Improved star identification algorithms and techniques for monochrome and color star trackers

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2017
Autor(a) principal: Márcio Afonso Arimura Fialho
Orientador(a): Leonel Fernando Perondi, Daniele Mortari
Banca de defesa: Ronan Arraes Jardim Chagas, Antônio Gil Vicente de Brum, Josiel Urbaninho de Arruda
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Engenharia e Gerenciamento de Sistemas Espaciais
Departamento: Não Informado pela instituição
País: BR
Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/08.10.22.44
Resumo: This work presents modeling, implementation, testing and simulation of a real-time attitude estimator using extended Kalman filter (FKE), applied to a three-axis air-bearing platform controlled by gas jet actuators. The goal of this work is to obtain an attitude determination algorithm that can replace the attitude estimate from the embedded inertial unit, currently in use by the platform electronics. Two models of estimators were implemented in MATLAB environment: in the first one, the state vector is composed only by the quaternions of the attitude, and in the second, the state vector is composed by quaternions and biases of the three gyroscopes. These estimators were tested using data from the sensors of the platforms inertial unit, and the results were compared with the attitude estimation sent by the internal attitude solution of the inertial unit. Finally, tests of the two FKE algorithms were performed in the simulation model of the air-bearing platform. Both Kalman filter-based estimators were successful in the attitude determination process, both in the tests using real data and in the simulation of control of the air-bearing platform. The proposed bias estimation functioned in a degraded way for the cases tested. We then hypothesized the reasons for this performance, and the convenience of estimating them in the proposed application.
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spelling info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisImproved star identification algorithms and techniques for monochrome and color star trackersTécnicas e algoritmos de identificação de estrelas aprimorados para sensores de estrelas coloridos e monocromáticos2017-08-17Leonel Fernando PerondiDaniele MortariRonan Arraes Jardim ChagasAntônio Gil Vicente de BrumJosiel Urbaninho de ArrudaMárcio Afonso Arimura FialhoInstituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)Programa de Pós-Graduação do INPE em Engenharia e Gerenciamento de Sistemas EspaciaisINPEBRstar trackers. star identification algorithms. image processing. photometric systems. fundamental limitssensores de estrelas. algoritmos de identificação de estrelas. processamento de imagens. sistemas fotométricos. limites fundamentais. simulações em computadorThis work presents modeling, implementation, testing and simulation of a real-time attitude estimator using extended Kalman filter (FKE), applied to a three-axis air-bearing platform controlled by gas jet actuators. The goal of this work is to obtain an attitude determination algorithm that can replace the attitude estimate from the embedded inertial unit, currently in use by the platform electronics. Two models of estimators were implemented in MATLAB environment: in the first one, the state vector is composed only by the quaternions of the attitude, and in the second, the state vector is composed by quaternions and biases of the three gyroscopes. These estimators were tested using data from the sensors of the platforms inertial unit, and the results were compared with the attitude estimation sent by the internal attitude solution of the inertial unit. Finally, tests of the two FKE algorithms were performed in the simulation model of the air-bearing platform. Both Kalman filter-based estimators were successful in the attitude determination process, both in the tests using real data and in the simulation of control of the air-bearing platform. The proposed bias estimation functioned in a degraded way for the cases tested. We then hypothesized the reasons for this performance, and the convenience of estimating them in the proposed application.Sensores de estrelas de cabeça-fixa modernos estão entre os sensores de atitude mais precisos disponíveis para uso em veículos espaciais. Seu princípio básico de operação consiste em adquirir imagens do céu e identificar as estrelas presentes nestas imagens, usando as estrelas identificadas como referências de atitude. Este processo engloba tarefas como pré-processamento de imagens, segmentação de imagens, cálculo de centroides, identificação de estrelas e determinação de atitude a partir de versores observados. Na tarefa de identificação de estrelas, este trabalho investiga como as informações de brilho (magnitudes) e cor (quando disponível) podem ser aproveitadas para melhorar a confiabilidade e a velocidade do processo de identificação de estrelas. Ao se incorporar verificações de magnitude e cor em um algoritmo de identificação de estrelas estado da arte, obteve-se uma redução na taxa de identificações incorretas maior que duas ordens de grandeza. Várias outras melhorias foram propostas e implementadas neste algoritmo de identificação de estrelas. Outras contribuições deste trabalho estão no uso de índices de cor (comum em astronomia, mas novo neste campo) na representação de cor em sensores de estrelas, com vantagens em relação à representação anteriormente usada na literatura, e no desenvolvimento de uma metodologia para avaliar a adequação de diferentes índices de cor no processo de identificação de estrelas. Uma investigação sobre tecnologias para imageamento a cores voltada para sensores de estrelas é realizada, na qual se verificou que sensores de imagem baseados em pixels