矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵室外标定系统及方法。包括矢量磁力仪、星敏感器、无磁转台、数据处理设备、地磁场监测磁强计、标量磁力仪、GPS接收机以及经纬仪。主要解决了在室外精确获知矢量磁力仪与星敏感器之间非正交安装矩阵的问题。在满足观星和磁梯度稳定的室外条件下，将矢量磁力仪和星敏感器安装在无磁转台上，通过多次旋转换算出星敏感器与磁力仪间的安装矩阵。具有操作简单、测量精度高的特点，可用于空间磁场、重力场探测等科学试验卫星等领域。

Calibration system and method of non orthogonal installation matrix of vector magnetometer and star sensor

【技术实现步骤摘要】
矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统及方法
本专利技术涉及卫星领域，具体地，涉及一种用于矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵室外标定方法。
技术介绍
地磁学是地球物理学和空间物理学的一个重要组成部分，是连接固体地球物理学与空间物理学的桥梁。它是由基本磁场与变化磁场两部分组成的。基本磁场来源于地球内部，研究它的变化及起源，是地球动力学研究的重要内容之一；变化的磁场则与电离层的变化和太阳活动等有关。对变化的磁场的研究是日地物理研究中的热门课题。通过卫星所观测到的磁场的变化包括了上至太阳活动、星际空间、磁层、电离层活动，下至地壳构造、地震活动、地球深部导电特征、地核变化的各种丰富的信息，卫星能够为地球物理和空间物理研究提供全球高分辨率的科学数据，满足科学研究的需求。矢量磁力仪是磁场信息获取的关键器件，星敏感器是卫星位姿确定的关键系统，因此，通过星敏感器确定矢量磁力仪的空间位姿是精确磁场信息获取的必要保障。500km高度地磁场强度幅在±50000nT范围内变化，矢量磁力仪空间方位角如果有2〃误差，测得的磁场数据在某一分量上的误差则达到0.49nT，因此矢量磁力仪磁轴的确定是地磁场高精度测量的关键问题。为精确获得矢量磁力仪的三轴姿态，需要对磁测载荷磁轴与星敏光轴之间的安装矩阵在地面进行精确预标定，以满足地磁场测量的精度要求。专利CN106092106A专利采用的是以NED坐标系为参考坐标系，在零磁环境中，通过旋转得到磁通门传感器与NED坐标系的欧拉角关系，以及星敏感器与NED坐标系的欧拉角关系，最终得到星敏感器与磁通门传感器的欧拉角关系，在整个标定过程中星敏感器无法观星，而是借助星模拟器进行标定，无法对矢量磁力仪磁轴和星敏感器光轴进行直接关联标定。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统及方法。根据本专利技术提供的一种矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统，包括矢量磁力仪1、星敏感器2、无磁转台3、数据处理设备4、地磁场监测磁强计5、标量磁力仪7、GPS接收机8以及经纬仪9，其中：矢量磁力仪1与星敏感器2共同构成被测件，被测件放置在无磁转台3上；矢量磁力仪1的球心置于无磁转台3旋转轴线上；保证试验过程中星敏感器2至少有两个可以同时观星；矢量磁力仪1和星敏感器2的输出数据连接至数据处理设备4；地磁场监测磁强计5、GPS接收机8以及经纬仪9均布置在无磁转台3周围；标量磁力仪7放置在无磁转台3上。优选地，矢量磁力仪1安装位置由监测系统6监测。本专利技术还提供一种基于上述的矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统的矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定方法，包括如下步骤：坐标系建立步骤：在晴朗的夜空且地地磁场梯度<1nT的外场试验环境下，在无磁转台3建立地理坐标系；转换关系获得步骤：通过地磁场监测磁强计5测量地理坐标系下的地磁矢量变化；通过标量磁力仪7测量地理坐标系下的标量变化ΔB；通过GPS接收机8和经纬仪9记录试验过程中试验场地的时间和地理位置，获得惯性坐标系到地理坐标系的转换关系初始步骤：以矢量磁力仪1的球心为中心，将被测件与无磁转台3台面夹角调整到0°；旋转测量步骤：将无磁转台3绕z轴逆时针或者顺时针以β角等间隔旋转一周，逐点记录矢量磁力仪1测量值为BVFC，记录星敏感器2在惯性坐标系下的测量值为建立等式角度调整测量步骤：以矢量磁力仪1的球心为旋转轴心，被测件绕X轴在YOZ平面内逆时针或顺时针等间隔旋转，并重复旋转测量步骤；求解步骤：求解多次测量建立方程组：采用拟合方法进行地理坐标系下地磁场BGCS的数据处理，最终获得矢量磁力仪1到星敏感器2的非正交安装矩阵优选地，所述转换关系获得步骤包括：已知格林威治恒星时t，以及当地经度λ、纬度地球角速度ωie，则惯性坐标系相对到地理坐标系的转换关系为：优选地，所述求解步骤包括：已知格林威治恒星时t，以及当地经度λ、纬度φ，地球角速度ωie；等式为需要计算的方程，其中：是矢量磁力仪测得的地磁矢量；是地磁场监测磁强计测得的当地地磁场变化；BGCS是当地地理坐标系下的地磁场真值，视为常矢量；通过旋转矢量磁力仪与星敏感器的固联平台的方法，得到不同地磁场矢量方程，联立方程组求解与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术主要解决了在室外精确获知矢量磁力仪与星敏感器之间非正交安装矩阵的问题。