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最新刊期

2021 年第 3 期

基于蒙特卡罗法的星载太阳辐照度光谱仪对日指向误差分析
郭旭,胡春晖,颜昌翔,郭永飞,马泽龙,胡庆龙
2021, 29(3): 474-483. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0474

摘要：为保证光谱仪能够获取到有效太阳光谱数据，要求搭载光谱仪的二维转台能够长时间高精度跟踪太阳，而跟踪太阳的前提是转台实现精准指向，使太阳进入导行镜的有效视场。根据从卫星接收的太阳矢量和姿态数据对安装误差进行修正，计算修正后转台指向的参考值，并确保指向误差小于1°。在转台各个基准立方镜上建立坐标系，采用坐标变换法建立了对日指向的数学模型，通过运动学反解给出转台调整角度与轨道坐标系下太阳矢量的解析关系。然后，结合光谱仪的在轨运动形式，对其工作过程中的主要误差来源进行分析，并在MatLab平台上搭建基于蒙特卡罗法的指向误差模型。仿真结果表明指向误差优于0.35°。最后，在地面开展太阳指向模拟实验，测得春分轨道下指向误差低于0.16°，满足导行镜捕获视场需求。实验结果验证了数学模型的正确性及有效性，同时为光谱仪在轨工作提供了设计参考。
关键词：星载光谱仪;坐标变换;运动学反解;蒙特卡洛;指向误差

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发布时间：2021-04-09
静轨紫外可见高光谱探测仪星上外定标方案
崔程光,李凌,李云飞,郭永祥,李永强
2021, 29(3): 484-492. DOI: 10.37188/OPE.2020.0522

摘要：紫外可见高光谱探测仪搭载于地球同步轨道卫星，具备高时间分辨率、高光谱分辨率、长寿命周期等特点。研究其星上外定标方案，消除内定标装置衰减等变化带来的影响，是实现遥感器在轨高精度定标或检校的重要手段。本文结合静止轨道卫星的特点，建立了紫外可见高光谱探测仪辐射特性分析流程，比较了不同外定标方案的特点及它在地球同步轨道卫星上的可行性，提出并分析了一种采用太阳定标、月球定标和恒星定标相结合的高光谱探测仪在轨绝对辐射定标方案。定标不确定度分析表明，太阳定标不确定度为3.6%，恒星定标不确定度为3.87%，基于月球定标漫反射板监测不确定为3.55%，满足在轨定标要求。
关键词：大气光学;星上定标;静止轨道;高光谱

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发布时间：2021-04-09
非合作航天器的立体视觉位姿测量
束安,裴浩东,周姗姗,段慧仙,陆佳琪
2021, 29(3): 493-502. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0493

摘要：针对在轨服务中非合作航天器相对位姿测量的关键任务，提出了一种双目立体视觉方法。该方法利用两台大视场可见光相机获取高分辨率图像，用双边滤波方法对图像进行预处理，接着利用弧线段拟合法提取目标表面的对接环椭圆，用Hough变换法提取目标的矩形边框特征，并引入极线约束准则、对接环尺寸约束和光流跟踪的方法，提高算法的提取精度和效率。利用立体视觉构建非合作目标的对接环平面和边框角点，建立目标坐标系，解算与世界坐标系之间的位姿关系。暗室环境下的实验结果表明，双目相机系统逼近（12.0~2.0 m）实验中，相对位置精度优于1.0 cm，相对姿态精度优于0.41°；目标姿态转动实验中，相对位置精度优于1.3 cm，相对姿态精度优于0.88°，位姿解算精度较高，可以为追踪航天器提供连续的位姿导航信息。
关键词：双目立体视觉;非合作目标;双边滤波;位姿测量;在轨服务

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发布时间：2021-04-09
基于单星测量的星光惯性组合导航
乔川,李晓,庞少龙,闫蓬勃,李丹凤,夏梦绮,徐卿
2021, 29(3): 503-512. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0503

摘要：为减小杂光影响，全天时星光定向仪一般采用小视场，同一时刻只能观测一颗恒星无法输出姿态信息。本文提出一种基于单星测量的星光惯性组合导航系统，首先根据惯导输出的姿态和位置信息，控制转台和星光定向仪摆镜保证星光定向仪对目标导航星的观测，之后根据惯导的误差模型建立系统状态方程，根据星光定向仪测量的导航星方向矢量建立测量方程，利用卡尔曼滤波算法修正惯导输出的姿态位置信息。该方法引入星光定向仪与惯导安装误差作为系统状态量，在修正导航信息的同时对星光定向仪与惯导之间的安装误差进行估计，因此无需在实验室进行标定。通过仿真分析了不同安装姿态误差及不同惯导和星光定向仪误差对组合导航系统导航精度的影响。结果显示采用该方法导航1 h，位置精度优于90 m，姿态精度优于8″，相比利用实验室标定的安装姿态进行导航，该方法的精度更高。最后进行了静态导航实验，结果显示组合导航的位置误差为102.90 m，相比直接采用实验室标定的安装姿态进行解算结果提高近45.39%，验证了该算法的有效性。
关键词：星光惯性组合导航;安装误差估计;误差分析;卡尔曼滤波

