CN109506645B - 一种星敏感器安装矩阵地面精测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星敏感器安装矩阵地面精测方法，包含：建立星敏感器基准坐标系和卫星基准坐标系；测量获得星敏感器基准坐标系的坐标轴与卫星基准坐标系中对应的坐标轴之间的夹角；利用夹角获得相应的星敏感器基准坐标系中坐标轴到卫星基准坐标系中各个坐标轴所在的平面的投影角以及对应的投影夹角，对星敏感器基准坐标系的坐标轴以两种不同的转序进行旋转，得到在旋转完成后的两个转角，根据两个转角，获得对应的转序的两个星敏感器基准坐标系的姿态转换矩阵；联立两个星敏感器基准坐标系的姿态转换矩阵，得到非线性方程组，使用最优解求解所述非线性方程组，得到星敏感器安装矩阵的精测结果。本发明提高对星敏感器安装矩阵地面精测的效率。

Description

一种星敏感器安装矩阵地面精测方法

技术领域

本发明涉及航天器技术领域，特别涉及一种星敏感器安装矩阵地面精测方法。

背景技术

遥测、通信等类型卫星为了完成自身的功能，均需要先确定自身的姿态信息(例如在轨道坐标系中的滚动角、俯仰角、偏航角),而对于有高精度测量要求的空间飞行器,不但要求确定自身的姿态信息,而且要求姿态确定精度要达到角秒级。星敏感器作为一种高精度的姿态敏感器,通常是高精度控制要求卫星的首选敏感器。

星敏感器通过对恒星成像进行姿态判定,由于恒星间的张角很小,恒星影像在真空中摄取的,摄影时刻恒星的赤经、赤纬是精确已知的,因此能够测算到角秒级的姿态角精度,也是目前为止精度最高的姿态测量仪器。

为了保证空间飞行器能够利用星敏感器获取高精度的姿态信息，星敏感器本身的安装精度标定就显得尤为重要。但是现有技术中对所述星敏感器本身的安装精度的标定(精测)方法，较为复杂，标定效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种星敏感器安装矩阵地面精测方法，实现在减少对角度的测量，提高时间效率的情况下，同样能获得高精度的星敏感器安装矩阵的目的。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种星敏感器安装矩阵地面精测方法，包含：建立星敏感器基准坐标系和卫星基准坐标系；测量获得所述星敏感器基准坐标系的坐标轴与所述卫星基准坐标系中对应的坐标轴之间的夹角；利用所述夹角获得相应的所述星敏感器基准坐标系中坐标轴到所述卫星基准坐标系中各个坐标轴所在的平面的投影角以及对应的投影夹角，对星敏感器基准坐标系的坐标轴以两种不同的转序进行旋转，得到在旋转完成后的两个转角，根据所述两个转角，获得对应所述转序的两个星敏感器基准坐标系的姿态转换矩阵；联立两个星敏感器基准坐标系的姿态转换矩阵，得到非线性方程组，使用最优解求解所述非线性方程组，得到星敏感器安装矩阵的精测结果。

进一步的，所述建立星敏感器基准坐标系的步骤进一步包含：

以星敏感器棱镜中心为坐标轴轴心O_aL，O_aLX_aL定义为垂直棱镜的安装面背向星敏感器的轴；O_aLY_aL定义为面向+O_aLX_aL方向，垂直于棱镜右方平面的轴；O_aLZ_aL满足右手法则；得到星敏感器基准坐标系O_aLX_aLY_aLZ_aL；

所述建立卫星基准坐标系的步骤进一步包含：

以卫星棱镜中心为坐标轴轴心O_b，O_bY_b定义为平行与星体安装面指向南向太阳翼的轴；O_aLZ_aL定义为垂直星体安装面指向载荷的轴；O_bX_b满足右手法则得到卫星基准坐标系O_bX_bY_bZ_b。

