高精度星敏感器星像分布对精度的影响研究

高精度乃至甚高精度星敏感器一般要求精度在角秒量级以上，在航天器高精度指向控制任务实现中占据非常重要的地位，而星像的质心提取误差是影响其精度提高的关键因素，目前国内外学者对其研究均基于星像为理想圆对称高斯分布的假设，而实际系统星像分布为非严格高斯分布，有的系统星像是非圆形的，这种偏离将导致在高精度水平下的误差分析结果与实际不符合，甚至出现错误。本课题针对高精度星像定位问题，研究星像非圆形状和非高斯能量分布对星点提取误差的影响关系，建立非理想分布星像数学模型表达式，定量分析和推导其定位误差解析式，比较不同星像分布对于精度的影响因子，寻求离散成像最佳星像分布，并提出该状态下的测量误差补偿方法和统一公式，使得离散成像精度退化后的恢复模型更加接近实际情况，为甚高精度星敏感器的精度提高提供理论支持和新的技术解决途径，最后以数学仿真验证结果的正确性，结合必要的试验对关键结论加以验证。

项目摘要：.对于高精度星敏感器精度起决定性作用的因素是星点定位的准确性。目前对于星点定位的通常方法是质心法或其改进方法，虽然有的研究者提出了高斯曲面拟合和其它一些拟合相关的方法，这些方法理论上可以达到很高的精度，但是由于仿真模型多为对称的理想情况，或者星点位置计算处理时间较长，所以对于星上实用还有距离。本课题的主要目的是解决星敏感器中普遍存在的星点形状不规则非对称、星点分布高次拟合方法处理速度不够快、质心法精度有限、S误差的存在等各种阻碍高精度星敏感器精度提高的问题。课题围绕目的开展了全面研究，首先对于星点不对称情况和非高斯情况进行了数学建模仿真，采用目前普遍采用的质心法对不同分布的星点精度作了比对分析，掌握目前星敏感器星点定位的精度水平第一手材料。再在Meansift理论指导下发明了一种加权迭代星点定位法，从理论和数学仿真上证明了其正确性，这种方法同时具有质心法的快速性和拟合法的高精度优势，是未来星敏感器星点定位算法的一个方向。为了解决非对称非高斯的星点定位问题，发明了一种基于PSF相关的星点定位方法，与前相比较这种方法定位更加精确，而且可以在实验室专用设备上测量亚像素PSF分布，建立全视场PSF模板模型，它的与众不同之处是可以处理S误差，而这之前S误差被本领域研究认为是一种固有的探测器离散采样误差。此外，在星点运动条件下的星点提取、PSF实际测试分析、PSF基于实测的数学建模等方面都进行了比较深入的研究，有相关论文发表。此外，课题还在PSF测量与数学模型构建方面，图像特征点预处理，以及在三维点阵图像像点位置确定方面进行了深入研究，探索了点目标位置确定新算法的应用领域。本课题系统地研究了星敏感器星点定位的各种方法，针对实际星敏感器光电图像的不规则特点，研究出了精度损失更小的定位方法，使得星敏感器实时星点定位的精度提高了1个数量级，对于星敏感器的精度进一步提高找到了一条有效的技术路线和方法，实验的验证工作说明了研究工作的可信性，这些研究成果先后在国内外期刊发表，对于星敏感器技术发展提高具有重要意义。