频时钟的下降沿触发,对其进行二分频得到SCL时钟信号。因此,状态机工作时钟的上升沿发生在SCL的高电平期和低电平期,而不会在SCL的跳变沿发生,通过对此时SCL的状态(低电平/高电平)的判断来改变或保持数据,避免了数据的混乱,满足I2C数据传输协议的要求。

读写控制模块和起始、停止信号均用有限状态机设计,将起始、停止和读1 B、写1 B设计成task子程序,方便在读、写操作时调用。

3 实验结果

利用示波器观察SDA和SCL上的波形,验证其是否符合I2C时序要求。图5为示波器观察到的波形图,从图中可以看出程序符合I2C协议,在SCL高电平期间,SDA从高电平跳变到低电平为起始信号,表明从下一个时钟周期开始传送数据。从图5(a)中可以看出,起始信号后,SDA传送的是AD7416串行地址90H,表示此时对AD7416进行写操作,且数据的变化发生在SCL低电平期,在SCL高电平期间数据是保持稳定的,在SCL高电平期间,SDA由低电平跳变到高电平即结束数据传送。图5(b)中SDA上传送的是串行地址91H,表示此后将读取AD7416转换的温度值,仿真结果表明程序符合I2C协议要求。

将AD7416固定在CCD传感器背面,对星敏感器进行环境实验,将所测得到的温度值通过RS232接口传送给计算机。为了实时观测CCD温度值,利用VC编写了的温控数据接收软件。实验结果表明,星敏感器工作在正常状态,其测量误差在允许范围内。

本文在研究环境温度对星敏感器测量精度影响的基础上,利用高精度温度传感器AD7416与FPGA设计了星敏感器的温度测量系统,对星敏感器的环境温度进行测量和控制。对系统进行了时序仿真和硬件平台仿真。实验仿真结果表明,本系统能快速测量环境温度,使星敏感器工作在-20℃~0℃的稳定范围内,减小了环境温度对星敏感器光学系统结构和成像质量的影响,提高了星敏感器的测量精度。

参考文献

[1]刘海波,黄水花,谭吉春,等.热-光效应对星敏感器测量准确度地影响[J].光子学报,2009,38(7):1835-1839.

[2]王辰,王宏强,陈明华,等.星敏感器成像电路噪声分析及降噪处理[J].激光与红外,2008,38(7):692-696.

[3]刘海波,谭吉春,沈本剑.星敏感器光学系统的热/结构/光分析[J].宇航学报,2010,31(3):875-879.

[4]10-Bit Digital Temperature Sensor(AD7416)and Four Single-Channel ADCs(AD7417/AD7418).

[5]唐宏亮.基于AD7416多点温度测量系统的实现[J].湖北第二师范学院学报,2010,27(2):80-83.

篇4：星敏感器姿态测量算法的仿真

基于星敏感器/光纤陀螺的卫星定姿算法

为了达到卫星三轴姿态确定的精度要求,以某一对地定向的小卫星为研究对象,提出了基于滤波算法的星敏感器和光纤陀螺组合定姿的方案.采用四元数的方法建立卫星姿态确定模型,并采用扩展卡尔曼滤波,对得到的卫星姿态误差和陀螺漂移误差信息进行信息融合和相应的.修正.仿真结果表明,即使采用中等精度的陀螺组件,也可以实现高精度定姿;并且验证了星敏感器的测量噪声和滤波周期等因素对定姿精度的影响.

作 者：杨锋 周宗锡 刘曙光 YANG Feng ZHOU Zong-xi LIU Shu-guang 作者单位：西北工业大学,电子信息学院,陕西,西安,710072刊 名：控制工程 ISTIC PKU英文刊名：CONTROL ENGINEERING OF CHINA年，卷(期)：13(4)分类号：V448.22关键词：姿态确定 星敏感器 光纤陀螺 卡尔曼滤波

篇5：紫外星敏感器的光学系统设计

紫外星敏感器的光学系统设计

紫外星敏感器是小卫星度提高一个数量级.提出了一种新型紫外星敏感器的光学系统设计方案,在对性能指标进行分析的基础上,确定了光学系统的参数和结构尺寸.采用锥面反射镜压缩光学镜头的视场角,使所设计的`系统具有超大视场的观测能力,环形视场可达135～145,工作波段为0.25～0.28μn的真空紫外.

