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摘要：地面外场观星测试和室内动态星模拟器测试是星敏感器姿态测量系统的两种测试方式。由于注入式仿真试验不受核心显示器等关键器件的制约，在有限的条件下也是一种有效的处理方式。星图模拟闭环仿真系统的关键技术是闭环构建和天球星图仿真。将导航星库、数字图像生成器与飞行器运动方程综合处理，控制闭环系统延时，精确仿真目标像素位置，是保证闭环构建逼真度的主要途径；采用天空背景辐射模型仿真，并融入噪声仿真，是保证天球星图仿真逼真度的关键。本文介绍仿真实验系统组成，并就以上两关键技术进行分析、论证。
关键词：星敏感器图像注入闭环仿真
1007-9416（2012）09-0067-02
关于星敏感器姿态测量系统仿真试验，具有辐射式（光测试）和数字图像注入式（电测试）两种方式。相比之下，注入式系统建设费用低，在有限的条件下是一种现实的仿真试验方式。星敏感器系统测试内容主要包括单星标定、多星姿态解算、姿态测量精度、星图识别及匹配能力、抗干扰能力、系统灵敏度。其中，单星标定、抗干扰能力指标通过开环仿真试验测试，多星姿态解算、姿态测量精度、星图识别及匹配能力系统灵敏度指标通过闭环仿真试验测试。本文对闭环仿真有关问题进行探讨。
（2）数据库。数据库为数字图像生成器提供SAO星表、天空背景辐射特性、星际消光特性、大气消光特性、被试星敏感器光谱响应特性等数据和模型资源。
（3）数字图像生成器。数字图像生成器是整个仿真试验系统研制的难点，其主要用途有三：一是根据SAO星表挑选导航星构建导航星库；二是根据试验想定，产生天空背景辐射图和图像噪声；三是根据轨道信息，全天球分区搜索视场内星图，调用背景辐射图和图像噪声合成数字图像。
（4）数字图像注入分系统。图像注入分系统提供注入接口，并负责数字图像通信控制。其通信和接口协议应与被试对象一致。
（5）姿态解算器。姿态解算器与被试星敏感器一起完成数字星图的接收、星点的提取、星图匹配以及姿态解算，同时将得到的姿态信息反馈给飞行器轨道生成器。
第一步：（1）将视星等转换成仪器星等。因为视星等一样光谱型不同的恒星在星敏感器上的输出响应不同，所以此步转换必须进行。（2）进行大气消光的弥补。因为SAO星表中恒星亮度等级是经过大气消光作用后得到的，而卫星观星是在大气层外进行的，所以大气消光的弥补也必须进行。
第二步：（1）对变星，其星等变化幅度应小于0.1星等。（2）对多星，靠的最近的两星等之差应大于5等，或角距小于5″。（3）星库中位置误差小于0.25″。（4）星库中星等误差小于0.25。（5）在0.2°内的邻星应暗5等的差异。（6）在0.6°内的邻星应有暗0.75等的差异。（7）年总自行应小于0.7″。
第三步：满足步骤二要求且星等在+2～+
第五步：按照任务需求（即飞行轨道）挑选导航星。
式中，为光轴的中心纬度，为视场的对角度数，为姿态的不确定度，为赤纬的分区间隔，为赤纬的分带总数，为向上取整。
星区编号的赤经左右界的计算与赤纬上下界的计算方法略有区别，它需要考虑到天球上赤经弧长随纬度增加而逐渐缩短的情况，视场投影到天球上的某点时，视场对精度的覆盖范围相当于膨胀了，为该店纬度。
式中，为视轴中心的赤经。其余符号同上。
（1）天球背景辐射图数据的准备。以天空背景辐射模型为依据，确定天球背景图，背景区域的辐射经过被试对象成像探测效应处理，转化成灰度图像的天球背景图。一次试验进程只有一个背景辐射图数据，背景辐射图数据对应的视场角可以很大。
（2）视场区域星图序列数据准备。视场区域星图序列数据经过逆大气辐射传输和被试对象成像探测效应（处理，转化成灰度图像的视场区域星图（为了更高的进度可以进行星图的颜色模拟[3]），各星图数据必须以相同的像素规模包含所有的目标恒星。
（3）图像噪声序列的准备。图像噪声主要来源于被试对象探测器本身，包括图像固有噪声和随机噪声。为了提高仿真效率，应预先建立好图像噪声模型。
（4）仿真图像的实时合成。在仿真试验进程中，实时地将天球背景辐射数据、视场区域星图序列数据和合成噪声序列数据进行合成，合成方法为：视场区域星
（1）光学系统效应。光学系统的作用是将天空背景和恒星的电磁波辐射转换为平面辐射照度，其模型用（5）式表示。
关键词：星敏感器图像注入闭环仿真
1007-9416（2012）09-0067-02
关于星敏感器姿态测量系统仿真试验，具有辐射式（光测试）和数字图像注入式（电测试）两种方式。相比之下，注入式系统建设费用低，在有限的条件下是一种现实的仿真试验方式。星敏感器系统测试内容主要包括单星标定、多星姿态解算、姿态测量精度、星图识别及匹配能力、抗干扰能力、系统灵敏度。其中，单星标定、抗干扰能力指标通过开环仿真试验测试，多星姿态解算、姿态测量精度、星图识别及匹配能力系统灵敏度指标通过闭环仿真试验测试。本文对闭环仿真有关问题进行探讨。
