精细导星自动调参算法仿真及验证技术研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:riyueshen1969
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空间天文望远镜受到系统内部运动组件和平台姿态控制部件作动等因素的影响,产生不同频率的抖动,因而望远镜系统中需要增加精密稳像控制环节,抑制以上因素导致的视轴抖动和模糊,由此提高系统稳定度。精密稳像系统通过精细导星仪对星点探测和解算,完成三大功能:首先,正常工作状态下能够时刻对获取到的恒星快速探测;其次,提取的星点质心坐标信息用于计算系统的视轴指向偏差(即检测视轴相对指向变化),为精密稳像系统光闭环提供星点目标反馈信号;最后,提取多个星点间质心位置的特征,使用匹配算法与导航星库完成匹配,快速获取望远镜视轴实时的绝对姿态信息。精细导星仪作为视轴姿态偏差检测器件,需要实时、精确地为精密稳像系统乃至整个空间天文望远镜提供相应的视轴状态解算数据。但因望远镜视轴指向天区观测范围大,导致星点亮度变化范围大、分布随机,按照常规方法每次上注探测参数解决不同天区的星点探测问题,将会导致系统实时性差、上注数据量大且不方便等缺点,因此诸多因素需要精细导星仪具备不同天区和星点特性灵活调整在轨参数的自适应能力。目前针对精细导星仪系统自动参数调整算法主要完成了以下几个方面的研究工作:1.提出一种精细导星仪自动调整参数和优化控制方法,星数分布模型区间寻优算法,结合星表、恒星特性和点光源成像数学模型,分析星点在探测器成像的特点,推导不同星点的光生电子数,以此估算相应数字码值;借助MATLAB数学工具模拟探测器成像效果和星点数提取算法,建立自动参数调整模型完成闭环仿真。提出了一种星数分布模型区间寻优算法,对于星数分布模型区间寻优算法在权重为1.2Δstar的调参方式在收敛时间和调参次数,具有明显优势,能够在1s内完成参数控制和星数收敛,满足系统要求,从仿真角度验证精细导星仪自动调参算法的可行性。2.研究了精细导星仪用CMOS探测器工作特性,重点将实测噪声纳入星点信号探测的积分时间下限,计算不同星等积分时间的合适取值范围。对成像相关的五项可调整参数:积分时间、PGA(模拟增益)、DGC(数字增益粗调)、DGF(数字增益细调)、ADC的调整效果完成线性拟合度实测,绘制均匀入射光条件下输出码值随参数调整的变化情况,结合分析结果优化调参设计方案。通过恒星星等的辐射特性及光学系统参数推算探测器焦面星斑的探测效果,根据探测器的最佳工作特性(满阱电子数、噪声、响应等)确定了积分时间、增益的可使用合理区间。3.完成FPGA平台搭建以及参数控制算法代码实现,搭建基于FIFO图像缓存控制状态机和DDR读写控制状态机的图像数据存储路径的代码模块,通过FPGA平台协助完成CMOS图像数据接收并完整存入DDR2的工作。通过在FPGA软件部分嵌入自适应处理与控制模块,针对CMOS图像探测器快速调参算法设计,对导星仪CMOS成像相关各参数合理控制,以提取到的有效星点数作为输出信号。以视场星点数稳定在设定区间为调参目标,使得成像后可用星点数收敛于期望区间,使得参数控制部分与探测器成像部分形成控制反馈。4.完成了系统测试及参数调整算法验证。分别对角分辨率与视场角、探测器暗背景、动态范围与坏元、信噪比、外景成像和星点探测与参数调整,以及系统功能与性能完成了验证测试。通过外景实验,获得了积分时间从300ms到400ms、模拟增益从2到8倍范围变化,得到星点的数量从2颗增加到6颗的实验分析结果,验证了模拟仿真参数调节的预期效果。MATLAB自动调参算法仿真与外景实验比对结果表明,实测效果与仿真结果能够吻合。本文创新点在于提出针对精细导星仪的工作参数自动调整优化控制算法,完成了可调整参数的良好调节特性和优先级策略分析,提出了一种星数分布模型区间寻优算法,完成星图仿真到星点计数到自动调参的闭环仿真流程验证,搭建FPGA硬件平台并实现了优化可调参数的控制方案。最终,通过FPGA软硬件级测试、实验室测试以及外景星点获取和参数调整试验,在不同层级验证了提出方法的可行性和合理性。
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