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第一章 绪论1

1.1 APS CMOS星敏感器的研究意义1

1.2 航天器姿态敏感器综述2

1.2.1 太阳敏感器2

1.2.2 红外地平敏感器2

1.2.3 磁强计3

1.2.4 星敏感器3

1.2.5 惯性敏感器3

1.2.6 姿态敏感器比较4

1.3 星敏感器工作原理4

1.3.1 导航星4

1.3.2 星敏感器测量原理5

1.3.3 星敏感器的组成6

1.4 国内外星敏感器研究发展现状6

1.4.1 国外星敏感器发展现状7

1.4.2 国内星敏感器发展现状9

1.5 微小型APS CMOS星敏感器的关键技术10

1.5.1 APS CMOS技术10

1.5.2 卷帘曝光成像方法10

1.5.3 光学设计方法11

1.5.4 星图滤波算法12

1.5.5 实时的星图处理方法12

1.5.6 导航星域和κ矢量联合的星图识别方法13

1.5.7 标定、测试与在轨验证13

1.6 本章小结14

第2章 微小型APS CMOS星敏感器系统原理15

2.1 引言15

2.2 APS CMOS星敏感器关键技术指标分析与确定15

2.2.1 APS CMOS感光探测器的选择17

2.2.2 视场和焦距的确定18

2.2.3 敏感星等的确定19

2.2.4 初始捕获时间和更新率21

2.3 微小型APS CMOS星敏感器总体设计22

2.3.1 星敏感器的总体构型22

2.3.2 质量总体分析23

2.3.3 功耗总体分析24

2.3.4 总体技术指标和实现框图24

2.4 本章小结25

第3章 APS CMOS星敏感器成像系统原理与方法27

3.1 引言27

3.2 目标星在探测器上的成像特征27

3.2.1 光斑的形状和大小27

3.2.2 恒星的特性分析29

3.2.3 恒星的辐射能量分析30

3.2.4 星敏感器感光性能分析与预测31

3.2.5 分布到像素上的能量33

3.3 APS CMOS星敏感器感光探测器噪声分析35

3.3.1 APS CMOS感光探测器响应特性35

3.3.2 APS CMOS各种噪声分析36

3.4 星点有效信号的滤波和提取42

3.4.1 直接能量和滤波42

3.4.2 能量相关滤波43

3.4.3 星点判别和DN确定原则46

3.5 APS CMOS星敏感器图像的实验验证46

3.5.1 利用小波进行图像分析的基本理论和方法47

3.5.2 小波分析的噪声和理论计算噪声比较49

3.5.3 小波去噪声算法和能量相关法滤波算法的比较51

3.6 本章小结53

第4章 APS CMOS星敏感器光学系统设计与装调55

4.1 星敏感器光学镜头指标参数55

4.1.1 光学系统焦距和有效孔径55

4.1.2 光学系统畸变57

4.1.3 能量集中度和场曲58

4.1.4 谱段和垂轴色差58

4.1.5 镜头技术指标59

4.2 光学系统的温度特性分析60

4.2.1 温度变化影响60

4.2.2 温度梯度影响分析62

4.3 系统离焦范围分析64

4.3.1 星敏感器光学系统的焦深64

4.3.2 对离焦的分析与处理65

4.4 APS CMOS星敏感器的镜头结构67

4.5 APS CMOS星敏感器焦平面的安装技术68

4.5.1 焦平面安装参数和要求68

4.5.2 焦平面精密安装系统平台69

4.5.3 焦平面的测量原理70

4.6 本章小结70

第5章 星敏感器的精度分析与标定技术71

5.1 星敏感器标定方法概述71

5.1.1 非设备性标定71

5.1.2 设备性标定72

5.2 星敏感器的标定参数及误差分析72

5.2.1 噪声等效角73

5.2.2 焦距误差对系统精度的影响分析74

5.2.3 主点误差对系统精度的影响分析75

5.2.4 像平面倾斜对系统精度的影响分析77

5.2.5 光学畸变对系统精度的影响78

5.2.6 单星点矢量精度传播模型79

5.2.7 单星点精度的蒙特卡洛仿真80

5.2.8 蒙特卡洛方法误差影响分析81

5.3 星敏感器系统的标定方法82

5.3.1 主点的标定方法82

5.3.2 标定模型的建立85

5.3.3 焦距和畸变的标定方法86

5.3.4 倾斜角的标定方法88

5.3.5 标定数据的综合利用方法90

5.4 实验数据分析92

5.4.1 误差分析与标定精度预估计92

5.4.2 标定结果及讨论93

