CN103245364A - 一种星敏感器动态性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星敏感器动态性能测试方法，把星敏感器放置到三轴转台上，星敏感器的三轴与三轴转台的三轴平行，调整三轴转台，使三轴转台的X轴、Z轴分别指向J2000.0平春分点和平赤道面北极，测试星敏感器的静态精度时，Z轴以

的角速度转动，X轴和Y轴保持相对静止，测试星敏感器的动态精度时，转台三轴分别以用户设置的角速度进行转动，长时间运行后，采用方法分别统计这两组数据，因此该方法不但能测试星敏感器的静态精度和动态精度，还可以测试星敏感器的极性，本发明减少了星敏感器测试设备，降低了星敏感器测试成本。

Description

一种星敏感器动态性能测试方法

技术领域

本发明涉及一种星敏感器动态性能测试方法。

背景技术

星敏感器是一种高精度的姿态敏感测量仪器，它通过探测天球上不同位置的恒星来确定载体平台姿态，提供载体平台相对于惯性坐标系的三轴姿态。星敏感器主要由光学系统、图像传感器电路和控制与数据处理电路构成。其中图像传感器部分包括CCD(或APS)像平面组件、驱动电路、时序信号发生器和视频信号处理器；控制和数据处理电路包括数字信号处理器(星像存储器、星像地址发生器、程序存储器、星表存储器、CPU)与接口电路等硬件和连通性分析、细分算法、星图识别、姿态角计算及坐标转换等软件。

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：一种是在实验室内对星敏感器算法和电性能测试，这种方法测试主要是采用星空模拟软件从星表中搜索出视场内所有恒星，并通过相应的方法计算这些恒星在像平面内的理想星像坐标，通过通信接口，把计算的理想坐标发送星敏感器，星敏感器接收到理想星像坐标后进行处理。该测试系统由星图模拟计算机、数据处理计算机、星敏感器及通讯线缆组成，如图1所示。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RS232(或RS422)测试接口作为通讯接口。空模拟软件对卫星(或其他飞行器)运动的轨道参数和姿态进行仿真，计算安装在载体平台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(如图1)。星敏感器接收到数据后、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。为了进一步验证星敏感器算法的鲁棒性，实验过程中，把所有理想恒星星像坐标增加Δp(Δp∈[-0.2，0.2])个像元的误差。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，由于星空模拟软件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。

另一种方法是使用光学手段获取星图进行测试星敏感器，即地面观星或向光学系统投影星图的试验方法，光学手段获取星图进行测试星敏感器系统主要包括：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。该方法具有以下特点：利用计算机控制显示器显示星图，可以进行全天空的星图模拟；根据显示器像素的特性，可以通过改变显示器像素的颜色来模拟星空中星的颜色，通过改变像素亮度可以模拟不同的星等；可以根据航天，器的飞行运行动力学，进行动态星图获取模拟；可以模拟在一定精度上的传感器、执行器，以及在一定的空间环境(例如空间辐射)等条件下的星图模拟。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。

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，如何在地面更有效地模拟载体平台的运动，从而进一步测试星敏感器的性能是星敏感器研制过程中的一项关键技术。

当前采用电星模拟器来测试星敏感器时只能考核星敏感器的电气接口、电路功能以及算法功能，由于星空模拟软件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，也不能测试星敏感器的极性。采用光学手段来测试星敏感器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。当前外场测试星敏感器的方法是：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。该方法完全能测试星敏感器的光学系统、电子学系统以及星敏感器算法等功能，还可以测试星敏感器的极性和星敏感器的静态精度。但是安装星敏感器的飞行器本体的旋转、移动、抖动等运动，由于这些运动造成星敏感器的动态性能达到3(°)/s左右，甚至达10(°)/s，因此在星敏感器是使用在这些高动态载体平台之前需要在这些动态模拟平台上测试，从而检测星敏感器的动态性能指标。然而怎么测试星敏感器的动态性能指标作为星敏感器的关键技术之一，随着星敏感器的应用越来越广泛，这些测试方法和测试手段越来越受重视，也是星敏感器研制过程中急需解决的关键技术。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的在于公开一种星敏感器动态性能测试方法，该方法能够能测试星敏感器三轴欧拉角的静态精度，还可以测试星敏感器的动态精度。

本发明所采用的技术如下：一种星敏感器动态性能测试方法，包括三轴转台和测试计算机，测试计算机实时接收星敏感器输出姿态四元数，定义星敏感器像空间坐标系为：原点0位于星敏感器传感器CCD摄像头中心，面对星敏感器镜头，X轴为平行于CCD摄像头平面向右，Y轴为平行于CCD摄像头平面向上，Z轴为垂直CCD摄像头面朝外，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。

星敏感器中装载地心惯性坐标系即J2000.0坐标系，J2000.0坐标系：坐标原点在地球质心，参考平面是J2000.0平赤道面，Z轴向北指向平赤道面北极，X轴指向J2000.0平春分点，Y轴与X和Z轴组成直角右手系；

