一种星敏感器外场转换基准测定系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种星敏感器外场转换基准的测定系统及方法，所述的系统包括星敏感器1、天文引北经纬仪2、经纬仪A3、经纬仪B4、GPS天线5、GPS接收机6、气压温度传感器7和控制计算机8；所述的方法，使用本发明专利技术所述的系统；本方法应用恒星作为测量参考，测定星敏感器测量坐标系与基准棱体坐标系的转换关系。避免了传统实验室测定方法中，在星敏感器标定过程中，主点等参数受参数耦合影响而产生的估计误差。有效地提升了转换基准的测定精度。本方法广泛适用于各类型星敏感器外部引出基准的测定。

A Benchmark Measurement System and Method for Star Sensor Outfield Conversion

The invention relates to a measuring system and method of star sensor field conversion datum, which includes star sensor 1, astronomical north-guiding theodolite 2, theodolite A3, theodolite B4, GPS antenna 5, GPS receiver 6, pressure temperature sensor 7 and control computer 8; the method uses the system of the invention; the method uses stars as measurement reference to determine star sensitivity. The transformation relationship between the coordinate system of the instrument and the reference prism coordinate system. In the traditional laboratory measurement method, the estimation error caused by the coupling of parameters such as the main point in the calibration process of star sensor is avoided. The measurement accuracy of conversion datum is improved effectively. This method is widely applicable to the determination of external lead-out datum of various star sensors.

【技术实现步骤摘要】
一种星敏感器外场转换基准测定系统及方法
本专利技术属于天文导航领域，具体涉及一种星敏感器外场转换基准测定系统及方法。
技术介绍
关于星敏感器转换基准测定方法，尚未见有公开报道的专利。星敏感器是具有高度自主性的导航设备，通过视场中星点的观测矢量与天文星表中的参考矢量进行比对，测得载体的姿态信息。在实际测量过程中，星敏感器直接得到的是其测量坐标系相对参考坐标系的关系。测量坐标系建立在光电探测部件上，没有明确的外化特征。一般使用六面棱体将星敏感器的姿态测量结果传递给其它导航设备。各台星敏感器出厂前，棱体坐标系相对星敏感器测量坐标系的转换基准需要事先测定并写入姿态解算程序中。实际工作时，星敏感器直接输出棱体坐标系相对参考坐标系的姿态信息。转换基准对于星敏感器的精度性能至关重要，其测定误差将导致姿态测量结果引入固定偏差。