面向空间温度变化的星敏感器光学系统参数在轨标定研究

In deep space exploration applications, the temperature of the operating ambient changes fast. Although the athermalization can improve its imaging quality, the changes of optical system parameters still have a serious effect on its navigation accuracy. On-orbit calibration of star sensor plays an important role in compensating the changes of optical system parameters. In this project, robust on-orbit calibration algorithm of star sensor based on temperature variation is proposed. Our project focuses on two main aspects:.1) Set up star sensor drift model. Through the semi-physical simulation experiment, based on system identification algorithm, the influence mechanism of the temperature variation on the optical system of star sensor is studied. The theory provides a theoretical basis for the on-orbit calibration of star sensor in temperature variation environment;.2) Based on the theory of optimal state estimation, combined with the model of temperature - optical system parameters variation, the calibration method for the optical system parameters of star sensor based on temperature variation is studied..The research of on-orbit calibration of star sensor based on temperature variation has not been proposed, to our best knowledge. We believe that the research on these topics would produce high quality research results.

在深空探测应用中，星敏感器的工作环境温度变化范围广、梯度大，虽然无热化技术可以提高其成像质量，但温度变化导致的光学系统参数变化，仍然会对其导航精度产生严重影响。星敏感器的在轨标定对于补偿光学系统参数变化具有重要作用。本项目提出开展基于环境温度变化的星敏感器鲁棒在轨标定研究，具体内容包括：.1）明确星敏感器星像漂移模型，通过半物理仿真实验的方法，利用系统辨识理论，开展温度变化对星敏感器光学系统的影响机理研究，为星敏感器在温变环境中的在轨标定提供理论依据；.2）以最优状态估计理论为主要理论工具，结合温度-星敏感器光学系统参数变化模型，建立基于温度变化的星敏感器光学系统参数在轨标定方案。.目前，基于温度变化的星敏感器在轨标定研究尚未开展。项目组相信，对以上内容的研究极有可能产生高水平研究成果。

本项目以提高星敏感器在空间温变环境中的标定精度和鲁棒性为目标，对面向空间温度变化的星敏感器光学系统参数在轨标定的若干关键问题进行了深入研究。项目取得研究成果包括：（1）建立了星像漂移理论模型，为星敏感器光学系统参数在空间温度变化环境中的变化问题，提供理论分析的基础；（2）搭建模拟温度变化的半物理仿真实验系统平台，开展半物理仿真实验，定量建立星敏感器参数随温度变化的数学模型，为星敏感器光学系统参数随温度变化的分析和机理研究提供了完整解决方案；（3）为了提高星敏感器在轨标定的速度和鲁棒性，提出了奇异值在轨标定参考量，结合扩展卡尔曼滤波，有效提高了星敏感器在轨标定的效率。采用角距相减模式构造在轨标定算法，提升主点的可观测度，进一步改善主点标定精度；（4）结合星敏感器参数随温度变化的数学模型，提出了一种基于标定参考量去温变的星敏感器在轨标定方法，仿真实验表明该方法能够提高星敏感器在温变环境中的在轨标定精度和可靠性。项目研究达到了预期的目标，取得了多个有创新性的成果，为温变环境中星敏感器在轨标定相关问题的解决提供了理论基础和技术支撑。