基于传统光学成像系统的质心定位原理的角度测量技术一般存在测量精度的上限,约为像素的1/100。因此,要提高角度测量精度一般需要采用更长的镜头焦距和更大靶面的相机,增加了体积、重量和功耗,不利于设备的小型化,也不利于在对体积、重量和功耗有限制的平台(例如卫星和飞机等)上应用。基于计算干涉测量的远距离目标高精度角度测量技术,利用光学干涉的方法将目标光的角度变化转换为干涉条纹相位变化。因相位变化的测量精度可通过成熟的插值方法实现1/1000周期的精度,故干涉测量的角度精度相比传统光学方法大大提高。本文主要介绍基于计算干涉测量的远距离目标高精度角度测量技术的基本原理、主要特点、研究进展和存在的难点,希望通过该文引起广大同行的研究兴趣,一起推动该技术的快速发展和工程应用。

通过对质心法、曲面拟合法两类质心定位算法的优劣势进行分析,提出结合两类定位算法优势的基于三次样条拟合插值的高精度质心定位算法,并指出其实现双重定位误差抑制的原理。通过仿真实验,对比不同信噪比下传统质心法与所提算法的定位误差,发现基于三次样条拟合插值的质心定位误差均明显小于传统质心法。当信噪比为20 dB时,基于三次样条拟合插值的质心定位误差方均根误差仅为0.003 pixel。通过真实仪器测量的星点图像,再次验证了所提算法的有效性。基于三次样条拟合插值的高精度质心定位算法可有效抑制定位误差,具有较好的抗噪性,不依赖特定星点模型,适用范围较广。

惯性平台辅助的小视场星体跟踪器工作受气象条件、惯导精度、伺服测角精度等众多复杂因素的影响。为了能够量化分析各误差因素, 提高天文导航精度, 研究了星体跟踪器的星图模拟技术。根据星体跟踪器测星原理推导并建立了星图模拟的数学模型。依据该模型设计了星图模拟仿真软件, 仿真模拟了各误差因素对测星效果的影响。仿真结果验证了模型的正确性, 从而可以为星体跟踪器测星及天文导航算法设计提供理论依据。

白昼条件下,天空背景光散射强烈,星敏感器在近红外波段工作性能更优,但是由于近红外敏感器件本身特性,近红外星图存在着盐粒噪声、图像非均匀性引起的条纹噪声、背景不均匀性及背景过强等特性,导致难以实现对星图中星点进行有效的提取。为了提高星图星点提取能力,提出了一种结合逆谐波均值滤波、能量相关滤波和形态学滤波的多重滤波方法,先后解决星图盐粒噪声、条纹噪声、背景不均匀性及背景过强等问题,并且利用自适应阈值法和质心法实现近红外星图的星点提取。仿真实验结果表明:该方法能够有效地抑制噪声,改善近红外星图质量,星点提取的误差在0.5个像素以内。

星敏感器标定是基于更高精度的测量基准对光学系统内方位元素进行建模与最优化解算的过程。针对大视场星敏感器光学系统误差分布非理想轴对称的实际情况, 提出了一种采用视场网状分区域建模的内方位元素最优化解算方法。首先, 在补偿了星敏感器与标定系统初始对准误差后, 基于针孔模型计算主点和焦距; 然后, 在视场分区域建模思想的指导下, 采用多项式拟合结合双线性插值的方法修正畸变; 最后, 提出了基于测角误差的标定精度评价准则。经实验室标定与外场观星验证, x轴与y轴标定残差较全局建模法分别降低了35%和20%, 证明了该方法的有效性。

针对星敏感器在轨运行时的精度评估问题, 提出了采用历元差法、滑动窗口法和光轴夹角法综合分析的方法, 分别用于评估星敏感器测量噪声, 测量总误差, 并基于浦江一号卫星提供的星敏感器不同类型的在轨数据进行分析计算. 在轨测试结果表明: 星敏感器光轴指向精度达到15"(3σ), 满足卫星控制系统要求, 其三轴稳定度达到0.01°。 该方法可用于星敏感器在轨测量精度评估, 也可用于星敏感器地面观星精度评估.

为提高微型星敏感器的质心定位精度, 提出了一种利用外差式激光干涉装置标定图像传感器像素位置偏差的方法, 并就像素位置偏差对星点像质心定位精度的影响进行了仿真研究。在噪声忽略不计的情况下, 当像素位置偏差服从(-0.02, 0.02)上的均匀分布时, 补偿系统误差能够使星点定位精度从0.008 pixel提高到0.002 pixel。而如果加入服从N(0, 5.52)的高斯白噪声, 当像素位置偏差服从(-0.02, 0.02)上的均匀分布时, 补偿像素位置偏差能使定位精度从0.020 pixel提高到0.018 pixel; 当像素位置偏差服从(-0.04, 0.04)上的均匀分布时, 补偿像素位置偏差能使定位精度从0.026 pixel提高到0.018 pixel, 提高了31%。这说明标定像素位置偏差对提升质心定位精度有显著作用, 为发展高精度微型星敏感器提供了一种新的技术手段。