进一步的，所述星敏感器基准坐标系的坐标轴与所述卫星基准坐标系中对应的坐标轴之间的夹角采用经纬仪测量得到。

进一步的，所述星敏感器基准坐标系的坐标轴与所述卫星基准坐标系中对应的坐标轴之间的夹角进一步包括：O_aLX_aL轴与O_bX_b轴之间的夹角∠A，O_aLX_aL轴与O_bZ_b轴之间的夹角∠B，O_aLZ_aL轴与O_bX_b轴间的夹角∠C以及O_aLZ_aL轴与O_bZ_b轴之间的夹角∠D。

进一步的，计算O_aLX_aL轴与O_bX_bZ_b平面的投影角α₁，所述投影角α₁采用如下公式进行计算：

当星敏感器棱镜X轴跟本体Y轴角度大于等于90度时，

当星敏感器棱镜X轴跟本体Y轴角度小于90度时，

所述O_aLX_aL轴在O_bX_bZ_b平面的投影为O_aLX_aL′，计算O_aLX_aL′与O_bX_b轴的投影夹角β₁，所述投影夹角β₁采用如下公式进行计算：

式中，pi为π。

计算O_aLZ_aL轴与O_bX_bZ_b平面的投影角α₂，所述投影角α₂通过如下公式进行计算：

当星敏感器棱镜Z轴跟本体Y轴角度小于等于90度时，

当星敏感器棱镜Z轴跟本体Y轴角度大于90度时，

O_aLZ_aL轴到O_bX_bZ_b平面的投影为O_aLZ_aL′，计算O_aLZ_aL′与O_bZ_b轴的投影夹角β₂，所述投影夹角β₂通过如下公式进行计算：

式中，pi为π。

进一步的，假设第一种转序YZX的第三次转角为γ₁，建立所述星敏感器基准坐标系的第一姿态转换矩阵C_OHB1，

假设第二种转序YXZ的第三次转角为γ₂，建立所述星敏感器基准坐标系的第二姿态转换矩阵C_OHB2，

进一步的，所述第一姿态转换矩阵C_OHB1＝第二姿态转换矩阵C_OHB2，使用最优解求解非线性方程组的解，得到第一种转序YZX的第三次转角γ₁和所述第二种转序YXZ的第三次转角γ₂。

进一步的，将所述O_aLX_aL轴与O_bX_bZ_b平面的投影角α₁、所述O_aLZ_aL轴与O_bX_bZ_b平面的投影角α₂，所述O_aLX_aL′与O_bX_b轴的投影夹角β₁、所述O_aLZ_aL′与O_bZ_b轴的投影夹角β₂，第一种转序YZX的第三次转角γ₁和所述第二种转序YXZ的第三次转角γ₂，代入所述第一姿态转换矩阵C_OHB1和第二姿态转换矩阵C_OHB2求解，之后，采用如下方式求出所述星敏感器安装矩阵精测结果C_OHB，

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明只需要进行四个空间角度的测量，降低了对精测设备数量的要求，精简了星敏感器安装标定的时间，利用坐标系间的夹角计算相应的投影角及投影夹角，再根据投影夹角计算两种不同转序的星敏感器安装矩阵，通过使用最优解求解安装矩阵等式的非线性方程组，最终获得六个旋转角并计算得到星敏感器的安装矩阵。计算的方法可由一般数值解算软件进行计算，通过简单的计算方式，即可得到高精度的可信的星敏感器安装矩阵，提高了对星敏感器安装矩阵地面精测的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的星敏感器安装矩阵地面精测方法的流程图；

图2a为本发明实施例提供的星敏感器安装矩阵地面精测方法中的星敏感器基准棱镜坐标系的示意图；

图2b为本发明实施例提供的星敏感器安装矩阵地面精测方法中的卫星基准棱镜坐标系的示意图。

具体实施方式

承如背景技术所述，现有技术中对所述星敏感器本身的安装精度的标定(精测)方法较为复杂且标定效率低，具体的，这是因为星敏感器的安装精度标定方式是利用高精度的测量设备(测角仪或经纬仪)进行，通常使用多台(至少3台)高精度的测量设备标定出星敏感器坐标系与卫星平台坐标系之间的安装矩阵，从而满足控制***的使用要求。因为采用了高精度的测量仪器，需要在标定测试过程中需要对多台测试仪器本身的稳定度、垂直度、平行度及多台测试仪器之间的校准等内容进行调节，同时至少要测算出2个轴6个角度才能获得安装矩阵，因此，为获得高精度的星敏感器安装矩阵，通常需要花费数小时才能得到。

