纳型高精度星敏感器技术研究

Pico-nano satellite with weight less than 10kg is a research focus of space technology. As the key component of high precision attitude measurement for pico-nano satellite, the research on nano star tracker is still at an early stage abroad, and is almost blank in China. Aiming at miniaturization and high precision, this project researches on fundamental theories and key technologies of high precision nano star tracker, which includes: reduce the weight of optical system and electronic system with the aspheric lens and SOPC technic, respectively; propose a star identification algorithm based on parallel computing, solving the problem of increased noise and interference light introduced by the miniaturized optical system; build the error model of the nano star tracker, and compensate the systematic error with high precision calibration, and propose a random error depressing method based on star centroiding with multiple frames of star image, by which increasing the precision of attitude measurement; develop a prototype of high precision nano star tracker with the weight less than 100g and attitude measurement accuracy better than 3″(1σ). The research of this project will provide an effective solution for the demand of high precision attitude measurement of pico-nano satellites in China.

重量低于10kg的皮纳卫星是全球空间技术领域的研究热点。作为皮纳卫星高精度姿态测量的关键部件，纳型星敏感器的研制在国外尚处于起步阶段，在国内则几乎空白。本项目以“小型化”和“高精度”为目标，研究纳型高精度星敏感器的基础理论和关键技术，具体内容包括：采用SOPC单芯片集成、非球面透镜的技术途径分别实现电路系统、光学系统的小型化；提出一种基于并行计算的星图识别算法，提高SOPC系统的处理性能；提出一种复杂背景下星图处理与星点提取算法，解决光学系统小型化引入的噪声、干扰光增加问题；建立纳型星敏感器的误差模型，通过高精度标定补偿系统误差，并提出多帧联合质心定位算法减小随机误差，提高姿态测量精度；研制纳型高精度星敏感器原理样机，重量小于100g，姿态测量精度优于3″(1σ)。通过本项目研究，为我国皮纳卫星平台的高精度姿态测量需求提供有效的解决方案。

纳型高精度星敏感器是皮纳卫星高精度姿态测量不可或缺的关键部件。本项目针对皮纳卫星技术发展的迫切需求，以“小型化”和“高精度”为目标开展纳型星敏感器的研究，提出基于并行计算的星图识别算法、复杂背景光干扰下星点准确提取方法、系统误差与随机误差补偿方法等一系列理论方法与关键技术，成功完成原理样机的研制。经实验室测试和外场观星测试，性能指标达到：① 重量：78g；② 指向精度：1.706″(1σ)；③ 功耗：1.1W；④ 数据更新率：5Hz；⑤ 动态性能：2°/s；⑥ 全天球识别时间160ms。. 本项目原理样机的成功研制填补了我国纳型星敏感器领域的空白，具有广阔的产业化应用前景。在本项目研究成果的基础上，已研制成功纳型星敏感器型号产品，并已在多项航天型号任务中在轨成功应用，为我国皮纳卫星高性能姿态控制提供了可靠的解决方案。. 本项目成果发表SCI收录论文8篇，其中第一作者/通讯作者论文7篇；发表EI收录论文3篇，其中国际会议论文3篇；申请发明专利2项。围绕本项目研究内容，培养硕士研究生5人（已毕业4人），博士研究生1人。