在满足观星和磁梯度稳定的室外条件下，将矢量磁力仪和星敏感器安装在无磁转台上，通过多次旋转换算出星敏感器与磁力仪间的安装矩阵。具有操作简单、测量精度高的特点，可用于空间磁场、重力场探测等科学试验卫星等领域。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为用于矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵室外标定系统示意图。图中示出：1—矢量磁力仪；2—星敏感器；3—无磁转台；4—数据处理设备；5—地磁场监测磁强计；6—监测系统；7—标量磁力仪；8—GPS接收机；9—经纬仪。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，根据本专利技术提供的一种矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统，包括矢量磁力仪1、星敏感器2、无磁转台3、数据处理设备4、地磁场监测磁强计5、标量磁力仪7、GPS接收机8以及经纬仪9，其中：矢量磁力仪1与星敏感器2共同构成被测件，被测件放置在无磁转台3上；矢量磁力仪1的球心置于无磁转台3旋转轴线上；保证试验过程中星敏感器2至少有两个可以同时观星；矢量磁力仪1和星敏感器2的输出数据连接至数据处理设备4；地磁场监测磁强计5、GPS接收机8以及经纬仪9均布置在无磁转台3周围；标量磁力仪7放置在无磁转台3上。矢量磁力仪1安装位置由监测系统6监测。本专利技术还提供一种基于上述的矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统的矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定方法，包括如下步骤：坐标系建立步骤：在晴朗的夜空且地地磁场梯度<1nT的外场试验环境下，在无磁转台3建立地理坐标系；转换关系获得步骤：通过地磁场监测磁强计5测量地理坐标系下的地磁矢量变化；通过标量磁力仪7测量地理坐标系下的标量变化ΔB；通过GPS接收机8和经纬仪9记录试验过程中试验场地的时间和地理位置，获得惯性坐标系到地理坐标系的转换关系初始步骤：以矢量磁力仪1的球心为中心，将被测件与无磁转台3台面夹角调整到0°；旋转测量步骤：将无磁转台3绕z轴逆时针或者顺时针以β角等间隔旋转一周本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统，其特征在于，包括矢量磁力仪(1)、星敏感器(2)、无磁转台(3)、数据处理设备(4)、地磁场监测磁强计(5)、标量磁力仪(7)、GPS接收机(8)以及经纬仪(9)，其中：/n矢量磁力仪(1)与星敏感器(2)共同构成被测件，被测件放置在无磁转台(3)上；/n矢量磁力仪(1)的球心置于无磁转台(3)旋转轴线上；保证试验过程中星敏感器(2)至少有两个可以同时观星；/n矢量磁力仪(1)和星敏感器(2)的输出数据连接至数据处理设备(4)；/n地磁场监测磁强计(5)、GPS接收机(8)以及经纬仪(9)均布置在无磁转台(3)周围；/n标量磁力仪(7)放置在无磁转台(3)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统，其特征在于，包括矢量磁力仪(1)、星敏感器(2)、无磁转台(3)、数据处理设备(4)、地磁场监测磁强计(5)、标量磁力仪(7)、GPS接收机(8)以及经纬仪(9)，其中：
矢量磁力仪(1)与星敏感器(2)共同构成被测件，被测件放置在无磁转台(3)上；
矢量磁力仪(1)的球心置于无磁转台(3)旋转轴线上；保证试验过程中星敏感器(2)至少有两个可以同时观星；
矢量磁力仪(1)和星敏感器(2)的输出数据连接至数据处理设备(4)；
地磁场监测磁强计(5)、GPS接收机(8)以及经纬仪(9)均布置在无磁转台(3)周围；
标量磁力仪(7)放置在无磁转台(3)上。


2.根据权利要求1所述的矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统，其特征在于，矢量磁力仪(1)安装位置由监测系统(6)监测。


3.一种基于权利要求1或2所述的矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定系统的矢量磁力仪与星敏感器非正交安装矩阵标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
坐标系建立步骤：在晴朗的夜空且地地磁场梯度<1nT的外场试验环境下，在无磁转台(3)建立地理坐标系；
转换关系获得步骤：通过地磁场监测磁强计(5)测量地理坐标系下的地磁矢量变化；通过标量磁力仪(7)测量地理坐标系下的标量变化ΔB；通过GPS接收机(8)和经纬仪(9)记录试验过程中试验场地的时间和地理位置，获得惯性坐标系到地理坐标系的转换关系<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵艳彬，张祎，廖鹤，马伟，孔祥龙，徐毅，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31