CN103487055B - 一种星惯组合还原目标空间分布的方法 - Google Patents

Abstract

一种星惯组合还原目标空间分布的方法属于天文导航技术领域，通过结合航天器的实时姿态和星敏感器的安装矩阵，计算星敏感器坐标系与赤惯坐标系间的姿态转换矩阵；对星敏感器提取的目标点信息构造归一化的观测矢量；根据星敏感器在赤惯坐标系下的姿态转换矩阵，计算目标点在赤惯坐标系下的参考矢量，并计算目标在赤惯坐标系以赤经和赤纬定义的二维坐标系下的坐标；重复上述步骤，将多帧图像的目标点投影到天球二维坐标系，叠加在一起，得到某一时间段内星敏感器视场内目标点在赤惯坐标系下的分布图。本发明解决了事后分析星敏感器在轨期间数据时，判别视场内目标类型工作量大，且结果显示不直观的问题，以简单的方式有效地为结果分析提供基础数据。

Description

一种星惯组合还原目标空间分布的方法

技术领域

本发明属于天文导航技术领域，具体涉及一种星惯组合还原目标空间分布的方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人类争夺资源的加剧，航天技术的重要性显著增加。可以预见，航天事业将成为支撑人类科学研究、日常生活的支柱产业。在航天技术拥有的众多环节中，航天器姿态确定是其中最基础、最重要的任务之一。

姿态确定由姿态敏感器完成，如经典的星/惯组合导航方式中的星敏感器和惯性导航部件，状态良好的姿态敏感器可以很好地完成姿态确定任务。然而遗憾的是，航天器所处的空间物理环境并非理想的，在利用星敏感器校正惯导***，补偿惯性器件漂移的过程中，其视场中出现的景物除了有效的观测目标——恒星外，还包括如行星、星云、其它空间飞行器、空间碎片、地月形成的杂散光以及航天器自身的喷发物等等，这些都属于非预期的假目标。

星敏感器在轨期间拍摄到的目标属于哪一类，我们无法实时分析，仅能在事后对数据进行分析判别。分析得到的结果，不仅能使我们更了解空间环境，也能够使我们的空间飞行器及星敏感器更好地工作，从而更适应这种空间环境。当然，原始星图对于分析这些目标最为直观，但是由于遥测带宽的限制，无法传输完整的原始星图，仅能够将星敏感器实时提取的目标点信息通过遥测资源下传。

此时，如何利用已有的有限的资源进行分析？分析方法就显得非常重要，通常，可以结合航天器的实时姿态数据，采用模拟星图、速度匹配等方法，但这些方法不直观，而且工作量大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，得到直观、有效的分析结果，并减小分析的工作量，本发明提供了一种星惯组合还原目标空间分布的方法，该方法原理简单，使用方便。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种星惯组合还原目标空间分布的方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：结合航天器在赤惯坐标系的姿态和星敏感器在航天器上的安装矩阵，计算星敏感器坐标系与赤惯坐标系间的姿态转换矩阵；

步骤二：对星敏感器提取的目标点信息构造归一化的观测矢量；

步骤三：根据星敏感器在赤惯坐标系下的姿态转换矩阵，计算目标点在赤惯坐标系下的参考矢量，并计算目标在赤惯坐标系以赤经和赤纬定义的二维坐标系下的坐标；

步骤四：重复步骤一至步骤三，将多帧图像的目标点投影到赤惯坐标系，叠加在一幅图像中，得到某一时间段内星敏感器视场内目标点在赤惯坐标系下的分布图。

本发明的有益效果是：本发明将多帧星敏感器提取的目标数据利用姿态变换的方式还原到赤惯坐标系，并转换为可视的图像，结果显示直观，方法简单，易于实现，工作量小，对分析飞行任务中星敏感器视场内的目标具有非常实用的价值和指导性的作用。

附图说明

图1为单帧星敏感器数据变换到赤惯坐标系下的流程图。

图2为星敏感器像平面坐标系和像空间坐标系。

图3为星敏感器视场内的目标还原到赤惯坐标系下的叠加图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为单帧星敏感器数据变换到赤惯坐标系下的流程图，具体包含步骤一～步骤三。