本发明只需要进行四个空间角度的测量，降低了对精测设备数量的要求，精简了星敏感器安装标定的时间，利用坐标系间的夹角计算相应的投影角及投影夹角，再根据投影夹角计算两种不同转序的星敏感器安装矩阵，通过使用最优解求解安装矩阵等式的非线性方程组，最终获得六个旋转角并计算得到星敏感器的安装矩阵。

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本实施例提供的一种星敏感器安装矩阵地面精测方法，包含以下过程：

步骤S1、建立星敏感器基准坐标系(星敏感器基准棱镜坐标系)和卫星基准坐标系(卫星基准棱镜坐标系)，进入步骤S2。具体的，如图2a所示，以星敏感器棱镜中心为坐标轴轴心O_aL，O_aLX_aL定义为垂直棱镜的安装面背向星敏感器的轴；O_aLY_aL定义为面向+O_aLX_aL方向，垂直于棱镜右方平面的轴；O_aLZ_aL满足右手法则；得到星敏感器基准坐标系O_aLX_aLY_aLZ_aL。

如图2b所示，以卫星棱镜中心为坐标轴轴心O_b，O_bY_b定义为平行与星体安装面指向南向太阳翼的轴；O_aLZ_aL定义为垂直星体安装面指向载荷的轴；O_bX_b满足右手法则得到卫星基准坐标系O_bX_bY_bZ_b。

星敏感器基准棱镜坐标系O_aLX_aLY_aLZ_aL，描述星敏感器的光学基准，与星敏感器基准棱镜固联。卫星基准棱镜坐标系O_bX_bY_bZ_b，描述卫星的控制基准，与卫星基准棱镜固联。星敏感器安装在卫星以后，为了获得星敏感器安装矩阵需确定星敏感器基准棱镜坐标系和卫星基准棱镜坐标系的关系。

步骤S2、测量获得星敏感器基准棱镜坐标系与卫星基准棱镜坐标系的夹角，进入步骤S3和步骤S4。具体的，采用对所述星敏感器安装矩阵进行标定时，使用的经纬仪对所述星敏感器基准棱镜坐标系与卫星基准棱镜坐标系的夹角进行精确测量，即以卫星基准棱镜坐标系为基准，利用所述经纬仪分别测量星敏感器基准棱镜坐标系的O_aLX_aL轴与卫星基准棱镜坐标系的O_bX_b、O_bZ_b轴之间的关系，以及星敏感器基准棱镜坐标系的O_aLZ_aL轴与卫星基准棱镜坐标系的O_bX_b、O_bZ_b轴之间的关系，得到以下四个夹角：夹角∠A、夹角∠B、夹角∠C以及夹角∠D。

其中，夹角∠A为O_aLX_aL轴与O_bX_b轴之间的夹角，夹角∠B为O_aLX_aL轴与O_bZ_b轴之间的夹角，夹角∠C为O_aLZ_aL轴与O_bX_b轴间的夹角，夹角∠D为O_aLZ_aL轴与O_bZ_b轴之间的夹角。

之后，利用所述步骤S2所测量得到的所述四个夹角计算对应的投影角和投影夹角，具体步骤如下：

步骤S3、计算O_aLX_aL轴与O_bX_bZ_b平面的夹角α₁，所述夹角α₁采用如下公式进行计算：

当星敏感器棱镜X轴跟本体Y轴角度大于等于90度：

当星敏感器棱镜X轴跟本体Y轴角度小于90度：

所述O_aLX_aL轴在O_bX_bZ_b平面的投影为O_aLX_aL′，计算O_aLX_aL′与O_bX_b的夹角β₁，所述夹角β₁采用如下公式进行计算：

范围[-pi，pi] (3)