作 者：张爱红 左保军 范志刚 张武祖 作者单位：哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨,150001刊 名：哈尔滨工业大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY年，卷(期)：34(3)分类号：V474关键词：紫外辐射 星敏感器 光学系统

篇6：一种星敏感器中快速星跟踪方法

一种星敏感器中快速星跟踪方法

提出了一种快速星跟踪算法.在跟踪算法的.三个耗时环节,分别采用了分区星表,阈值映射,先排序后匹配识别这三种方法,以提高跟踪过程的快速性.其中分区星表法将整个天区分成了若干个子天区;阈值映射法,设置被跟踪星体的数量阈值,减少映射次数;先排序后匹配识别法,减少了那些距离较大的无谓的星体间的匹配识别.对星跟踪算法进行软硬件仿真测试,在软件仿真测试中,测试了跟踪算法的正确性和成功率.在硬件仿真测试中,测试了跟踪算法在一个跟踪过程中每步的跟踪速度及影响跟踪速度的主要因素.

作 者：江洁 李霄 张广军 魏新国 JIANG Jie LI Xiao ZHANG Guang-jun WEI Xin-guo 作者单位：北京航空航天大学,仪器与光电工程学院,北京,100083刊 名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS年，卷(期)：27(5)分类号：V448.22关键词：星敏感器 星跟踪 匹配识别 跟踪算法

篇7：适用于星敏感器的星体识别研究

适用于星敏感器的星体识别研究

介绍了星敏感器的基本工作原理,分析了星图的`特点,进行了噪声的预处理.在星体识别过程中对传统算法进行了改进,提出了一种适合星图的二值图象标记算法,对星体进行了有效识别.并用实拍的星图进行了实验仿真,取得了较为满意的结果.

作 者：姚大雷 汶德胜 YAO Dalei WEN Desheng 作者单位：中国科学院 西安光学精密机械研究所,西安,710068刊 名：长春理工大学学报(自然科学版) ISTIC英文刊名：JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：31(1)分类号：V448.22关键词：星敏感器 星图 噪声 星体识别

篇8：星敏感器姿态测量算法的仿真

星敏感器主要包含三个性能，分别为光学敏感、光学检测以及光信号处理。这些都离不开光敏感元件。图4-2为典型星敏感器的相关构造示意图：

图2.4星敏感器典型构造图

光学镜头系统以及遮光罩是构成光学单元的两个主要部分。光学镜头系统成像是经过把星光汇集到检测组分的核心器件CCD成像平面中开展，最终取得图像的电信号。遮光罩性能是用来降低来自地球以及太阳等天体的杂散光对于光学镜头成像方面的影响，通常安装在光学镜头的前面。想要取得星图，必须先利用检测单元把观测瞬时星敏感器视场对应的天区电信号变换成灰度信号，再把灰度信号变换成星图。再通过星敏感器的处理模块对于星图展开处理，实现星提取以及星图识和姿态明确等过程，通过这个过程我们能够得到星敏感器中惯性坐标系的姿态信息[3]。

篇9：星敏感器姿态测量算法的仿真

星敏感器中星图图像的星体细分定位方法研究

摘要：介绍了星敏感器的基本工作原理和星图图像的`预处理的主要方法,将传统质心法、带阈值的质心法、平方加权质心法和高斯曲面拟合法应用于星敏感器中星图图像的星体细分定位,并进行了较为系统的仿真研究.仿真结果表明,带阈值的质心法是一种较为理想的星体细分定位方法.就噪声水平、阈值选择及低通滤波对细分定位精度的影响进行了仿真研究.最后,利用仿真结果对模拟星图图像的星体进行了细分定位实验,取得了较为满意的结果. 作者： 魏新国张广军江洁 Author： 作者单位： 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京,100083 期 刊： 北京航空航天大学学报 ISTICEIPKU Journal： JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS 年，卷(期)： ,29(9) 分类号： V448.22 关键词： 星图 定位 阈值 星敏感器 机标分类号： O43 F83 机标关键词： 星敏感器图像细分定位方法研究star sensor质心法仿真研究仿真结果阈值选择体细分曲面拟合法主要方法噪声水平平方加权工作原理定位实验定位精度定位方法低通滤波预处理 基金项目：

篇10：星敏感器姿态测量算法的仿真

依据光学零件的`强度极限,计算了星敏感器镜头中透镜组在高低温工况下轴向和径向,以及弯曲应力,其结果对结构设计有重要参考意义,并对实际工程应用措施进行了总结.

作 者：初昶波 王虎 李燕 苗兴华 CHU Chang-bo WANG Hu LI Yan MIAO Xing-hua 作者单位：初昶波,CHU Chang-bo(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710068;中国科学院研究生院,北京,100039)

王虎,李燕,苗兴华,WANG Hu,LI Yan,MIAO Xing-hua(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710068)