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题目:多视场复合光学敏感器系统设计与标定方法研究

关键词:多视场复合光学敏感器,仿真分析,光学系统设计,硬件设计,标定

  摘要


载人航天和深空探测技术的发展对航天器自主导航能力的要求愈加迫切。天文导航是利用光学敏感器测得的天体信息进行载体位姿计算的一种自主导航方法,在航空、航天和航海领域得到广泛应用。现有自主天文导航系统通常利用多个光学敏感器组合的形式工作,造成了功能和资源的冗余,通过将这些基于同一光学成像原理的光学敏感器进行复合,能够显著减小系统的体积、重量和功耗,有利于导航系统的轻小型化。

多视场复合光学敏感器通过采用多面反射镜在单一光学敏感器上虚拟出多个视场,可以分别对恒星和近天体目标成像,在单一平台上同时实现了传统星敏感器,地球敏感器和月球敏感器的功能,达到了‘一敏多用’。本文首先分析了多视场复合光学敏感器的结构和工作原理,建立了多视场复合光学敏感器的测量模型,利用Matlab进行了仿真,并进行了误差分析。结果表明多视场复合光学敏感器能够显著改善滚转轴的测量精度,实现三轴姿态的的等精度输出。利用Zemax对星点成像情况进行了仿真,对质心补偿进行了讨论。

在仿真的基础上完成了多视场复合光学敏感器的硬件系统设计,样机主要分为光学系统、CMOS成像电路、驱动及预处理电路、数据处理电路以及机械结构。通过对多视场复合光学敏感器测量模型的仿真和对其功能要求的分析,完成了平面四棱镜、光学镜头以及配合参数的设计。选用高灵敏度、高帧频的CMV4000作为成像器件,设计了CMOS成像板。根据系统成像及预处理的要求完成了驱动与预处理电路各模块的设计。完成了样机机械结构的设计。最后,对样机进行了调试和拍摄实验。

多视场复合光学敏感器可以认为是成像面复用的多视场星敏感器,但由于其结构和参数比较复杂,传统的星敏感器标定方法无法满足其标定要求。本文提出一种基于三轴转台的两步标定方法,建立了复合光学敏感器的全局测量模型,对单敏感器和复合光学敏感器整机分别进行标定,利用Levenberg-Marquardt最小二乘法拟合出系统各项参数的最佳估计值。通过仿真分析表明此方法能够满足多视场复合光学敏感器的标定要求。