步骤一：

已知航天器在赤惯坐标系下的姿态角和姿态转换矩阵，结合星敏感器在航天器上的安装矩阵，计算星敏感器坐标系与赤惯坐标系间的姿态转换矩阵；

假设星敏感器在航天器上的安装矩阵为M_ss，航天器在赤惯坐标系下的姿态转换矩阵为M_st，那么，星敏感器在赤惯坐标系下在姿态转换矩阵为M_xm＝M_st×M_ss。

步骤二：

对星敏感器提取的目标点信息构造归一化的观测矢量；

星敏感器坐标系如图2所示，图中O-uv平面为星敏感器像平面坐标系，O_s-xyz为星敏感器像空间坐标系，OO_s为星敏感器焦距f，假设目标点S_i在星敏感器像面坐标系中的坐标为(u_i,v_i)，目标点S_i在星敏感器像空间坐标系的观测矢量归一化后，即为 $S_i=\frac{1}{\sqrt{u_i^2+v_i^2+f^2}}{\left(\begin{array}{ccc}{u}_i& v_i& -f\end{array}\right)}^T.$

步骤三：

根据星敏感器在赤惯坐标系下的姿态转换矩阵，计算目标观测矢量在赤惯坐标系下的参考矢量，并计算目标在赤惯坐标系以(赤经，赤纬)定义的二维坐标系下的坐标；

根据步骤一中得到的星敏感器在赤惯坐标系下的姿态转换矩阵，将星敏感器像空间坐标系中的观测矢量S_i转换到赤惯坐标系下，得到参考矢量R_i。

$\begin{array}{c}{R}_i={\left(\begin{array}{ccc}{x}_i& y_i& z_i\end{array}\right)}^T\\ ={\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\α}}_i{\mathrm{cos\δ}}_i& {\mathrm{sin\α}}_i{\mathrm{cos\δ}}_i& {\mathrm{sin\δ}}_i\end{array}\right)}^T\\ =M_{xm}^{-1}\·S_i\\ =M_{xm}^{-1}\·\frac{1}{\sqrt{u_i^2+v_i^2+f^2}}{\left(\begin{array}{ccc}{u}_i& v_i& -f\end{array}\right)}^T\end{array}$

(x_iy_iz_i)是恒星在赤道直角坐标系下的三维坐标，(α_iδ_i)是恒星在赤惯坐标系下的二维坐标。则该目标在赤惯二维坐标系下的(赤经，赤纬)坐标为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_i=\arctan 2(y_i/x_i)\\ {\mathrm{\δ}}_i=\arcsin \left(z_i\right)\end{array}\right..$

步骤四：

重复步骤一～步骤三，将多帧目标点投影到赤惯坐标系，叠加在一幅图像中，得到某一时间段星敏感器视场内目标点在赤惯坐标系下的分布图，如图3所示。图中，坐标横轴为赤经，坐标纵轴为赤纬，单位为度，“+”为星表中亮于5.5Mv的恒星，“*”为图像中的目标点还原到赤惯坐标系下的坐标，“◆”表示星敏感器的视轴指向。

图3所示的计算结果已经可以为分析进入星敏感器视场内的目标类型提供基础数据，并作初步判断。若图像中的目标点为恒星，通过该方法还原到赤惯坐标系后，应稳定地位于星表中某一恒星附近；而其它类型的目标，初步结果可以通过叠加后的图像，分析目标点在赤惯坐标系下的运动轨迹来判断，因惯性空间中自由飞行的物体不受或受很小的引力作用，按惯性定律，物体将做匀速直线运动；那些运动轨迹与星敏感器视轴运动轨迹一致的目标，则初步判断为航天器的伴飞物或喷发物。而更进一步的判断则要结合其它数据一起分析。

Claims (1)

1.一种星惯组合还原目标空间分布的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：结合航天器在赤惯坐标系的姿态和星敏感器在航天器上的安装矩阵，计算星敏感器坐标系与赤惯坐标系间的姿态转换矩阵；

步骤二：对星敏感器提取的目标点信息构造归一化的观测矢量；

步骤三：根据星敏感器在赤惯坐标系下的姿态转换矩阵，计算目标点在赤惯坐标系下的参考矢量，并计算目标在赤惯坐标系以赤经和赤纬定义的二维坐标系下的坐标；

步骤四：重复步骤一至步骤三，将多帧图像的目标点投影到赤惯坐标系，叠加在一幅图像中，得到某一时间段内星敏感器视场内目标点在赤惯坐标系下的分布图。