图像处理在航天器中的应用.docx

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1、图像处理技术在航天器中的应用——星敏感器星图识别技术介绍1.概述航天器在太空中飞行，导航系统是航天器必不可少的重要设备，在航天器的飞行中具有非常重要的作用。导航的主要任务即是在预先规定好飞行路线的条件下，以要求的精度，在指定的时间内将航天器引导至目的地。因此，导航系统在飞行过程中必须提供精确的导航参数：方位（姿态及航向）、速度、位置等。常见的导航系统主要有无线电导航系统、惯性导航系统、GPS导航系统和天文导航系统等。天文导航是基于已知天体的坐标位置和运动规律，应用观测天体的天文坐标值来确定航天器的导航参数。相比较其它的导航系统，天文导航是一种自主式导航，不

2、需要地面设备，不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外界辐射能量，隐蔽性好；且定姿、定向、定位精度高，定位误差与时间无关，具有很好的应用前景。2.天文导航概述天文导航是利用天体测量敏感器测量得到的天体信息而进行导航，其前提是需要已知这些天体的特征信息和运动规律。目前常用的天体导航测量设备是星敏感器，星敏感器主要是通过获取天空中恒星的分布图像，通过对恒星相对位置的识别进而获取航天器的导航信息。2.1.恒星的特性天文导航以天体为观测对象，而恒星是用于天文导航最重要的一类天体。因此必须首先研究恒星的特性。恒星的特性可以简要归纳如下：（1）恒星的距离恒星离地球非常

3、遥远，除去太阳，离地球最近的恒星是半人马座，其距离是4.22光年。因此，对于天文导航而言，可以吧恒星看成是距离无穷远的天体。（2）恒星的速度恒星顾名思义是位置恒定不变的星体。其实，恒星在宇宙空间是运动着的，而且运动速度很快。恒星的运动速度可以分解为视向速度和切向速度。前者是沿着观测者视线方向的分量；后者是同视向速度相垂直的分量，它表现为恒星在天球上的位移，常称为自行。我们一般只关心恒星的自行。恒星自行速度一般都小于0.1’’/年，迄今为止只发现有400余颗恒星的自行速度超过1’’/年。（3）恒星的亮度恒星能自行发光，这是它的本质特征。恒星的亮度是指从地球上

4、所观测到的视亮度，它不仅与恒星的发光本领有关，还取决于恒星的距离。在天文学上，恒星的亮度用星等来表示，星等越低表示亮度越高。星等相差1等，亮度相差2.512倍，1等星的亮度为6等星亮度的100倍。天文上的星等基准起先是以毕宿五与牛郎星这两颗星为Mv=1.0的标准星，后来改以织女星为Mv=0.0的标准星来定义其他恒星的星等。人眼的裸视所能观测的极限星等约为6.0，天文望远镜所能观测的极限星等一般为10.0以上，例如哈勃太空望远镜所能观测的极限星等可达30.0。（4）恒星的大小虽然恒星本身的实际大小差别很大，但从地球上观察它们的张角都远远小于1’’，因此可以把

5、恒星看作是一个理想的点光源。综合上述恒星的特性，对于天文导航而言，恒星可以看成是无穷远的、近似静止不动的，具有一定光谱特性的电光源。1.1.天球为描述恒星的方位，必须建立一个坐标系用坐标值表示恒星在某一时刻的位置信息，这个坐标系即为天球坐标系。（1）天球天文学上为了与人们的直观感觉相适应，把天空假想成一个巨大的球面，即为天球。天球是以地球的球心为中心，半径无穷大的假想球面。（1）天轴和天极过天球中心作一条和地球自转轴平行的直线，这条直线称为天轴。天轴与天球的交点称为天极。（2）天赤道和天赤道面过天球中心且与天轴垂直的平面与天球的交线称为天赤道，天赤道所在的

6、平面称为天赤道面。1.1.星表将星空中的恒星的数据，按不同的需求编制而成的表册，称为星表。在星表中通常列有恒星的位置、自行、亮度、颜色和距离等丰富的信息。星表是作为星图识别的依据，也是航天器飞行姿态确定的基础。对于天文导航而言，我们感兴趣的信息只包括恒星的位置和亮度。恒星在天球球面上的投影点称为恒星的位置。恒星的位置分为平位置、真位置和视位置。标准星表中存储的恒星位置为恒星在标准历元（J2000）中的平位置。标准历元平位置加上由标准历元到当年年中的岁差和自行即得到当天的平位置，在当天的平位置加上章动则得到真位置。由太阳质心转换到地球质心，即加入光行差，则得

7、到视位置，即为观测时刻恒星在赤经坐标系下的坐标。为简单起见，我们一般直接采用标准星表中赤经和赤纬坐标，即标准历年平位置，这样参照坐标系可以看成是标准历年的平坐标系。因此，所计算的姿态可以理解为相对于标准历年平坐标系的姿态。1.2.天文导航的系统组成在航天器天文导航中，通常利用天体敏感器来实现对自然天体的观测，根据所观测到的天体的方位信息进行自主定姿定位导航。按照敏感天体的不同，天体敏感器可分为：恒星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器等。恒星敏感器（通常简称星敏感器）是当前广泛应用的天体敏感器，它以恒星矢量作为参考矢量，可以实现高精度的姿态测量。基于

8、星敏感器的天文导航系统通常由星敏感器、计算机、信息处理器等组成。其