empilhados apresentam potencial para aplicações futuras. Este trabalho também apresenta um algoritmo de pré-processamento de imagens simples para remoção da não uniformidade de coluna em sensores CMOS, desenvolvido para sensores de estrelas com pouca memória e baixo poder computacional. Uma estimativa do limite teórico para a precisão de sensores de estrelas é apresentada. Este limite representa, de certa forma, um limite fundamental para a precisão de sensores de estrelas que depende apenas da distribuição de estrelas na nossa vizinhança estelar, das dimensões físicas do sensor de estrelas e da duração da janela de tempo usada para observação das estrelas, sendo, portanto, completamente independente da tecnologia empregada. A utilidade desta estimativa é que ela provê uma referência ao qual se podem comparar diferentes sensores de estrelas. Esta estimativa foi calculada usando dados dos catálogos de estrelas Hipparcos, Tycho e 2MASS. Até onde o autor tenha conhecimento, o cálculo desta estimativa é uma contribuição original para esta área de pesquisa.http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/08.10.22.44info:eu-repo/semantics/openAccessengreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPEinstname:Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)instacron:INPE2021-07-31T06:55:31Zoai:urlib.net:sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/08.10.22.44.24-0Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://bibdigital.sid.inpe.br/PUBhttp://bibdigital.sid.inpe.br/col/iconet.com.br/banon/2003/11.21.21.08/doc/oai.cgiopendoar:32772021-07-31 06:55:31.752Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)false
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Sensores de estrelas de cabeça-fixa modernos estão entre os sensores de atitude mais precisos disponíveis para uso em veículos espaciais. Seu princípio básico de operação consiste em adquirir imagens do céu e identificar as estrelas presentes nestas imagens, usando as estrelas identificadas como referências de atitude. Este processo engloba tarefas como pré-processamento de imagens, segmentação de imagens, cálculo de centroides, identificação de estrelas e determinação de atitude a partir de versores observados. Na tarefa de identificação de estrelas, este trabalho investiga como as informações de brilho (magnitudes) e cor (quando disponível) podem ser aproveitadas para melhorar a confiabilidade e a velocidade do processo de identificação de estrelas. Ao se incorporar verificações de magnitude e cor em um algoritmo de identificação de estrelas estado da arte, obteve-se uma redução na taxa de identificações incorretas maior que duas ordens de grandeza. Várias outras melhorias foram propostas e implementadas neste algoritmo de identificação de estrelas. Outras contribuições deste trabalho estão no uso de índices de cor (comum em astronomia, mas novo neste campo) na representação de cor em sensores de estrelas, com vantagens em relação à representação anteriormente usada na literatura, e no desenvolvimento de uma metodologia para avaliar a adequação de diferentes índices de cor no processo de identificação de estrelas. Uma investigação sobre tecnologias para imageamento a cores voltada para sensores de estrelas é realizada, na qual se verificou que sensores de imagem baseados em pixels empilhados apresentam potencial para aplicações futuras. Este trabalho também apresenta um algoritmo de pré-processamento de imagens simples para remoção da não uniformidade de coluna em sensores CMOS, desenvolvido para sensores de estrelas com pouca memória e baixo poder computacional. Uma estimativa do limite teórico para a precisão de sensores de estrelas é apresentada. Este limite representa, de certa forma, um limite fundamental para a precisão de sensores de estrelas que depende apenas da distribuição de estrelas na nossa vizinhança estelar, das dimensões físicas do sensor de estrelas e da duração da janela de tempo usada para observação das estrelas, sendo, portanto, completamente independente da tecnologia empregada. A utilidade desta estimativa é que ela provê uma referência ao qual se podem comparar diferentes sensores de estrelas. Esta estimativa foi calculada usando dados dos catálogos de estrelas Hipparcos, Tycho e 2MASS. Até onde o autor tenha conhecimento, o cálculo desta estimativa é uma contribuição original para esta área de pesquisa.
description This work presents modeling, implementation, testing and simulation of a real-time attitude estimator using extended Kalman filter (FKE), applied to a three-axis air-bearing platform controlled by gas jet actuators. The goal of this work is to obtain an attitude determination algorithm that can replace the attitude estimate from the embedded inertial unit, currently in use by the platform electronics. Two models of estimators were implemented in MATLAB environment: in the first one, the state vector is composed only by the quaternions of the attitude, and in the second, the state vector is composed by quaternions and biases of the three gyroscopes. These estimators were tested using data from the sensors of the platforms inertial unit, and the results were compared with the attitude estimation sent by the internal attitude solution of the inertial unit. Finally, tests of the two FKE algorithms were performed in the simulation model of the air-bearing platform. Both Kalman filter-based estimators were successful in the attitude determination process, both in the tests using real data and in the simulation of control of the air-bearing platform. The proposed bias estimation functioned in a degraded way for the cases tested. We then hypothesized the reasons for this performance, and the convenience of estimating them in the proposed application.
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