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发布时间：2021-04-09
面向航天快速发射的光学载荷设计与制造
徐思华,于新辰
2021, 29(3): 513-523. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0513

摘要：为系统地介绍面向航天快速发射的微纳卫星光学载荷设计与制造过程，从光学原理设计出发，以折反式光学相机为研究对象，主要介绍光学元件的结构设计、力学分析、加工及检测过程，最终得到500 km对地极限分辨率为3.1 m的光学载荷。研制结果表明，通过合理的光机结构设计，并选取单点金刚石车削、磁流变修形以及计算机控制光学表面成形加工等工艺，能够满足航天快发技术对于光学卫星载荷短研制周期、高性能、轻质量、小体积以及低成本的技术要求，为研制同类型相机和进一步提高航天快发技术提供了参考。
关键词：航天快速发射;光学载荷;设计与制造;光机一体化

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发布时间：2021-04-09
金属橡胶减振器在同轴两反空间相机中的应用
宋文轩,李宗轩,谢晓光,吴昊,张德福
2021, 29(3): 524-535. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0524

摘要：为了减少振动对同轴两反空间相机的影响，研究了金属橡胶减振结构及同轴两反空间相机的随机振动响应。分析金属橡胶结构的力学模型，研制出串联金属橡胶减振结构，建立空间相机的有限元模型并进行模态分析和随机振动响应分析；最后，通过正弦扫频试验和随机振动试验验证有限元分析的准确性。试验结果表明，装配有金属橡胶减振器的同轴两反空间相机X，Y与Z三个方向的一阶固有频率均大于100 Hz，远离卫星的固有频率，不会与卫星发生共振，地面正弦扫频试验也不会发生共振。随机振动试验中同轴两反空间相机在X，Y与Z三个方向上的输入激励响应为4.98g_rms，而次镜在X，Y与Z三个方向上的振动响应分别为3.381g_rms，2.884g_rms和1.969g_rms，振动试验后系统没有出现明显像差。金属橡胶减振器对空间相机有显著的减振效果，可为同类型空间相机减振结构的设计提供参考。
关键词：空间相机;金属橡胶;减振;有限元分析;随机振动

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发布时间：2021-04-09
锥摆扫一体化空间相机成像模式设计
支政,曲宏松,李静,张贵祥
2021, 29(3): 536-546. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0536

摘要：针对高分辨相机难以实现超宽覆盖的问题，本文设计了锥摆扫一体化成像模式。通过对锥摆扫一体化成像原理进行分析，建立了锥摆扫一体化成像模型；然后，设计了最佳地面轨迹模型，并分析了轨道速度、平台旋转角速度和摆扫转动角速度的关系，并基于地面轨迹给出了曝光时间、帧频的计算方案。最后，通过MATLAB进行算例仿真，并对地面覆盖宽度和地面像元分辨率进行分析。结果表明：在轨道高度为500 km，像素尺寸为2.5 μm，焦距为360 mm，像元数为5 120×5 120时，取相机安装倾角为30°，摆扫成像帧数为10，地面覆盖宽度达到1 105.7 km，是星下点推扫成像的31.1倍，并且地面像元分辨率在6.4 m以下。锥摆扫一体化成像模式可以完全覆盖地面目标，并且在保证一定分辨率的条件下大幅增大幅宽。
关键词：空间相机;成像模式;宽幅成像;几何参数;地面轨迹

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发布时间：2021-04-09
基于碳纤维框架天基目标探测二维跟踪转台结构优化
陈卓,胡庆龙,李朝辉
2021, 29(3): 547-557. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0547

摘要：为满足某星载太阳辐照度光谱仪对太阳的跟踪指向技术要求，设计了一种二维转台系统。本文对该转台进行了结构的拓扑优化设计、有限元仿真及试验验证。首先，通过研究和比较现有的转台方案，确定以基本地平式作为转台的结构形式，选择性能优良的M55J碳纤维复合材料作为转台结构的主要材料，配合TC4镶嵌件来连接部件。根据拓扑优化结果和工程经验，分别完成了转台3个主要部件的蒙皮和加强筋结构设计，得到了总体尺寸为966 mm×400 mm×730 mm、质量为27.3 kg的转台框架。针对此结构进行有限元分析，得到转台整体基频为58 Hz，结构强度和刚度满足设计指标要求。最后，对转台初样进行了抗力学试验和热真空试验。试验结果表明，转台整体的一阶频率为53 Hz，正弦振动前后基频变化在2%以内，随机振动前后基频变化在4%以内，在真空环境中功能正常。该转台整体结构设计合理，性能稳定，能够满足设计指标要求。
关键词：天基目标探测;二维转台;碳纤维结构;拓扑优化;有限元分析

