CN102288199B - 一种星敏感器的地面测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星敏感器的地面测试方法。步骤包括：采用经纬仪，调整星敏感器，使星敏感器的Z轴指向正北，Y轴垂直朝天顶；接收星敏感器在惯性坐标系下的四元数；根据当地时间，把星敏感器的姿态转到WGS84坐标系下的四元数；把星敏感器WGS84坐标系下的四元数转换为三轴欧拉角；星敏感器连续运行30分钟，实时保存滚动角与当地经度的差和偏航角与当地纬度的差，统计滚动角和偏航角的精度；实时保存俯仰角与当地经度的差，统计俯仰角的精度。本发明测试简单，不需要任何特殊的设备，不但能测试星敏感器的三轴欧拉角的精度，而且可以完全测试星敏感器的三轴极性，只要时间精度满足要求，还能测试星敏感器的绝对经度。

Description

一种星敏感器的地面测试方法

(一)技术领域

本发明涉及空间科学，具体说就是一种星敏感器的地面测试方法。

(二)背景技术

星敏感器是敏感恒星的辐射并测量卫星相对于该恒星方位的一种光学姿态敏感器。它以恒星为参照物，利用实际拍摄到的星图，通过一系列的计算，确定星敏感器光轴在惯性空间的瞬时指向，从而确定飞行器的姿态。由于恒星的张角非常小，且星光在惯性坐标系中的方向是精确已知的，所以星敏感器的测量精度很高，它是目前导航系统中测量精度最高的姿态测量敏感器。在星敏感器投入使用前，必须进行一系列的地面功能测试，用以检验其各部分功能的有效性和可靠性。通常的地面功能测试方法主要有两种：一种是在实验室内实现星敏感器系统指标测试，实验室星敏感器测试系统主要包括：暗室，光学隔振平台，星图模拟的计算机和显示器，光学准直透镜，星敏感器光学系统和电子系统，星敏感器和主控计算机的数据传输设备，主控计算机和星图模拟计算机的通讯设备。首先由星图生成计算机来产生模拟星图，通过平面显示器实现星点显示。显示的每个星点所发出的光通过准直透镜后转换成平行光，模拟真实天空中的导航星。模拟的星光通过星敏感器镜头后在星敏感器的感光器件上成像。星图识别计算机用来显示识别结果和姿态信息，并与模拟星图产生计算机进行通讯，以保证信号的同步。在实验室的条件下，直接利用星敏感器去拍摄显示器星图会使所成的像很虚，甚至根本不能成像。在实验室这种有限距离的情况下来模拟无限远的距离成像必须在显示器和星敏感器之间安装一个适当的准直透镜，同时还要保证星敏感器光学中心、显示器显示中心以及准直透镜中心三者共轴，且使显示器位于准直透镜的焦面上，在系统的设计和选择中要尽量满足显示器的视场角与星敏感器的视场角一致。而且模拟星图显示的原因，不能很准确地模拟恒星的实际位置，也不能模拟恒星的光谱，因此该方法只能测试星敏感器的基本功能，不能考核星敏感器的精度，也很难考核星敏感器的极性。

另外一种是采用电星模对星敏感器测试，该方法由星图模拟计算机、数据处理计算机、星敏感器及通讯线缆组成。为了尽量保持星敏感器原有的电路及接口设计，选用星敏感器自带的RS422测试接口作为通讯接口。星图模拟计算机对卫星(或其他飞行器)运动的轨道参数和姿态进行仿真，计算安装在卫星上的星敏感器的姿态，并模拟生成在此姿态情况下的星敏感器所拍摄的星图图像。星图模拟计算机通过RS232接口将星图图像传给星敏感器。星敏感器对星图图像进行星点定位、星图识别和姿态计算，并将计算结果传给数据处理计算机，根据传送的识别结果和姿态信息对星敏感器的工作状态进行分析，以验证星敏感器工作的有效性和可靠性。但是该方法只能考核星敏感器的电气接口、电路功能以及算法功能，由于电星模拟器给星敏感器直接输出了星像坐标，因此即不能考核光学系统，也不能测试性敏感器的极性。