目前星敏感器转换基准一般采用实验室方法测定：星敏感器安装在高精度转台上对长焦平行光管的模拟单星进行观测，转台发生不同角度模拟星点从不同方向入射。通过参数标定求解，可得出星敏感器测量坐标系与转台坐标系间的关系。转台个转轴上贴有基准棱镜，利用经纬仪可测得转台坐标系与星敏感器棱体坐标系间的关系。结合两次测量结果可测得星敏感器转换基准。实验室标定过程中存在参数耦合问题：标定采集质心数据中的误差将使得各个标定参数相互耦合，估计偏离真值。由于星敏感器光学镜头的畸变较小，因此成像模型接近于针孔模型，表征测量坐标系的主点参数受耦合的影响最为严重。根据仿真结果分析，主点位置误差可达到角分级别。该误差将直接引入转换基准的最终测定结果中，造成巨大的转换误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：克服传统星敏感器转换基准测定方法受实验标定过程参数耦合问题影响在测定精度方面的不足，提出一种星敏感器外场转换基准测定方法。该方法利用天文引北的方式确定棱体坐标系与当地惯性坐标系的关系。再结合星敏感器姿态信息、导航卫星信息和气象数据确定星敏感器测量坐标系与当地惯性坐标系的关系，最终测定转换基准。本方法测定精度高，广泛适用于各类星敏感器。本专利技术的技术方案如下：一种星敏感器外场转换基准的测定系统，包括星敏感器、天文引北经纬仪、经纬仪A、经纬仪B、GPS天线、GPS接收机、气压温度传感器和控制计算机；所述的星敏感器、GPS接收机和气压温度传感器分别与控制计算机相连，用于将相关数据信息传输至控制计算机；所述的GPS接收机与GPS天线相连，用于接收导航卫星传入的地理位置和时间信息；所述的天文引北经纬仪依据北极星建立当地惯性坐标系，为经纬仪A、经纬仪B提供基准信息，从而确定棱体坐标系与当地惯性坐标系的相互关系；所述的经纬仪A、经纬仪B分别对星敏感器棱体上相互正交的两个面的法向进行测定；所述的星敏感器对视场内的恒星进行观测，并将各帧星图数据送入控制计算机中；所述的控制计算机在收到星图数据后，结合导航卫星传入的地理位置和时间信息以及气压温度传感器传入的气压温度信息，确定星敏感器在当地惯性坐标系下的姿态；结合棱体坐标系与当地惯性坐标系的关系和星敏感器在当地惯性坐标系下的姿态，进而求得星敏感器的转换基准。一种星敏感器外场转换基准的测定方法，其特征在于本专利技术所述的系统，包括以下步骤：步骤一、将经纬仪A、经纬仪B经过精调平后，对星敏感器棱体上相互正交的两个面的法向进行测定；得到星敏感器棱体坐标系的两个轴向与各自瞄准经纬仪坐标系的相互关系；步骤二、天文引北经纬仪经过精调平后，以北极星为方位基准，确定当地惯性坐标系；步骤三、通过天文引北经纬仪分别与经纬仪A和经纬仪B的互瞄，将天文引北经纬仪测得的基准传给经纬仪A和经纬仪B，并得到棱体坐标系与当地惯性坐标系的关系；步骤四、通过对星敏感器视场中的恒星进行星图识别，得到观测恒星对应天文星表中的参考矢量，将这些矢量建立在天球坐标系下；步骤五、根据GPS接收机传入的地理经纬度信息和时间信息，测算出天球坐标系与当地惯性坐标系间的转换关系；步骤六、利用步骤五得到的天球坐标系与当地惯性坐标系间的转换关系，将天文星表中的参考矢量转换至当地惯性坐标系下；步骤七、由于大气对星光矢量存在折射影响，当地惯性坐标系下的参考矢量需要进行蒙气差补偿：根据传感器传入的温度信息、气压信息建立蒙气差模型，对参考矢量的天顶距进行修正；步骤八、将星敏感器测量得的观测矢量与经过步骤七的蒙气差补偿后的参考矢量联立，结算出星敏感器在地面惯性坐标系下的姿态；步骤九、结合步骤三求得的棱体坐标系与当地惯性坐标系的关系和步骤八求得的星敏感器在地面惯性坐标系下的姿态，求得星敏感器转换基准；为进一步消除大气路径对星敏感器姿态测量结果的影响，进行多次测量，运用QUEST算法进行优化求解。