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发布时间：2021-04-09
临近空间816 mm口径望远镜复合支撑主镜组件设计
罗致帮,李巍,徐佳坤,王克军,王晓东
2021, 29(3): 558-570. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0558

摘要：针对某临近空间望远镜高面形精度和0°~65°观测角度的要求，设计了816 mm口径的SiC主镜组件。依据经验公式和拓扑优化方法，完成了主镜的设计，基于大口径反射镜复合支撑原理、功能分配和指标分配以及解耦标准设计了主镜支撑组件，最后根据支撑结构形式和装配公差要求设计了主镜组件装配工装并制定了装配工艺流程。对主镜组件进行了静力学和动力学仿真验证，然后对主镜组件进行振动、面形检测和倾角等试验验证。试验结果表明，主镜组件在光轴水平，1 g重力作用下面形精度RMS值为0.019λ（λ=632.8 nm），反射镜翻转180°后的面形RMS为0.02λ；总质量为102.7 kg，基频为171 Hz，振动前后RMS值基本不变，与分析结果吻合。证明该主镜组件的设计与装调工艺的合理性，满足临近空间望远镜的设计要求。
关键词：临近空间;复合支撑;仿真分析;面形检测;力学试验

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发布时间：2021-04-09
大型空间离轴三反相机分体支撑结构设计
宋伟阳,解鹏,王循
2021, 29(3): 571-581. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0571

摘要：针对某1 m分辨率、200 km幅宽的大尺度空间相机框架支撑结构轻质量、高刚度的设计要求，设计了一种轻型分体支撑结构。首先从大型空间离轴三反相机研制需求出发，综合比刚度、热稳定性及加工工艺等因素选择了性能良好的高体份SiCp/Al复合材料；然后以结构质量分数为约束条件，建立以基频为目标函数的拓扑优化数学模型，得到了拓扑结果清晰的各分体结构最优传力路径；进一步对主支撑结构各部分尺寸进行二次优化，得到了各分体结构的最佳构型和最优设计尺寸。设计后的分体支撑结构总重为227.8 kg，轻量化率达到93.9%，满足了高轻量化和高刚度要求。有限元分析结果及力学样机试验结果表明：分体支撑结构满足遥感相机整机基频大于50 Hz的刚度要求，在升温5 ℃工况下反射镜变形在公差范围之内，完全符合卫星平台对光学载荷的要求；力学样机在振动实验前后反射镜组件相对偏移角度均不超过22″，具有较好的稳定性，证明了拓扑优化和尺寸优化方法的合理性和可行性。本文提出的分体支撑结构设计对大型空间离轴相机支撑设计具有较高的工程实践价值。
关键词：大型空间相机;拓扑优化;分体支撑;轻量;尺寸优化

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发布时间：2021-04-09
连续转速状态下卫星反作用飞轮微振动参数识别
杨林,王岩松,魏磊,胡自强
2021, 29(3): 592-604. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0592

摘要：由于制造和装配误差，反作用飞轮产生的谐波干扰是导致光学遥感卫星微振动现象出现的主要因素，微振动现象严重阻碍了光学遥感卫星向更高分辨率方向发展。为了在设计时更有效地抑制光学遥感卫星微振动现象，需要较好地把握反作用飞轮微振动相关参数。本文提出了一种反作用飞轮连续转速状态下的参数辨识方法，即在时频域内获取飞轮扰振变化特性。首先利用时频分析获取非稳定干扰力信号的时频分布；然后利用加扇形窗的线性最小二乘估计方法辨识反作用飞轮的倍频特征；其后建立与飞轮转速相关的参数化模型，并利用加权非线性最小二乘估计方法辨识出参数化模型的待估参数，其后将模型参数转化为模态参数；再结合模态参数和倍频参数，获取飞轮干扰力或力矩的转速-频率峰值点。最后通过一组反作用飞轮测试试验验证本文所提出的方法，试验结果显示，连续转速状态下的辨识结果更接近反作用飞轮真实工作状态，该方法准确掌握了飞轮干扰力和力矩变化趋势，相对于传统固定转速状态下的测试结果平均误差小于1%，结果具有良好的精度。
关键词：反作用飞轮;参数辨识;微振动;时频分析

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发布时间：2021-04-09
双星编队构形保持抗干扰容错控制
陈高杰,常琳,杨秀彬,杨春雷,黎艳博
2021, 29(3): 605-615. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0605