地面对星敏感器的极性测试是：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，但是该方法不能对星敏感器精度的测试。所以采用以上方法只能测试星敏感器的部分功能，都具有很大的局限性。因此，如何采取更简单有效的方法对星敏感器在地面阶段进行全面地测试是星敏感器研制亟需解决的一项关键技术。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种星敏感器的地面测试方法。本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：把星敏感器放置到适合观星的天区；

步骤二：采用经纬仪，调整星敏感器，使星敏感器的Z轴指向正北，Y轴垂直朝天顶；

步骤三：接好星敏感器电源和通信接口，打开星敏感器电源；

步骤四：接收星敏感器在惯性坐标系下的四元数；

步骤五：读取当地的时间；

步骤六：根据当地时间，把星敏感器的姿态转到WGS84坐标系下的四元数；

步骤七：读取当地的经度和纬度；

步骤八：把星敏感器WGS84坐标系下的四元数转换为三轴欧拉角；

步骤九：计算滚动角与当地经度的差，如果差接近与0，说明Z轴极性正确；

步骤十：计算偏航角与当地纬度的差，如果差接近于0，说明X轴极性正确；

步骤十一：星敏感器连续运行30分钟，实时保存滚动角与当地经度的差和偏航角与当地纬度的差，统计滚动角和偏航角的精度；

步骤十二：把星敏感器绕X轴旋转90度，使星敏感器的Y轴指向正北；

步骤十三：接收星敏感器在惯性坐标系下的四元数；

步骤十四：读取当地的时间；

步骤十五：根据当地时间，把星敏感器的姿态转到WGS84坐标系下的四元数；

步骤十六：把星敏感器WGS84坐标系下的四元数转换为三轴欧拉角；

步骤十七：计算俯仰角与当地经度的差，如果差接近与0，说明Y轴极性正确；

步骤十八：星敏感器连续运行30分钟，实时保存俯仰角与当地经度的差，统计俯仰角的精度。

本发明一种星敏感器的地面测试方法，具有以下优点：测试简单，不需要任何特殊的设备；不但能测试星敏感器的三轴欧拉角的精度，而且可以完全测试星敏感器的三轴极性；只要时间精度满足要求，还能测试星敏感器的绝对经度。

(四)附图说明

图1为星敏感器实验模拟装置原理图；

图2为星敏感器像空间坐标系；

图3为星敏感器极性；

图4为一种适用于星敏感器的测试方法工作流程；

图5为滚动角误差与偏航角误差在线实时曲线；

图6为滚动角误差与偏航角误差离线曲线；

图7为俯仰角误差在线实时曲线；

图8为俯仰角误差离线曲线；

图9为星敏感器地面测试滚动角和偏航角方法的流程图；

图10为一种星敏感器地面测试俯仰角的方法示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图4，本发明一种星敏感器的地面测试方法，步骤如下：