1、仿真试验系统构想（图1）
（1）飞行器轨道生成器。飞行器轨道生成器为数字图像生成器提供飞行器的实时飞行姿态信息，即俯仰角、滚动角和偏航角。同时接收由姿态解算器反馈的飞行器姿态信息。（2）数据库。数据库为数字图像生成器提供SAO星表、天空背景辐射特性、星际消光特性、大气消光特性、被试星敏感器光谱响应特性等数据和模型资源。
（3）数字图像生成器。数字图像生成器是整个仿真试验系统研制的难点，其主要用途有三：一是根据SAO星表挑选导航星构建导航星库；二是根据试验想定，产生天空背景辐射图和图像噪声；三是根据轨道信息，全天球分区搜索视场内星图，调用背景辐射图和图像噪声合成数字图像。
（4）数字图像注入分系统。图像注入分系统提供注入接口，并负责数字图像通信控制。其通信和接口协议应与被试对象一致。
（5）姿态解算器。姿态解算器与被试星敏感器一起完成数字星图的接收、星点的提取、星图匹配以及姿态解算，同时将得到的姿态信息反馈给飞行器轨道生成器。
2、由SAO星表构建导航星库
SAO星表始于1966年，是有史密森天文台发起编制的。目前SAO J2000.0星表包含了258997可恒星，每颗恒星数据包括恒星位置、恒星自行、亮度等级以及光谱型等，SAO J2000.0星表总大小为51.85M字节，数据量相当大，不能直接作为导航星库。
2.1 根据任务需求构建导航星库
不同的飞行任务对导航星库的要求也不一样，例如卫星都具有特定的轨道，导航星库就需要根据此轨道进行构建。根据任务需求构建导航星库的步骤如下：第一步：（1）将视星等转换成仪器星等。因为视星等一样光谱型不同的恒星在星敏感器上的输出响应不同，所以此步转换必须进行。（2）进行大气消光的弥补。因为SAO星表中恒星亮度等级是经过大气消光作用后得到的，而卫星观星是在大气层外进行的，所以大气消光的弥补也必须进行。
第二步：（1）对变星，其星等变化幅度应小于0.1星等。（2）对多星，靠的最近的两星等之差应大于5等，或角距小于5″。（3）星库中位置误差小于0.25″。（4）星库中星等误差小于0.25。（5）在0.2°内的邻星应暗5等的差异。（6）在0.6°内的邻星应有暗0.75等的差异。（7）年总自行应小于0.7″。
第三步：满足步骤二要求且星等在+2～+
5.7等的导航星。
第四步：使导航星在天球上分布趋于均匀且保留较亮的星。第五步：按照任务需求（即飞行轨道）挑选导航星。
2.2 导航星库的读取
已知星敏感器视轴指向，要确定视场所覆盖区域的星图，首先得确定天球区域的赤纬边界和赤经边界。星区编号的赤纬上界计算方法为式中，为光轴的中心纬度，为视场的对角度数，为姿态的不确定度，为赤纬的分区间隔，为赤纬的分带总数，为向上取整。
星区编号的赤经左右界的计算与赤纬上下界的计算方法略有区别，它需要考虑到天球上赤经弧长随纬度增加而逐渐缩短的情况，视场投影到天球上的某点时，视场对精度的覆盖范围相当于膨胀了，为该店纬度。
式中，为视轴中心的赤经。其余符号同上。
3、数字图像生成
3.1 总体思路
闭环试验的实时性对数字图像生成速度提出了很高的要求，为满足这一要求，可把数字图像仿真的绝大部分工作放在仿真进程前期准备阶段完。（1）天球背景辐射图数据的准备。以天空背景辐射模型为依据，确定天球背景图，背景区域的辐射经过被试对象成像探测效应处理，转化成灰度图像的天球背景图。一次试验进程只有一个背景辐射图数据，背景辐射图数据对应的视场角可以很大。
（2）视场区域星图序列数据准备。视场区域星图序列数据经过逆大气辐射传输和被试对象成像探测效应（处理，转化成灰度图像的视场区域星图（为了更高的进度可以进行星图的颜色模拟[3]），各星图数据必须以相同的像素规模包含所有的目标恒星。
（3）图像噪声序列的准备。图像噪声主要来源于被试对象探测器本身，包括图像固有噪声和随机噪声。为了提高仿真效率，应预先建立好图像噪声模型。
（4）仿真图像的实时合成。在仿真试验进程中，实时地将天球背景辐射数据、视场区域星图序列数据和合成噪声序列数据进行合成，合成方法为：视场区域星
摘自：毕业论文摘要www.udooo.com
图中所有恒星数据信息替换天球背景辐射图相应位置的数据，再与图像噪声数据相加。3.2 探测器效应仿真
探测器效应包括光学系统效应、图像畸变、探测器残像和探测器噪声效应。（1）光学系统效应。光学系统的作用是将天空背景和恒星的电磁波辐射转换为平面辐射照度，其模型用（5）式表示。
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