第一章 绪论 1
1.1 APS CMOS星敏感器的研究意义 1
1.2 航天器姿态敏感器综述 2
1.2.1 太阳敏感器 2
1.2.2 红外地平敏感器 2
1.2.3 磁强计 3
1.2.4 星敏感器 3
1.2.5 惯性敏感器 3
1.2.6 姿态敏感器比较 4
1.3 星敏感器工作原理 4
1.3.1 导航星 4
1.3.2 星敏感器测量原理 5
1.3.3 星敏感器的组成 6
1.4 国内外星敏感器研究发展现状 6
1.4.1 国外星敏感器发展现状 7
1.4.2 国内星敏感器发展现状 9
1.5 微小型APS CMOS星敏感器的关键技术 10
1.5.1 APS CMOS技术 10
1.5.2 卷帘曝光成像方法 10
1.5.3 光学设计方法 11
1.5.4 星图滤波算法 12
1.5.5 实时的星图处理方法 12
1.5.6 导航星域和κ矢量联合的星图识别方法 13
1.5.7 标定、测试与在轨验证 13
1.6 本章小结 14
第2章 微小型APS CMOS星敏感器系统原理 15
2.1 引言 15
2.2 APS CMOS星敏感器关键技术指标分析与确定 15
2.2.1 APS CMOS感光探测器的选择 17
2.2.2 视场和焦距的确定 18
2.2.3 敏感星等的确定 19
2.2.4 初始捕获时间和更新率 21
2.3 微小型APS CMOS星敏感器总体设计 22
2.3.1 星敏感器的总体构型 22
2.3.2 质量总体分析 23
2.3.3 功耗总体分析 24
2.3.4 总体技术指标和实现框图 24
2.4 本章小结 25
第3章 APS CMOS星敏感器成像系统原理与方法 27
3.1 引言 27
3.2 目标星在探测器上的成像特征 27
3.2.1 光斑的形状和大小 27
3.2.2 恒星的特性分析 29
3.2.3 恒星的辐射能量分析 30
3.2.4 星敏感器感光性能分析与预测 31
3.2.5 分布到像素上的能量 33
3.3 APS CMOS星敏感器感光探测器噪声分析 35
3.3.1 APS CMOS感光探测器响应特性 35
3.3.2 APS CMOS各种噪声分析 36
3.4 星点有效信号的滤波和提取 42
3.4.1 直接能量和滤波 42
3.4.2 能量相关滤波 43
3.4.3 星点判别和DN确定原则 46
3.5 APS CMOS星敏感器图像的实验验证 46
3.5.1 利用小波进行图像分析的基本理论和方法 47
3.5.2 小波分析的噪声和理论计算噪声比较 49
3.5.3 小波去噪声算法和能量相关法滤波算法的比较 51
3.6 本章小结 53
第4章 APS CMOS星敏感器光学系统设计与装调 55
4.1 星敏感器光学镜头指标参数 55
4.1.1 光学系统焦距和有效孔径 55
4.1.2 光学系统畸变 57
4.1.3 能量集中度和场曲 58
4.1.4 谱段和垂轴色差 58
4.1.5 镜头技术指标 59
4.2 光学系统的温度特性分析 60
4.2.1 温度变化影响 60
4.2.2 温度梯度影响分析 62
4.3 系统离焦范围分析 64
4.3.1 星敏感器光学系统的焦深 64
4.3.2 对离焦的分析与处理 65
4.4 APS CMOS星敏感器的镜头结构 67
4.5 APS CMOS星敏感器焦平面的安装技术 68
4.5.1 焦平面安装参数和要求 68
4.5.2 焦平面精密安装系统平台 69
4.5.3 焦平面的测量原理 70
4.6 本章小结 70
第5章 星敏感器的精度分析与标定技术 71
5.1 星敏感器标定方法概述 71
5.1.1 非设备性标定 71
5.1.2 设备性标定 72
5.2 星敏感器的标定参数及误差分析 72
5.2.1 噪声等效角 73
5.2.2 焦距误差对系统精度的影响分析 74
5.2.3 主点误差对系统精度的影响分析 75
5.2.4 像平面倾斜对系统精度的影响分析 77
5.2.5 光学畸变对系统精度的影响 78
5.2.6 单星点矢量精度传播模型 79
5.2.7 单星点精度的蒙特卡洛仿真 80
5.2.8 蒙特卡洛方法误差影响分析 81
5.3 星敏感器系统的标定方法 82
5.3.1 主点的标定方法 82
5.3.2 标定模型的建立 85
5.3.3 焦距和畸变的标定方法 86
5.3.4 倾斜角的标定方法 88
5.3.5 标定数据的综合利用方法 90
5.4 实验数据分析 92
5.4.1 误差分析与标定精度预估计 92
5.4.2 标定结果及讨论 93
5.5 本章小结 97