步骤一：把星敏感器放置到适合观星的天区；

步骤二：采用经纬仪，调整星敏感器，使星敏感器的Z轴指向正北，Y轴垂直朝天顶；

步骤三：接好星敏感器电源和通信接口，打开星敏感器电源；

步骤四：接收星敏感器在惯性坐标系下的四元数；

步骤五：读取当地的时间；

步骤六：根据当地时间，把星敏感器的姿态转到WGS84坐标系下的四元数；

步骤七：读取当地的经度和纬度；

步骤八：把星敏感器WGS84坐标系下的四元数转换为三轴欧拉角；

步骤九：计算滚动角与当地经度的差，如果差接近与0，说明Z轴极性正确；

步骤十：计算偏航角与当地纬度的差，如果差接近于0，说明X轴极性正确；

步骤十一：星敏感器连续运行30分钟，实时保存滚动角与当地经度的差和偏航角与当地纬度的差，统计滚动角和偏航角的精度；

步骤十二：把星敏感器绕X轴旋转90度，使星敏感器的Y轴指向正北；

步骤十三：接收星敏感器在惯性坐标系下的四元数；

步骤十四：读取当地的时间；

步骤十五：根据当地时间，把星敏感器的姿态转到WGS84坐标系下的四元数；

步骤十六：把星敏感器WGS84坐标系下的四元数转换为三轴欧拉角；

步骤十七：计算俯仰角与当地经度的差，如果差接近与0，说明Y轴极性正确；

步骤十八：星敏感器连续运行30分钟，实时保存俯仰角与当地经度的差，统计俯仰角的精度。

实施例2：结合图2，、图3，定义星敏感器像空间坐标系为(如图2)：原点O位于星敏感器传感器(CCD)中心，面对星敏感器镜头，X轴为平行于CCD平面向右，Y轴为平行于CCD平面向上，Z轴为垂直CCD面朝外。也就是说，正对星敏感器的极性为(如图3)：

假设星敏感器绕X轴旋转的姿态角称为偏航角，绕Y轴旋转的姿态角称为俯仰角，绕Z轴旋转的姿态角称为滚动角。

星敏感器输出姿态的是星敏感器像空间坐标系与地心惯性坐标系(即J2000.0坐标系)之间的关系，也就是说，星敏感器输出的偏航角与光轴指向的赤径相等，输出的俯仰角与光轴指向的赤纬相等。因此把星敏感器放置到地面，Z轴指向正北，Y轴垂直朝天顶，把星敏感器的姿态从地心惯性坐标系转换到WGS84坐标系后，星敏感器在WGS84坐标系下的滚动角就是当地的经度，输出的偏航角就是当地的纬度，而星敏感器测试点的当地经度和纬度可以通过GPS测得，而且不随时间的变化，因此，可以把星敏感器在WGS84坐标系下的滚动角与当地的经度进行比较，星敏感器在WGS84坐标系下的偏航角与当地的纬度进行比较，这样，不但测试了星敏感器的极性，而且长时间运行后，还可以测试星敏感器的输出精度。通过对星敏感器的旋转，也可以测试星敏感器俯仰角的极性和精度。

其中，2000.0坐标系到WGS84坐标系的转换矩阵为：

q_WGS84＝[ER]^-1q_J200

其中[ER]是地球自转矩阵，表示为：

[ER]＝R_z(θ_g)

(1)

其中R_z(θ_z)表示绕z轴旋转θ_z角

θ_g(单位：弧度)是真恒星时，可表示为：

${\mathrm{\θ}}_g={\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_g+\mathrm{\Δ\ψ}\cos (\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}+\mathrm{\Δ\ϵ})---\left(2\right)$

是平黄赤交角，计算公式为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=84381^{\′\′}.448-{46}^{\′\′}.8150\·T_u-0^{\′\′}.00059\·{T_u}^2+0^{\′\′}.001813\·{T_u}^3---\left(3\right)$

T_u是从2000.0起算的儒略世纪数。表示如下；

$T_u=\frac{\mathrm{JD}\left(t\right)-2451545.0}{36525}---\left(4\right)$

JD(t)表示计算时刻t对应的儒略天。

(单位：弧度)格林尼治平恒星时，计算公式如下：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_g=2\mathrm{\π}[\frac{{67310.}^{S}54841}{86400.0}+(\frac{{876600}^h}{24}+\frac{8640184.812866}{86400.0})T_U$

$+\frac{{0.}^{S}093104}{86400.0}{T}_U^2-\frac{{6.2\×10}^{-6}}{86400.0}{T}_U^3]---\left(5\right)$

Δε，Δψ分别是交角章动和黄经章动。计算表达式如下：

$\mathrm{\Δ\ψ}=\underset{i=1}{\overset{106}{\mathrm{\Σ}}}(A_i+A_i^{\′}t)\sin \left(\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\α}}_j\left(t\right)\right)$

(6)

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\underset{i=1}{\overset{106}{\mathrm{\Σ}}}(B_i+B_i^{\′}t)\cos \left(\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\α}}_j\left(t\right)\right)---\left(7\right)$

