● 摘要
星敏感器是以恒星系为参考基准的高精度姿态敏感器，已在各类航天器中得到了广泛的应用。相比于传统的单视场星敏感器，多视场星敏感器改善了自主性和可靠性，提高了姿态测量精度和动态性能，是未来星敏感器发展的重要趋势之一。
本课题在863项目“多视场星敏感器技术研究”的支持下，围绕多视场星敏感器技术展开分析研究，主要内容包括：多视场星敏感器数学模型与参数分析；多视场星敏感器系统设计；多视场星敏感器信息处理技术；多视场星敏感器结构参数校准；多视场星敏感器性能测试。
(1) 多视场星敏感器数学模型与参数分析。首先介绍了多视场星敏感器的总体结构；其次建立了多视场星敏感器的数学模型；然后推导了多视场星敏感器测量精度的数学表示，分析了影响精度的因素，并通过仿真讨论了多视场星敏感器视场大小和布局对各因素和精度的影响。在此基础上，根据星敏感器在航天器上的安装位置和轨道参数，综合考虑遮挡以及杂光干扰等多种因素选择最优的视场大小和布局方案。
(2) 多视场星敏感器系统设计。分别进行了多视场星敏感器光学镜头及遮光罩设计、成像及信息处理电路设计和整机结构设计，形成多视场星敏感器地面工程样机。同时描述了多视场星敏感器的软件设计，包括工作模式及工作时序。
(3) 多视场星敏感器信息处理技术。首先提出了一种将导航星视星等转化为仪器星等的方法以及一种天区划分的方法，从而得到星图识别所需的导航星库。在此基础上，提出一种迭代的星图识别方法和基于kalman滤波的姿态跟踪算法。其中，迭代的星图识别方法适用于全天识别模式或者局部天区识别模式，确立了各视场相对于天球坐标系的姿态。基于kalman滤波的姿态跟踪算法适用于跟踪模式，通过对星点位置进行预测和识别，实现了稳定快速的跟踪以及高精度的姿态和角速度估计。
(4) 多视场星敏感器结构参数校准。首先，理论推导了由各个视场相对于天球坐标系的姿态直接计算结构参数的误差表达，并且仿真分析了结构参数误差对最终姿态计算精度的影响。然后提出了两种结构参数校准方法，一种是基于最大似然估计的批处理方法，一种是基于kalman滤波的序列校准方法，并对这两种算法进行了仿真和比较。
(5) 多视场星敏感器性能测试。首先利用单星模拟器和高精度转台完成了多视场星敏感器各视场光学系统参数(内参数)的校准，并对单星测量精度进行评价。然后，利用星空模拟器和数据处理计算机组成半实物仿真系统，测量多视场星敏感器星图识别算法的识别时间和数据更新率。最后，通过外场观星实验，对多视场星敏感器结构参数进行了校准。
本课题的研究内容为各类航天器高动态、高数据更新率及高精度的自主姿态测量提供重要的理论基础和技术储备，对于推动星敏感器技术进步具有重要的意义。