进一步的，所述的星敏感器的测量坐标系为OSS-XSSYSSZSS，星敏感器直接测得姿态的参考系；其中，XSS轴：在主视场像面上，正方向自左向右；YSS轴：在主视场像面上，正方向自下向上；ZSS轴：与主视场光轴重合，指向天空；所述的棱体坐标系OLT-XLTYLTZLT，以星敏感器基准棱体各面法向建立的参考系；经纬仪A坐标系OTR1-XTR1YTR1ZTR1和经纬仪B坐标系OTR2-XTR2YTR2ZTR2，作为测量棱体两个正交面的经纬仪建立的参考系，XTR1ZTR1平面和XTR2ZTR2平面为水平面；所述的当地惯性参考系ONTE-XNTEYNTEZNTE：XNTE轴，在水平面上，指向站心北向；YNTE轴，站心垂向上，指向天顶；ZNTE轴，在水平面上，指向站心东向。进一步的，步骤一中，经纬仪A3放置在能够瞄向棱体-XLT轴向并且能够与天文引北经纬仪互瞄的位置，且精确调平；通过前者，经纬仪ATR1在经纬度方向与棱体坐标系的-XLT轴向重合；在天文引北经纬仪和经纬仪A均精确调平的情况下，经纬仪A坐标系TR1与北天东坐标系仅相差一个偏航角的转动；记互瞄时，天文引北设备的经度是θref1，中间经纬仪的经度是θtr1；则棱体XLT轴向在北天东坐标系下的经纬度表示为：棱体XLT轴向在北天东坐标系下的方向矢量表示为：经纬仪B放置在能够瞄向棱体-YLT轴向并且能够与天文引北设备经纬仪互瞄的位置，且精确调平；通过前者，经纬仪BTR2在经纬度方向与棱体坐标系的-YLT轴向重合；进一步的，步骤二中,通过精确调平和北极星引北，天文引北经纬仪坐标系与北天东坐标系重合。进一步的，步骤三中,对互瞄进行过程必要的说明，在天文引北经纬仪和经纬仪B均精确调平的情况下，经纬仪B坐标系TR2与北天东坐标系仅相差一个偏航角的转动。记互瞄时，天文引北设备的经度是θref2，中间经纬仪的经度是θtr2；则棱体-YLT轴向在北天东坐标系下的经纬度表示为：棱体-YLT轴向在北天东坐标系下的方向矢量表示为：计算棱体坐标系至当地惯性坐标系关系根据矢量叉积定义，得到棱体ZLT轴向在北天东坐标系下的方向矢量表示为：根据双矢量定姿，求得棱体坐标系至当地惯性坐标系的旋转矩阵为：则当地惯性坐标系下的北向XNTE、天向YNTE和东向ZNTE在棱体坐标系的矢量表达为：进一步的，步骤五中,星图识别后，需利用天球坐标系至当地惯性坐标系的转换关系对导航星库中的参考星矢量进行参考系转换；该转换关系的求解过程先后包括：岁差补偿、章动补偿、自转补偿、极移补偿；其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星敏感器外场转换基准的测定系统，其特征在于：包括星敏感器(1)、天文引北经纬仪(2)、经纬仪A(3)、经纬仪B(4)、GPS天线(5)、GPS接收机(6)、气压温度传感器(7)和控制计算机(8)；所述的星敏感器(1)、GPS接收机(6)和气压温度传感器(7)分别与控制计算机(8)相连，用于将相关数据信息传输至控制计算机(8)；所述的GPS接收机(6)与GPS天线(5)相连，用于接收导航卫星传入的地理位置和时间信息；所述的天文引北经纬仪(2)依据北极星建立当地惯性坐标系，为经纬仪A(3)、经纬仪B(4)提供基准信息，从而确定棱体坐标系与当地惯性坐标系的相互关系；所述的经纬仪A(3)、经纬仪B(4)分别对星敏感器(1)棱体上相互正交的两个面的法向进行测定；所述的星敏感器(1)对视场内的恒星进行观测，并将各帧星图数据送入控制计算机(8)中；所述的控制计算机(8)在收到星图数据后，结合导航卫星传入的地理位置和时间信息以及气压温度传感器(7)传入的气压温度信息，确定星敏感器(1)在当地惯性坐标系下的姿态；结合棱体坐标系与当地惯性坐标系的关系和星敏感器(1)在当地惯性坐标系下的姿态，进而求得星敏感器(1)的转换基准。...