5.5 本章小结97

第6章 APS CMOS星敏感器的成像控制与星点提取方法98

6.1 引言98

6.2 图像曝光和读出的流水99

6.3 星敏感器的读出与星图滤波的流水100

6.3.1 实现流水线滤波和星点提取的必要性100

6.3.2 流水滤波的实现方法101

6.4 基于硬件结构的星点信息提取算法102

6.4.1 星点信息的提取原理103

6.4.2 区域连接标签方法104

6.4.3 在星敏感器中的星点信息提取的实现方法108

6.4.4 星图识别算法的并行执行113

6.5 本章小结114

第7章 APS CMOS星敏感器的快速星图识别方法115

7.1 全天自主星图识别原理115

7.1.1 概况115

7.1.2 全天自主星图识别算法原理116

7.2 基于角距匹配的星图识别算法117

7.2.1 导航星表的建立117

7.2.2 星对角距查找表的建立119

7.2.3 星对的角距法搜索120

7.2.4 三角形算法120

7.2.5 多边形匹配法122

7.2.6 极点法123

7.2.7 角距法总结123

7.3 基于栅格坐标匹配的星图识别算法124

7.3.1 栅格法星图识别的原理124

7.3.2 栅格数据库的建立125

7.3.3 栅格法识别过程127

7.3.4 栅格法的理论分析130

7.3.5 基于极坐标的栅格法132

7.4 基于导航星域的快速星图识别算法135

7.4.1 星图识别方法的现状与问题135

7.4.2 κ矢量（κ-vector）介绍137

7.4.3 星对角距的κ矢量和κ矢量查找表138

7.4.4 利用κ矢量法进行星对角距定位139

7.4.5 直接比较法的星图识别139

7.4.6 导航星域和κ矢量联合法星图识别142

7.4.7 全天星图识别算法的分析145

7.5 递推模式的星图识别算法146

7.5.1 递推星图识别算法原理146

7.5.2 全天自主模式下的递推星图识别147

7.5.3 跟踪模式下的递推星图识别147

7.6 本章小结149

第8章 星敏感器的地面测试与实验系统150

8.1 引言150

8.2 全天球动态星模拟器测试系统150

8.2.1 基于全天球动态星模拟器的测试系统总体架构151

8.2.2 系统的安装与调试151

8.2.3 模拟星图生成原理152

8.2.4 实验系统的参数标定154

8.2.5 星敏感器实验室测试实验156

8.2.6 误差分析158

8.3 星敏感器真实星空实验160

8.3.1 真实星空实验方法160

8.3.2 与精度测试方法相关的地球运动规律160

8.3.3 星敏感器测量地球转动原理及系统坐标系建立162

8.3.4 星敏感器精度测试实现方法165

8.3.5 星敏感器精度评价标准171

8.3.6 真实星空实验结果173

8.3.7 基于真实星空的坐标极性测试及抗杂光性能测试176

8.4 环境实验测试系统181

8.4.1 热真空实验测试系统181

8.4.2 振动等力学实验的星敏感器状态监测方法182

8.5 本章小结183

第9章 星敏感器在轨测试184

9.1 引言184

9.2 长时间星敏感器在轨姿态数据分析184

9.3 星图效果分析186

9.3.1 星图识别等功能分析186

9.3.2 姿态运算分析与精度分析186

9.4 卫星机动实验190

9.4.1 卫星机动过程实验191

9.4.2 卫星机动过程中动态星图处理方法研究192

9.4.3 真实在轨星图分析和处理结果198

9.4.4 星敏感器高动态跟踪算法研究及高动态性能地面验证实验204

9.5 微型星敏感器在轨评估软件206

9.6 高精度高动态星敏感器应用情况207

9.7 本章小结208

第10章 纳型星敏感器及其在轨测试209

10.1 引言209

10.2 微纳卫星209

10.2.1 微纳卫星概念和特点209

10.2.2 微纳卫星姿态控制实现方法210

10.2.3 星敏感器在微纳卫星中的作用211

10.3 微纳星敏感器212

10.3.1 微纳星敏感器的发展212

10.3.2 纳型星敏感器总体设计214

10.3.3 纳型星敏感器总体技术指标215

10.3.4 纳型星敏感器地面测试215

10.4 纳型星敏感器在轨应用218

10.4.1 卫星姿态与角速率确定方法219

10.4.2 卫星指向确定方法220

10.5 本章小结222

展望223

参考文献225