其中A_i，A′_i，B_i，B′_i，k_ij是常数，可在IAU1980章动序列表中查到。t是载体时间。

因此，采用该方法测试星敏感器的精度和极性的具体过程如下：把星敏感器放置到适合观星的天区；采用经纬仪，调整星敏感器，使星敏感器的Z轴指向正北，Y轴垂直朝天顶；接好星敏感器电源和通信接口，打开星敏感器电源；接收星敏感器在惯性坐标系下的四元数；读取当地的时间；根据当地时间，把星敏感器的姿态转到WGS84坐标系下的四元数；读取当地的经度和纬度；把星敏感器WGS84坐标系下的四元数转换为三轴欧拉角；计算滚动角与当地经度的差，如果差接近与0，说明Z轴极性正确；计算偏航角与当地纬度的差，如果差接近与0，说明X轴极性正确；把星敏感器长时间运行，实时保存滚动角与当地经度的差和偏航角与当地纬度的差，统计滚动角和偏航角的精度；把星敏感器绕X轴旋转90度，使星敏感器的Y轴指向正北；接收星敏感器在惯性坐标系下的四元数；读取当地的时间；根据当地时间，把星敏感器的姿态转到WGS84坐标系下的四元数；把星敏感器WGS84坐标系下的四元数转换为三轴欧拉角；计算俯仰角与当地经度的差，如果差接近与0，说明Y轴极性正确；把星敏感器长时间运行，实时保存俯仰角与当地经度的差，统计俯仰角的精度。

实施例3：结合图5-图8，星敏感器主要性能指标：视场：12°×9°；面阵：670×520；探测星等：6Mv；数据更新率：8Hz。

选取某型号星敏感器，某型号的手动三轴转台，实验前，先采用高精度的GPS测量出了当地的经度为东经121.10481°和纬度为北纬31.15025°，把星敏感器安装到手动转台上，调整转台，使星敏感器的Z轴指向正北，Y轴垂直朝天顶。打开星敏感器，上位机接收星敏感器在J2000.0坐标系下的姿态四元数和拍摄图像的时间，上位机软件根据拍摄图像的时间把星敏感器在J2000.0坐标系下的姿态四元数转换到WGS84坐标系下的四元数，并计算在WGS84坐标系下的三轴欧拉角，把滚动角与当地的经度作差，把偏航角与当地的纬度作差，把这两组差显示到上位机软件中(如图5)，同时上位机软件实时保存这些数据，星敏感器连续工作30分钟后，切断星敏感器电源，离线显示这两组差(如图6)，并统计滚动角与当地的经度的差为和偏航角与当地的纬度的差为，因此，星敏感器的滚动角精度为5.8895″(3σ)，偏航角的精度为37.3268″(3σ)。按照星敏感器绕X轴旋转90度的方向转动转台，使星敏感器的Y轴指向正北(此时星敏感器的Z轴指向地心)，打开星敏感器，上位机接收星敏感器在J2000.0坐标系下的姿态四元数和拍摄图像的时间，上位机软件根据拍摄图像的时间把星敏感器在J2000.0坐标系下的姿态四元数转换到WGS84坐标系下的四元数，并计算在WGS84坐标系下的三轴欧拉角，把俯仰角与当地的经度作差，上位机实时显示这组差显示到上位机软件中(如图7)，同时上位机软件实时保存这些数据，星敏感器连续工作30分钟后，离线显示这组差(如图8)，并统俯仰角与当地的经度的差为，因此，星敏感器的俯仰角精度为4.0914(3σ)。

