论文摘要：复合光学敏感器天体目标提取及自主导航方法研究

载人航天和深空探测技术的发展对航天器自主导航能力的要求愈加迫切。天文导航是利用光学敏感器测得的天体信息进行载体位姿计算的一种自主导航方法，在航空、航天和航海领域得到广泛应用。现有自主天文导航系统通常利用多个光学敏感器组合的形式工作。如果将这些光学敏感器进行复合，系统的体积、重量、功耗都会显著减小，有利于导航系统的轻小型化。

自主天文导航要求对复合光学敏感器拍摄到的近天体（地球）图像进行高精度的圆心提取。但这些算法复杂度较高，在软件上实现时不能满足实时性的需求。本文在软件平台上设计了天体目标提取算法，包括形态学预处理，基于Hessian矩阵的亚像素边缘提取，RANSAC排除局外点以及最小二乘法拟合圆心等。之后在FPGA平台上对上述算法进行并行化和流水线改造，在硬件上实现了高度并行的基于Hessian矩阵的亚像素边缘提取算法。提出投票式并行RANSAC算法，通过假设阶段的并行化和新的投票式数据检验方法，保证了运算的实时性。系统的整体处理速度得到提高，能满足实时高精度处理的要求。

本文在用四面镜实现的复合多视场光学敏感器基础上，从观测量的可见性、系统可观测性、滤波方法和导航精度等方面对天体敏感器视场布局进行分析总结，提出了一种可行的复合光学敏感器视场布局方案。本文还对航天器自主天文导航仿真中量测量的获取、滤波方法进行了研究，设计了复合多视场光学敏感器的4种实用工作模式。为了验证这些工作方式的精度，设计了模拟折射星观测量的方法，建立了基于复合多视场光学敏感器的自主天文导航仿真系统。其中双直接敏感地平+单间接敏感地平工作方式能提供最丰富的观测信息，导航精度最高。

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