CN101236088A - 一种星敏感器极性检验方法 - Google Patents
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Abstract
一种星敏感器极性检验方法，首先定义星敏感器测量坐标系及星敏感器转角的正负方向，定义静态星模拟器坐标系及试验惯性坐标系；然后将静态星模拟器与星敏感器对接，使静态星模拟器的光轴与星敏感器的光轴平行，星敏感器对静态星模拟器生成的模拟星图进行观测并输出姿态数据，通过比对星敏感器输出的姿态与模拟星图所对应的惯性姿态，判断星敏感器的输出极性是否正确；转动星敏感器，使其与静态星模拟器形成一个适当的角度，星敏感器对静态星模拟器生成的模拟星图进行观测并输出姿态数据，通过对比转动前后星敏感器输出姿态的实际变化趋势与理论变化趋势，判断星敏感器的输出极性是否正确。
Description
技术领域
本发明属光学敏感器领域，涉及一种用于检验星敏感器极性的方法。
背景技术
星敏感器是一种以恒星为观测对象的光学姿态敏感器，主要用于卫星、飞船等航天器在轨飞行时的姿态测量任务。通常意义上的星敏感器属于星图仪方式的星敏感器，即它首先需要拍摄某一区域星空的图像，然后通过图像处理算法检测出图像中的恒星影像，并利用恒星识别技术来确认所观测恒星的“身份”，最终完成姿态测量任务。星敏感器测量所得到的姿态，实质上是星敏感器测量坐标系各轴在地心惯性坐标系中的指向。
所谓星敏感器极性正确与否是指：星敏感器所实现的测量坐标轴定义，是否与预期的坐标轴定义相一致；如果一致，则表明星敏感器的极性设定正确；如不一致，则表明星敏感器的极性设定错误。星敏感器属于光学姿态敏感器，其输出姿态数据的极性正确与否，对航天器能否正常运行有着至关重要的直接影响。因此，在星敏感器交付及航天器发射前，都需要对其极性进行检验和确认。
目前，国内外尚未见到有与星敏感器极性测试问题相关的技术及方法的资料和报道。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种操作简单、测试结果直观的检验星敏感器极性的方法。
本发明的技术解决方案是：一种星敏感器极性检验方法，其特征在于步骤如下：
(1)定义星敏感器测量坐标系及星敏感器转角的正负方向；
(2)定义静态星模拟器坐标系及试验惯性坐标系；
(3)将静态星模拟器与星敏感器对接，使静态星模拟器的光轴与星敏感器的光轴平行，同时使静态星模拟器与星敏感器的除光轴外的另外两坐标轴也平行，静态星模拟器生成模拟星图，星敏感器对所述模拟星图进行观测并输出姿态数据，通过比对星敏感器输出的姿态与模拟星图所对应的惯性姿态，判断星敏感器的输出极性是否正确；
(4)将星敏感器安装在转台上，同时将静态星模拟器安装在独立于转台的支架上，转动星敏感器，同时星敏感器对静态星模拟器生成的模拟星图进行观测并输出姿态数据，通过对比转动前后星敏感器输出姿态的实际变化趋势与理论变化趋势，判断星敏感器的输出极性是否正确。
本发明与现有技术相比的优点在于：星敏感器极性验证是一个复杂的过程，本发明方法使用静态星模拟器完成星敏感器的极性测试，仅通过改变静态星模拟器与星敏感器的相对位置关系，同时观察星敏感器的输出姿态值或姿态变化规律，即可判断星敏感器的极性设置正确与否，涉及的测试设备少，测试过程简单；在具体极性判断过程中，仅需判断实际主分量与理论主分量的符号是否一致，或者判断坐标值的增大或减小，即可确定星敏感器的极性设置是否正确，方法简便，判断依据直观明了。
附图说明
图1为静态星模拟器的光轴与星敏感器的光轴平行对接时第一种位置关系下的星敏感器坐标系与静态星模拟器坐标系的对应关系图；
图2为静态星模拟器的光轴与星敏感器的光轴平行对接时第二种位置关系下的星敏感器坐标系与静态星模拟器坐标系的对应关系图；
图3为静态星模拟器的光轴与星敏感器的光轴平行对接时第三种位置关系下的星敏感器坐标系与静态星模拟器坐标系的对应关系图；
图4为静态星模拟器的光轴与星敏感器的光轴平行对接时第四种位置关系下的星敏感器坐标系与静态星模拟器坐标系的对应关系图；
图5为星敏感器相对于静态星模拟器转动时第一种转动关系下的星敏感器坐标系与静态星模拟器坐标系的对应关系图；
图6为星敏感器相对于静态星模拟器转动时第二种转动关系下的星敏感器坐标系与静态星模拟器坐标系的对应关系图；
图7为星敏感器相对于静态星模拟器转动时第三种转动关系下的星敏感器坐标系与静态星模拟器坐标系的对应关系图；