式中，pi为π。

之后进入步骤S5。

步骤S4、计算O_aLZ_aL轴与O_bX_bZ_b平面的夹角α₂，所述夹角通过如下公式进行计算：

当星敏感器棱镜Z轴跟本体Y轴角度小于等于90度：

当星敏感器棱镜Z轴跟本体Y轴角度大于90度：

O_aLZ_aL轴到O_bX_bZ_b平面的投影为O_aLZ_aL′，计算O_aLZ_aL′与O_bZ_b轴的夹角β₂，所述夹角β₂通过如下公式进行计算：

范围[-pi，pi] (6)

式中，pi为π。

之后进入步骤S6。

步骤S5、根据步骤S3的计算结果，假定第一种转序为YZX，假设第一种转序YZX的第三次转角为γ₁，建立第一星敏感器安装矩阵C_OHB1，进入步骤S7，其中，所述第一星敏感器安装矩阵C_OHB1为：

步骤S6、根据步骤S4的计算结果，假定第二种转序为YXZ，假设第二种转序YXZ的第三次转角为γ₂，建立第二星敏感器安装矩阵C_OHB2进入步骤S7，其中，所述第二星敏感器安装矩阵C_OHB2为：

综上，所述第一和第二星敏感器安装矩阵为根据α₁、β₁、α₂、β₂的计算及定义，利用这4个角度，采用两种不同转序，计算出的卫星基准棱镜坐标系到星敏感器基准棱镜坐标系的姿态转换矩阵。

步骤S7、利用第一和第二星敏感器安装矩阵求解第一种转序YZX的第三次转角γ₁和所述第二种转序YXZ的第三次转角γ₂，进入步骤S8。由于卫星基准棱镜坐标系到星敏感器基准棱镜坐标系的姿态转换矩阵唯一确定，因此采用不同形式计算的两种星敏感器安装矩阵应相同，即：

C_OHB1＝C_OHB2

使用最优解求解非线性方程组的解，得到第一种转序YZX的第三次转角γ₁和所述第二种转序YXZ的第三次转角γ₂。

步骤S8、计算星敏感器安装矩阵的最终值，具体的

根据步骤S3～步骤S7获得到的α₁、α₂，β₁、β₂，γ₁、γ₂，计算得到第一和第二星敏感器安装矩阵C_OHB1和C_OHB2，即得到星敏感器安装矩阵的两种数值结果。

利用求出γ₁和γ₂计算的C_OHB1和C_OHB2的具体数值并不一定严格相等，这是由于仪器测量误差和测试环境等因素造成，以C_OHB1和C_OHB2作为星敏感器安装矩阵的两次测量采样，采用如下方式求出星敏感器安装矩阵的一阶近似，作为最终的星敏感器安装矩阵精测结果，如下所示：

综上所述，本发明只需要进行四个空间角度的测量，降低了对精测设备数量的要求，精简了星敏感器安装标定的时间，利用坐标系间的夹角计算相应的投影角及投影夹角，再根据投影夹角计算两种不同转序的星敏感器安装矩阵，通过使用最优解求解安装矩阵等式的非线性方程组，最终获得六个旋转角并计算得到星敏感器的安装矩阵。计算的方法可由一般数值解算软件进行计算，通过简单的计算方式，即可得到高精度的可信的星敏感器安装矩阵。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种星敏感器安装矩阵地面精测方法，其特征在于，包含：

建立星敏感器基准坐标系和卫星基准坐标系；

其中，以星敏感器棱镜中心为坐标轴轴心O_aL，O_aLX_aL定义为垂直棱镜的安装面背向星敏感器的轴；O_aLY_aL定义为面向+O_aLX_aL方向，垂直于棱镜右方平面的轴；O_aLZ_aL满足右手法则；得到星敏感器基准坐标系O_aLX_aLY_aLZ_aL；

其中，以卫星棱镜中心为坐标轴轴心O_b，O_bY_b定义为平行与星体安装面指向南向太阳翼的轴；O_aLZ_aL定义为垂直星体安装面指向载荷的轴；O_bX_b满足右手法则；得到卫星基准坐标系O_bX_bY_bZ_b；