摘要：为解决系统模型误差、外部干扰以及执行器故障引起的双星编队轨道控制精度低、稳定性差问题，设计一种基于观测器的抗干扰容错线性二次型调节器（LQR）控制策略。首先，根据编队双星相对运动动力学模型，设计基于双比例积分自适应律的增广观测器，同时实现对系统状态、间歇故障与快速时变故障、可建模干扰的快速精确估计，并采用 $H_{\infty}$ 优化技术抑制不可建模干扰对控制系统的影响。其次，采用Lyapunov稳定性理论，保证动态误差系统渐近稳定。然后，在控制器中引入未知动态估计信息的前馈补偿项，设计闭环反馈抗干扰容错LQR控制律。最后实验结果表明，相比文献中控制方法，本文所提方法的编队卫星相对位置控制精度提高49.93%，验证了所设计的抗干扰容错LQR控制律的优越性，能够为双星编队构形保持提供精确控制策略。
关键词：双星编队;干扰观测器;故障估计;容错控制

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发布时间：2021-04-09
基于相位特征的可见光和SAR遥感图像自动配准
孙明超,马天翔,宋悦铭,彭佳琦
2021, 29(3): 616-627. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0616

摘要：针对可见光和SAR遥感图像存在非线性辐射差异和几何差异，加之SAR的斑点噪声，使得可见光和SAR图像配准十分困难的问题。本文提出了一种基于改进相位一致性的可见光和SAR图像配准方法。首先，分别计算相位一致性的最大矩和最小矩，将二者叠加，利用Harris算子在叠加图上提取特征点，得到稳定的角点和边缘点作为待匹配的特征点；接着，分别构建相位一致性的方向图和基于多尺度融合的最大幅值索引图，借助于（Histogram of Oriented Gradients， HOG）模板，利用相位一致性方向对基于多尺度融合的最大幅值索引图进行投票，建立一种新颖的局部特征描述符；最后，利用欧式距离作为特征向量的度量，计算最近邻比率实现特征匹配，采用快速采样一致性算法剔除误匹配点。在四组图像数据上的实验结果表明，本算法相比于基于梯度的OS-SIFT算法具有更多的正确匹配点对和更高的匹配精度，正确匹配点数分别提高了11，8，15和11对，均方根误分别提升了57.5%，57.9%，23.5%和58%。
关键词：可见光和SAR图像;辐射差异;图像配准;相位一致性

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发布时间：2021-04-09
基于气象预测数据优化卫星成像参数
白杨,王灵丽,武红宇,田世强,王栋,钟兴,韩威,杨建新
2021, 29(3): 628-636. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0628

摘要：卫星传感器成像参数包括增益、积分级数、行积分时间等，需要在传感器成像前通过地面站指令上注，合理的成像参数设置是获取高质量遥感影像数据的重要前提。本文提出了一种基于气象预测数据的卫星传感器成像参数优化与计算方法，首先，根据成像链路模型，结合气象预测数据中能够较好反映地表状态变化的地表反照率数据，解算目标地物成像时刻天顶辐亮度；然后，利用传感器绝对辐射定标系数解算不同成像参数下对应的图像灰度；最后，根据图像灰度适宜的策略选取合理的成像参数。通过吉林一号视频04星推扫成像模式验证本文提出的算法对全色和多光谱谱段图像信息熵分别提升4.37%~23.71%，采用本文提出的优化成像参数可以有效改善卫星遥感影像的有效动态范围，满足高质量遥感影像数据获取需求。
关键词：卫星成像参数;气象预测数据;成像链路模型;地表反照率;绝对辐射定标

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发布时间：2021-04-09
采用自适应无迹卡尔曼滤波的卫星姿态确定
肖磊,王绍举,常琳,周美丽
2021, 29(3): 637-645. DOI: 10.37188/OPE.20212903.0637

摘要：针对现有算法卫星姿态确定中模型参数估计不准确，系统存在外界干扰下稳定性差和跟踪精度不足的问题，提出一种自适应无迹卡尔曼滤波算法，对卫星三轴姿态进行估计。首先分析了陀螺和星敏组合定姿的工作原理，然后推导了以误差四元数为状态变量的卫星姿态运动学方程。滤波过程中，该算法引入自适应矩阵，对量测噪声协方差矩阵进行调整；依据滤波发散判别准则，对系统噪声协方差矩阵进行自适应修正，抑制滤波过程中可能的发散情形，获得了良好的自适应性能。实验结果表明，在参数估计不准确时，自适应无迹卡尔曼滤波相比鲁棒自适应UKF算法，三轴估计精度的均方根误差（RMSE）分别提升了30.0%，34.1%，22.4%。该算法基本满足卫星姿态确定的高精度、强鲁棒性等要求。
关键词：卫星姿态确定;自适应滤波;误差四元数;鲁棒性

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发布时间：2021-04-09

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