图8为星敏感器相对于静态星模拟器转动时第四种转动关系下的星敏感器坐标系与静态星模拟器坐标系的对应关系图。
具体实施方式
本发明实施例中所涉及到的星敏感器可参考2002年02期《航天控制》中的文章《一体化小型星敏感器)》，所涉及到的静态星模拟器可参考中国宇航出版社2003出版的由刘良栋主编的《导弹与航天丛书-卫星控制系统仿真技术》一书。
首先定义星敏感器测量坐标系及星敏感器转角的正负方向。星敏感器测量坐标系的定义方法为：以星敏感器的质心作为星敏感器测量坐标系的原点；以经过原点、垂直于安装底面且指向星敏感器外部空间的矢量作为测量坐标系的+Y轴；以经过原点、平行于星敏感器光轴并指向星敏感器外部空间的矢量作为测量坐标系的+Z轴；星敏感器测量坐标系中+X轴的定义符合笛卡尔坐标系的定义规则。定义星敏感器转角正负方向的方法为：按右手定则定义，右手拇指伸直，其余四指半握，以拇指指向+X方向，其余四指指向为俯仰角负方向，其反向为俯仰角正方向；以拇指指向+Y方向，其余四指指向偏航角负方向，其反向为偏航角正方向。
接着定义静态星模拟器坐标系及试验惯性坐标系。定义静态星模拟器坐标系的方法为：以静态星模拟器的质心作为静态星模拟器坐标系原点；以经过原点、平行于静态星模拟器光轴并指向静态星模拟器内部空间的矢量作为静态星模拟器坐标系的+X轴；以经过原点、指向静态星模拟器方向指示标志的矢量作为静态星模拟器坐标系的+Z轴；静态星模拟器+Y轴的定义符合笛卡尔坐标系的定义规则。试验惯性坐标系的定义方法与静态星拟器坐标系的定义方法相同。
然后分以下两种情况对星敏感器的输出极性进行判断。
第一种情况：
将静态星模拟器与星敏感器对接，使静态星模拟器的光轴与星敏感器的光轴平行，将静态星模拟器与星敏感器按照如图1、图2、图3、图4所示的四种位置关系进行光学对接，图中
为星敏感器坐标系的三轴，
为静态星模拟器坐标系的三轴。静态星模拟器生成模拟星图，同时星敏感器对所述模拟星图进行观测并输出姿态数据，由于静态星模拟器的光轴与星敏感器的光轴平行，同时静态星模拟器与星敏感器的除光轴外的另外两坐标轴也平行，因此星敏感器各轴理论指向的三个坐标中，只有一个坐标的绝对值为1，而其余两个坐标为0，绝对值等于1的分量称为理论主分量，其指向坐标如表1所示；在星敏感器实际输出的各轴指向的三个坐标中，也只有一个坐标的绝对值趋近于1，而其余两个坐标趋近于0，绝对值趋近于1的分量称为实际主分量；若星敏感器各轴的实际主分量与理论主分量的符号全部一致，则判断星敏感器输出极性正确；否则判断星敏感器输出极性错误。
表1 静态星模拟器光轴与星敏感器光轴平行时
四种位置下星敏感器各轴理论指向坐标值
第二种情况：
将星敏感器安装在具有俯仰和偏航两个自由度的转台上，将静态星模拟器安装在独立于转台的支架上。二者实现光学对接后，分别使星敏感器绕着其X轴、Y轴，以顺时针或逆时针方向转过一个适当的角度(即+3～+5°偏航角、-3～-5°偏航角、+3～+5°俯仰角、-3～-5°俯仰角)，以不使模拟器星图移出星敏感器视场为准，如图5、图6、图7、图8所示，图中
为星敏感器坐标系的三轴，
为静态星模拟器坐标系的三轴。比较转动前后星敏感器的三个轴坐标的实际变化规律与理论变化规律，即可判断星敏感器极性设定是否正确。星敏感器的三个轴坐标在转动后相对于转动前的变化趋势如表2所示。如果星敏感器实际输出的惯性姿态变化规律与表中所列的理论变化规律一致，则可判断星敏感器极性正确；反之则认为星敏感器的输出极性可能存在错误。
表2 星敏感器相对于静态星模拟器转动时
四种转动关系下星敏感器各轴分量的理论变化规律表
表2中：↓表示数值减小，↑表示数值增大，—表示数值无变化。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (7)
1、一种星敏感器极性检验方法，其特征在于步骤如下：
(1)定义星敏感器测量坐标系及星敏感器转角的正负方向；
(2)定义静态星模拟器坐标系及试验惯性坐标系；
(3)将静态星模拟器与星敏感器对接，使静态星模拟器的光轴与星敏感器的光轴平行，同时使静态星模拟器与星敏感器的除光轴外的另外两坐标轴也平行，静态星模拟器生成模拟星图，星敏感器对所述模拟星图进行观测并输出姿态数据，通过比对星敏感器输出的姿态与模拟星图所对应的惯性姿态，判断星敏感器的输出极性是否正确；