第6章 APS CMOS星敏感器的成像控制与星点提取方法 98
6.1 引言 98
6.2 图像曝光和读出的流水 99
6.3 星敏感器的读出与星图滤波的流水 100
6.3.1 实现流水线滤波和星点提取的必要性 100
6.3.2 流水滤波的实现方法 101
6.4 基于硬件结构的星点信息提取算法 102
6.4.1 星点信息的提取原理 103
6.4.2 区域连接标签方法 104
6.4.3 在星敏感器中的星点信息提取的实现方法 108
6.4.4 星图识别算法的并行执行 113
6.5 本章小结 114
第7章 APS CMOS星敏感器的快速星图识别方法 115
7.1 全天自主星图识别原理 115
7.1.1 概况 115
7.1.2 全天自主星图识别算法原理 116
7.2 基于角距匹配的星图识别算法 117
7.2.1 导航星表的建立 117
7.2.2 星对角距查找表的建立 119
7.2.3 星对的角距法搜索 120
7.2.4 三角形算法 120
7.2.5 多边形匹配法 122
7.2.6 极点法 123
7.2.7 角距法总结 123
7.3 基于栅格坐标匹配的星图识别算法 124
7.3.1 栅格法星图识别的原理 124
7.3.2 栅格数据库的建立 125
7.3.3 栅格法识别过程 127
7.3.4 栅格法的理论分析 130
7.3.5 基于极坐标的栅格法 132
7.4 基于导航星域的快速星图识别算法 135
7.4.1 星图识别方法的现状与问题 135
7.4.2 κ矢量（κ-vector）介绍 137
7.4.3 星对角距的κ矢量和κ矢量查找表 138
7.4.4 利用κ矢量法进行星对角距定位 139
7.4.5 直接比较法的星图识别 139
7.4.6 导航星域和κ矢量联合法星图识别 142
7.4.7 全天星图识别算法的分析 145
7.5 递推模式的星图识别算法 146
7.5.1 递推星图识别算法原理 146
7.5.2 全天自主模式下的递推星图识别 147
7.5.3 跟踪模式下的递推星图识别 147
7.6 本章小结 149
第8章 星敏感器的地面测试与实验系统 150
8.1 引言 150
8.2 全天球动态星模拟器测试系统 150
8.2.1 基于全天球动态星模拟器的测试系统总体架构 151
8.2.2 系统的安装与调试 151
8.2.3 模拟星图生成原理 152
8.2.4 实验系统的参数标定 154
8.2.5 星敏感器实验室测试实验 156
8.2.6 误差分析 158
8.3 星敏感器真实星空实验 160
8.3.1 真实星空实验方法 160
8.3.2 与精度测试方法相关的地球运动规律 160
8.3.3 星敏感器测量地球转动原理及系统坐标系建立 162
8.3.4 星敏感器精度测试实现方法 165
8.3.5 星敏感器精度评价标准 171
8.3.6 真实星空实验结果 173
8.3.7 基于真实星空的坐标极性测试及抗杂光性能测试 176
8.4 环境实验测试系统 181
8.4.1 热真空实验测试系统 181
8.4.2 振动等力学实验的星敏感器状态监测方法 182
8.5 本章小结 183
第9章 星敏感器在轨测试 184
9.1 引言 184
9.2 长时间星敏感器在轨姿态数据分析 184
9.3 星图效果分析 186
9.3.1 星图识别等功能分析 186
9.3.2 姿态运算分析与精度分析 186
9.4 卫星机动实验 190
9.4.1 卫星机动过程实验 191
9.4.2 卫星机动过程中动态星图处理方法研究 192
9.4.3 真实在轨星图分析和处理结果 198
9.4.4 星敏感器高动态跟踪算法研究及高动态性能地面验证实验 204
9.5 微型星敏感器在轨评估软件 206
9.6 高精度高动态星敏感器应用情况 207
9.7 本章小结 208
第10章 纳型星敏感器及其在轨测试 209
10.1 引言 209
10.2 微纳卫星 209
10.2.1 微纳卫星概念和特点 209
10.2.2 微纳卫星姿态控制实现方法 210
10.2.3 星敏感器在微纳卫星中的作用 211
10.3 微纳星敏感器 212
10.3.1 微纳星敏感器的发展 212
10.3.2 纳型星敏感器总体设计 214
10.3.3 纳型星敏感器总体技术指标 215
10.3.4 纳型星敏感器地面测试 215
10.4 纳型星敏感器在轨应用 218
10.4.1 卫星姿态与角速率确定方法 219
10.4.2 卫星指向确定方法 220
10.5 本章小结 222
展望 223
参考文献 225