【技术特征摘要】
1.一种星敏感器外场转换基准的测定系统，其特征在于：包括星敏感器(1)、天文引北经纬仪(2)、经纬仪A(3)、经纬仪B(4)、GPS天线(5)、GPS接收机(6)、气压温度传感器(7)和控制计算机(8)；所述的星敏感器(1)、GPS接收机(6)和气压温度传感器(7)分别与控制计算机(8)相连，用于将相关数据信息传输至控制计算机(8)；所述的GPS接收机(6)与GPS天线(5)相连，用于接收导航卫星传入的地理位置和时间信息；所述的天文引北经纬仪(2)依据北极星建立当地惯性坐标系，为经纬仪A(3)、经纬仪B(4)提供基准信息，从而确定棱体坐标系与当地惯性坐标系的相互关系；所述的经纬仪A(3)、经纬仪B(4)分别对星敏感器(1)棱体上相互正交的两个面的法向进行测定；所述的星敏感器(1)对视场内的恒星进行观测，并将各帧星图数据送入控制计算机(8)中；所述的控制计算机(8)在收到星图数据后，结合导航卫星传入的地理位置和时间信息以及气压温度传感器(7)传入的气压温度信息，确定星敏感器(1)在当地惯性坐标系下的姿态；结合棱体坐标系与当地惯性坐标系的关系和星敏感器(1)在当地惯性坐标系下的姿态，进而求得星敏感器(1)的转换基准。2.一种星敏感器外场转换基准的测定方法，其特征在于使用权利要求1所述的系统，包括以下步骤：步骤一、将经纬仪A(3)、经纬仪B(4)经过精调平后，对星敏感器(1)棱体上相互正交的两个面的法向进行测定；得到星敏感器(1)棱体坐标系的两个轴向与各自瞄准经纬仪坐标系的相互关系；步骤二、天文引北经纬仪(2)经过精调平后，以北极星为方位基准，确定当地惯性坐标系；步骤三、通过天文引北经纬仪(2)分别与经纬仪A(3)和经纬仪B(4)的互瞄，将天文引北经纬仪(2)测得的基准传给经纬仪A(3)和经纬仪B(4)，并得到棱体坐标系与当地惯性坐标系的关系；步骤四、通过对星敏感器(1)视场中的恒星进行星图识别，得到观测恒星对应天文星表中的参考矢量，将这些矢量建立在天球坐标系下；步骤五、根据GPS接收机(6)传入的地理经纬度信息和时间信息，测算出天球坐标系与当地惯性坐标系间的转换关系；步骤六、利用步骤五得到的天球坐标系与当地惯性坐标系间的转换关系，将天文星表中的参考矢量转换至当地惯性坐标系下；步骤七、由于大气对星光矢量存在折射影响，当地惯性坐标系下的参考矢量需要进行蒙气差补偿：根据传感器传入的温度信息、气压信息建立蒙气差模型，对参考矢量的天顶距进行修正；步骤八、将星敏感器(1)测量得的观测矢量与经过步骤七的蒙气差补偿后的参考矢量联立，结算出星敏感器(1)在地面惯性坐标系下的姿态；步骤九、结合步骤三求得的棱体坐标系与当地惯性坐标系的关系和步骤八求得的星敏感器(1)在地面惯性坐标系下的姿态，求得星敏感器(1)转换基准；为进一步消除大气路径对星敏感器(1)姿态测量结果的影响，进行多次测量，运用QUEST算法进行优化求解。3.如权利要求2所述的一种星敏感器外场转换基准的测定方法，其特征在于：所述的星敏感器(1)的测量坐标系为OSS-XSSYSSZSS，星敏感器(1)直接测得姿态的参考系；其中，XSS轴：在主视场像面上，正方向自左向右；YSS轴：在主视场像面上，正方向自下向上；ZSS轴：与主视场光轴重合，指向天空；所述的棱体坐标系OLT-XLTYLTZLT，以星敏感器(1)基准棱体各面法向建立的参考系；经纬仪A(3)坐标系OTR1-XTR1YTR1ZTR1和经纬仪B(4)坐标系OTR2-XTR2YTR2ZTR2，作为测量棱体两个正交面的经纬仪建立的参考系，XTR1ZTR1...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊琨，王春喜，吴跃，张俊杰，李永刚，商秋芳，王强，
申请(专利权)人：北京航天计量测试技术研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11