微小型高精度星敏感器技术研究

As the key components of high performance attitude measurement, miniaturized high precision star sensors are indispensable for modern microsatellites. Around the study of miniaturized high precision star sensor, comprehensive and in-depth research on fundamental theories and key technologies will be carried out in this project. The main research contents are as following: Firstly, selecting "miniaturization" and "high precision" as two optimization goals, the system parameters are optimized using theories of system design. A calibration method, based on integrated modeling of intrinsic and extrinsic parameters, is proposed to compensate the errors introduced by miniaturization. Thus, high measurement accuracy is guaranteed in the meanwhile of miniaturization. The weight of optical system is reduced by a simplified optical structure, while the whole electronic processing functions are implemented on a single chip based on SOPC technology. A star identification algorithm based on the shortest connection loop, along with a star tracking algorithm based on ROI window are proposed to ensure the stability and reliability of star sensor in the condition of large FOV. Finally, a prototype of miniaturized high precision star sensor lighter than 200g is developed accordingly to achieve attitude measurement accuracy of 3"(1σ). The research of this project will provide an efficient approach and updated products of miniature, high precision and low cost attitude measurement for microsatellites, and meet the urgent demand of the microsatellites in our country.

微小型高精度星敏感器是实现现代微小卫星高性能姿态测量不可或缺的关键部件。本项目围绕微小型高精度星敏感器基础理论和关键技术展开系统深入的研究，主要研究内容有：运用系统设计的思想，以"小型化"和"高精度"为优化目标进行星敏感器系统参数的整体优化；提出基于内外参数统一的标定方法，对星敏感器小型化所带来的误差进行补偿，在小型化的同时保证其测量精度。通过对光学结构的简化，减轻光学系统的重量；利用SOPC技术，实现信息处理的单芯片集成。提出基于最短连通回路的星图识别方法和基于ROI窗口的星跟踪方法，保证大视场条件下星图识别和星跟踪的稳定性和可靠性。研制微小型高精度星敏感器原理样机，主要技术指标达到：重量小于200g，精度优于3"(1σ)。通过本项目研究，为微小卫星平台提供小型化、高精度、低成本姿态测量的技术途径和更新换代产品，满足我国微小卫星技术发展的迫切急需。

微小型高精度星敏感器是微小卫星高性能姿态测量不可或缺的关键部件。本项目运用系统设计的思想，以"小型化"和"高精度"为优化目标进行星敏感器系统参数的整体优化。采用“软硬结合”的手段，一方面利用小型化设计的光机电组件来减轻系统重量，另一方面通过软件补偿的方式来降低对硬件的需求，同时弥补硬件系统小型化所带来的性能损失。本项目突破了微小型高精度星敏感器的基础理论和关键技术，通过光机电一体化集成，完成原理样机研制。经实验室测试和外场观星测试，性能指标达到：①重量：195g；②指向精度：0.67"(1σ)；③功耗：0.95W；④数据更新率：5Hz；⑤初始姿态建立时间：56.14~108.77ms之间，平均81.34ms；⑥视场：25°×25°；⑦敏感星等：5.9Mv；⑧动态性能：3°/s。. 本项目研制的微小型高精度星敏感器填补了国内空白，与国外同类产品相比在测量精度、动态性能等关键指标上具有明显优势。本项目研究成果为各类微小卫星提供了小型化、高性能、低成本的姿态测量技术手段，目前已在众多卫星型号上推广应用，具有非常广阔的产业化应用前景。. 本项目成果发表SCI收录论文14篇，其中第一作者/通讯作者论文12篇。发表EI收录论文4篇，其中国际会议论文3篇。申请发明专利2项，其中授权发明专利1项。本项目部分成果作为“高动态星敏感器技术与工程应用”重要内容之一获2016年度国家科技进步二等奖（排名第2）。围绕本项目研究内容，培养硕士研究生9人（已毕业6人），博士研究生2人。