(4)将星敏感器安装在转台上，同时将静态星模拟器安装在独立于转台的支架上，转动星敏感器，同时星敏感器对静态星模拟器生成的模拟星图进行观测并输出姿态数据，通过对比转动前后星敏感器输出姿态的实际变化趋势与理论变化趋势，判断星敏感器的输出极性是否正确。
2、根据权利要求1所述的一种星敏感器极性检验方法，其特征在于：所述步骤(1)中星敏感器测量坐标系的定义方法为：以星敏感器的质心作为星敏感器测量坐标系的原点；以经过原点、垂直于安装底面且指向星敏感器外部空间的矢量作为测量坐标系的+Y轴；以经过原点、平行于星敏感器光轴并指向星敏感器外部空间的矢量作为测量坐标系的+Z轴；星敏感器测量坐标系中+X轴的定义符合笛卡尔坐标系的定义规则。
3、根据权利要求1所述的一种检验星敏感器极性的方法，其特征在于：所述步骤(1)中定义星敏感器转角正负方向的方法为：按右手定则定义，右手拇指伸直，其余四指半握，以拇指指向+X方向，其余四指指向为俯仰角负方向，其反向为俯仰角正方向；以拇指指向+Y方向，其余四指指向偏航角负方向，其反向为偏航角正方向。
4、根据权利要求1所述的一种星敏感器极性检验方法，其特征在于：所述步骤(2)中定义静态星模拟器坐标系的方法为：以静态星模拟器的质心作为静态星模拟器坐标系原点；以经过原点、平行于静态星模拟器光轴并指向静态星模拟器内部空间的矢量作为静态星模拟器坐标系的+X轴；以经过原点、指向静态星模拟器方向指示标志的矢量作为静态星模拟器坐标系的+Z轴；静态星模拟器+Y轴的定义符合笛卡尔坐标系的定义规则。
5、根据权利要求1所述的一种星敏感器极性检验方法，其特征在于：所述步骤(2)中试验惯性坐标系的定义方法与静态星拟器坐标系的定义方法相同。
6、根据权利要求1所述的一种星敏感器极性检验方法，其特征在于：所述步骤(3)中判断星敏感器的输出极性是否正确的方法为：若星敏感器各轴的实际主分量与理论主分量的符号全部一致，则判断星敏感器输出极性正确，否则判断星敏感器输出极性错误；所述的理论主分量为星敏感器各轴理论指向的三个坐标中绝对值等于1的分量，所述的实际主分量为星敏感器实际输出的各轴指向的三个坐标中绝对值趋近于1的分量。
7、根据权利要求1所述的一种星敏感器极性检验方法，其特征在于：所述步骤(4)中判断星敏感器的输出极性是否正确的方法为：使静态星模拟器相对星敏感器的初始安装位置为静态星模拟器+X轴与星敏感器+Z轴平行，静态星模拟器+Y轴指向星敏感器+X轴方向，静态星模拟器+Z轴指向星敏感器-Y轴方向；从初始位置开始进行四次测量：第一次测量，转动转台使星敏感器产生+3～+5°偏航角，此时星敏感器测量坐标系的X轴在试验惯性坐标系X轴和Y轴上的分量均应减小、在试验惯性坐标系Z轴上的分量应不变，星敏感器测量坐标系的Z轴在试验惯性坐标系X轴上的分量应减小、在试验惯性坐标系Y轴上的分量应增大、在试验惯性坐标系Z轴上的分量应不变，星敏感器测量坐标系的Y轴在试验惯性坐标系各轴上的分量均不变；第二次测量，转动转台使星敏感器产生-3～-5°偏航角，此时星敏感器测量坐标系的X轴在试验惯性坐标系X轴上的分量应增大、在试验惯性坐标系Y轴上的分量应减小、在试验惯性坐标系Z轴上的分量应不变，星敏感器测量坐标系的Z轴在试验惯性坐标系X轴和Y轴上的分量均应减小、在试验惯性坐标系Z轴上的分量应不变，星敏感器测量坐标系的Y轴在试验惯性坐标系各轴上的分量均不变；第三次测量，转动转台使星敏感器产生+3～+5°俯仰角，此时星敏感器测量坐标系的X轴在试验惯性坐标系各轴上的分量均不变，星敏感器测量坐标系的Y轴在试验惯性坐标系X轴和Z轴上的分量均应增大、在试验惯性坐标系Y轴上的分量应不变，星敏感器测量坐标系的Z轴在试验惯性坐标系X轴上的分量应减小、在试验惯性坐标系Y轴上的分量应不变、在试验惯性坐标系Z轴上的分量应增大；第四次测量，转动转台使星敏感器产生-3～-5°俯仰角，此时星敏感器测量坐标X轴在试验惯性坐标系各轴上的分量均不变，星敏感器测量坐标Y轴在试验惯性坐标系X轴上的分量应减小、在试验惯性坐标系Y轴上的分量应不变、在试验惯性坐标系Z轴上的分量应增大，星敏感器测量坐标系的Z轴在试验惯性坐标系X轴和Z轴上的分量应减小、在试验惯性坐标系Y轴上的分量应不变；若在上述四种情况中，星敏感器输出姿态数据的变化规律与上述描述一致，则判断星敏感器输出极性正确；否则判断星敏感器输出极性错误。
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