实施例4：结合图9、图10，如9和10是一种星敏感器地面测试方法的实施方式，测试设备包括一个手动三轴转台，一个GPS，该GPS的位置误差为1米，利用经纬仪来调整星敏感器的指向，上位机采用PC机，该PC机实时接收星敏感器输出姿态四元数和星敏感器拍摄该星图的时刻，实时显示程序采用VC++6.0编写，该程序不但能实时显示所需要的误差曲线，还能实时保存，测试分为两步：第一步是测试滚动角和偏航角，如图9是这些设备之间的连接关系和星敏感器的指向。首先把星敏感器放置到手动转台上，采用经纬仪调整星敏感器，使星敏感器的Z轴指向正北，Y轴垂直朝天顶，检查连接无误后给星敏感器上电，星敏感器上电后先进行自检，自检成功后进行拍摄星图、提取星像位置、全天球识别、计算姿态四元数，把计算的姿态四元数和拍摄该星图的时刻通过串口发送给PC机，PC机里安装了预先编写的测试程序，测试程序接收到星敏感器的姿态四元数和时间后，把该姿态四元数转换到WGS84坐标系下的滚动角和偏航角，然后PC机测试程序接收GPS发送的当地经度和纬度信息，最后测试程序计算滚动角与当地经度的差和偏航角与当地纬度的差，把这两组差实时显示到测试程序界面，同时实时保存这两组差，长时间运行后，测试程序统计滚动角和偏航角的精度；第二步是测试俯仰角，如图10这些设备之间的连接关系和星敏感器的指向，首先调整手动转台，采用经纬仪调整星敏感器，使星敏感器的Y轴指向正北，检查连接无误后给星敏感器上电，星敏感器上电后先进行自检，自检成功后进行拍摄星图、提取星像位置、全天球识别、计算姿态四元数，把计算的姿态四元数和拍摄该星图的时刻通过串口发送给PC机，PC机里安装了预先编写的测试程序，测试程序接收到星敏感器的姿态四元数和时间后，把该姿态四元数转换到WGS84坐标系下的俯仰角角，然后PC机测试程序接收GPS发送的当地经度和纬度信息，最后测试程序计算俯仰角与当地经度的差，把这组差实时显示到测试程序界面，同时实时保存这两组差，长时间运行后，测试程序统计俯仰角的精度；

输出的偏航角就是当地的纬度，而星敏感器测试点的当地经度和纬度可以通过GPS测得，而且不随时间的变化，因此，可以把星敏感器在WGS84坐标系下的滚动角与当地的经度进行比较，星敏感器在WGS84坐标系下的偏航角与当地的纬度进行比较，这样，不但测试了星敏感器的极性，而且长时间运行后，还可以测试星敏感器的输出精度。通过对星敏感器的旋转，也可以测试星敏感器俯仰角的极性和精度。

Claims (1)

1.一种星敏感器的地面测试方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：把星敏感器放置到适合观星的天区；

步骤二：采用经纬仪，调整星敏感器，使星敏感器的Z轴指向正北，Y轴垂直朝天顶；

步骤三：接好星敏感器电源和通信接口，打开星敏感器电源；

步骤四：接收星敏感器在惯性坐标系下的四元数；

步骤五：读取当地的时间；

步骤六：根据当地时间，把星敏感器的姿态转到WGS84坐标系下的四元数；

步骤七：读取当地的经度和纬度；

步骤八：把星敏感器WGS84坐标系下的四元数转换为三轴欧拉角；

步骤九：计算滚动角与当地经度的差，如果差接近于0，说明Z轴极性正确；

步骤十：计算偏航角与当地纬度的差，如果差接近于0，说明X轴极性正确；

步骤十一：星敏感器连续运行30分钟，实时保存滚动角与当地经度的差和偏航角与当地纬度的差，统计滚动角和偏航角的精度；

步骤十二：把星敏感器绕X轴旋转90度，使星敏感器的Y轴指向正北；

步骤十三：接收星敏感器在惯性坐标系下的四元数；

步骤十四：读取当地的时间；

步骤十五：根据当地时间，把星敏感器的姿态转到WGS84坐标系下的四元数；

步骤十六：把星敏感器WGS84坐标系下的四元数转换为三轴欧拉角；

步骤十七：计算俯仰角与当地经度的差，如果差接近于0，说明Y轴极性正确；

步骤十八：星敏感器连续运行30分钟，实时保存俯仰角与当地经度的差，统计俯仰角的精度。 

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