测量获得所述星敏感器基准坐标系的坐标轴与所述卫星基准坐标系中对应的坐标轴之间的夹角，包含：O_aLX_aL轴与O_bX_b轴之间的夹角∠A，O_aLX_aL轴与O_bZ_b轴之间的夹角∠B，O_aLZ_aL轴与O_bX_b轴间的夹角∠C以及O_aLZ_aL轴与O_bZ_b轴之间的夹角∠D；

利用所述夹角获得相应的所述星敏感器基准坐标系中坐标轴到所述卫星基准坐标系中各个坐标轴所在的平面的投影角以及对应的投影夹角；

对星敏感器基准坐标系的坐标轴以两种不同的转序进行旋转，得到在旋转完成后的两个转角，根据所述两个转角，获得对应所述转序的两个星敏感器基准坐标系的姿态转换矩阵；

联立两个星敏感器基准坐标系的姿态转换矩阵，得到非线性方程组，使用最优解求解所述非线性方程组，得到星敏感器安装矩阵的精测结果。

2.如权利要求1所述的星敏感器安装矩阵地面精测方法，其特征在于，所述星敏感器基准坐标系的坐标轴与所述卫星基准坐标系中对应的坐标轴之间的夹角采用经纬仪测量得到。

3.如权利要求1所述的星敏感器安装矩阵地面精测方法，其特征在于，计算O_aLX_aL轴与O_bX_bZ_b平面的投影角α₁，所述投影角α₁采用如下公式进行计算：

当星敏感器棱镜X轴跟本体Y轴角度大于等于90度时，

当星敏感器棱镜X轴跟本体Y轴角度小于90度时，

所述O_aLX_aL轴在O_bX_bZ_b平面的投影为O_aLX_aL′，计算O_aLX_aL′与O_bX_b的投影夹角β₁，所述投影夹角β₁采用如下公式进行计算：

式中，pi为π；

计算O_aLZ_aL轴与O_bX_bZ_b平面的投影角α₂，所述投影角α₂通过如下公式进行计算：

当星敏感器棱镜Z轴跟本体Y轴角度小于等于90度时，

当星敏感器棱镜Z轴跟本体Y轴角度大于90度时，

O_aLZ_aL轴到O_bX_bZ_b平面的投影为O_aLZ_aL′，计算O_aLZ_aL′与O_bZ_b轴的投影夹角β₂，所述投影夹角β₂通过如下公式进行计算：

式中，pi为π。

4.如权利要求3所述的星敏感器安装矩阵地面精测方法，其特征在于，假设第一种转序YZX的第三次转角为γ₁，建立所述星敏感器基准坐标系的第一姿态转换矩阵C_OHB1，

假设第二种转序YXZ的第三次转角为γ₂，建立所述星敏感器基准坐标系的第二姿态转换矩阵C_OHB2，

5.如权利要求4所述的星敏感器安装矩阵地面精测方法，其特征在于，所述第一姿态转换矩阵C_OHB1＝第二姿态转换矩阵C_OHB2，

使用最优解求解非线性方程组的解，得到第一种转序YZX的第三次转角γ₁和所述第二种转序YXZ的第三次转角γ₂。

6.如权利要求5所述的星敏感器安装矩阵地面精测方法，其特征在于，将所述O_aLX_aL轴与O_bX_bZ_b平面的投影角α₁、所述O_aLZ_aL轴与O_bX_bZ_b平面的投影角α₂，所述O_aLX_aL′与O_bX_b轴的投影夹角β₁、所述O_aLZ_aL′与O_bZ_b轴的投影夹角β₂，第一种转序YZX的第三次转角γ₁和所述第二种转序YXZ的第三次转角γ₂，代入所述第一姿态转换矩阵C_OHB1和第二姿态转换矩阵C_OHB2求解，之后，采用如下方式求出所述星敏感器安装矩阵精测结果C_OHB，

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