按如下步骤测试；

(1)、把星敏感器安装到三轴转台上，使星敏感器的三轴与三轴转台的三轴平行；

(2)、调整三轴转台的三轴，使三轴转台的X轴、Z轴分别指向J2000.0平春分点和平赤道面北极；

(3)、如果测试星敏感器的静态精度，跳转到第4步；如果测试星敏感器的动态精度，直接跳转到第11步；

(4)、设置三轴转台的X轴和Y轴与地球保持相对静止；

(5)、设置三轴转台的Z轴以

的角速度转动；

(6)、打开星敏感器，给星敏感器上电；

(7)、上位机实时接收星敏感器输出的三轴欧拉角；

(8)、星敏感器连续工作一段时间后，关闭星敏感器；

(8)、数学统计的方法对这些数据进行处理；

(10)、计算出星敏感器三个欧拉角的静态精度；

(11)、控制三轴转台，使转台X轴、Y轴和Z轴角速度分别ω_x(°/s)，ω_y(°/s)和ω_z(°/s)转动；

(12)、打开星敏感器，给星敏感器上电；

(13)、上位机接收星敏感器的三轴欧拉角，

设该时刻为T₀+ΔT，星敏感器X轴、Y轴和Z轴方向的欧拉角分别为Φ_{x_T0+ΔT}(°)、Φ_{y_T0+ΔT}(°)和Φ_{z_T0+ΔT}(°)；

(14)：利用公式

式中

和

分别为上一时刻T₀时刻星敏感器X轴、Y轴和Z轴方向的欧拉角，计算当前时刻，即T₀+ΔT时刻下，星敏感器的理想三轴欧拉角；

(15)、利用

计算T₀+ΔT时刻星敏感器X轴、Y轴和Z轴的欧拉角误差

和

(16)、星敏感器连续工作一段时间后，关闭星敏感器；

(17)、数学统计的方法对这些数据进行处理；

(18)、计算出星敏感器三个欧拉角的动态精度。

本发明的特点和优点：

第一：不但能测试星敏感器的电子学系统，而且测试星敏感器的光学系统和星敏感器的三轴极性，从而满足了星敏感器的全面考核。

第二：不但能测试星敏感器三轴欧拉角的静态精度，还可以测试星敏感器的动态精度，因此，减少了星敏感器测试设备，降低了星敏感器测试成本。

第三：由于三轴转台能完全模拟载体平台的三轴姿态各种运动，因此，该方法能完全考核星敏感器实际使用环境的性能测试，因此实验人员不必为了测试星敏感器的某些指标运输到应用平台中，这样在研制星敏感器成中节省了人力和物力，从而在改进星敏感器设计过程中，降低了成本。

附图说明

图1为星敏感器算法和电性能测试原理图；

图2为星敏感器像空间坐标系；

图3为星敏感器极性图

图4为一种星敏感器动态性能测试方法工作流程；

图5为星敏感器静态三轴欧拉角离线曲线图；

图6为星敏感器动态角速度误差离线曲线图；

图7为星敏感器动态欧拉角误差离线曲线图；

图8为一种星敏感器动态性能测试方法的实施方式图，其中1、测试计算机，2、星敏感器，3、三轴转台。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，定义星敏感器像空间坐标系为：原点0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所示：

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。

由于星敏感器中装载的星表的赤经和赤纬是地心惯性坐标系(即J2000.0坐标系)坐标系，星敏感器输出姿态的是星敏感器像空间坐标系与J2000.0坐标系之间的关系。

ECI(地心惯性坐标系)定义是地球质心作为坐标原点，地球赤道面为x，y平面，x轴指向春分点(黄道与赤道交点)，z轴沿地轴指向北极，y轴与x z构成右手坐标系。由于存在极移等现象，地球的自转轴随时间变化，因此瞬时的坐标系各不相同，有微小差别。在计算中，通常采用协议坐标系统一。如J2000.0，即以2000年1月15日TDB为标准历元的赤道和春分点定义的。

J2000.0坐标系：坐标原点在地球质心，参考平面是J2000.0平赤道面，Z轴向北指向平赤道面北极，X轴指向J2000.0平春分点，Y轴与X和Z轴组成直角右手系。

根据J2000.0坐标系的定义，测试过程中需要一个三轴转台，把星敏感器放置到三轴转台上，并且把星敏感器的三轴与转台的三轴完全平行，把三轴转台的三轴与J2000.0坐标系的三轴平行(即三轴转台的X轴、Z轴分别指向J2000.0平春分点和平赤道面北极，Y轴与X和Z轴组成直角右手系)就可以测试星敏感器的静态精度和动态性能了。

(1)静态精度测试方法如下：

由于地球沿着南北极轴存在自转，且自转角速度为

为了使转台的三轴与J2000.0坐标系的三轴完全平行，转台的Z轴必须始终以

的角速度转动，这样才能完全抵消由于地球自转角速度，而星敏感器的三轴与转台的三轴完全平行，即星敏感器的X轴、Y轴和Z轴与J2000.0的三轴完全重合，理想情况下，星敏感器输出的三个欧拉角都是0°，然后由于星敏感器的光、电等因素存在噪声，星敏感器输出的三个欧拉角不肯能都是0°，而是0°上下摆动，上位机接收星敏感器的三轴姿态，采用数学统计的方法对这些数据进行处理就可以计算出星敏感器三个欧拉角的静态精度。

(2)动态精度测试方法

控制转台，使转台X轴、Y轴和Z轴角速度分别ω_x(°/s)，ω_y(°/s)和ω_z(°/s)转动，由于星敏感器的三轴与转台的三轴完全平行，并且地球沿着南北极轴存以角速度为自转，因此星敏感器的三轴角速度分别为：ω_x(°/s)，ω_y(°/s)和如果星敏感器T₀时刻X轴、Y轴和Z轴的欧拉角分别为：

和理论上T₀+ΔT时刻敏感器X轴、Y轴和Z轴的欧拉角分别为

假设T₀+ΔT时刻星敏感器X轴、Y轴和Z轴的实际输出欧拉角分别为Φ_{x_T0+ΔT}(°)，Φ_{y_T0+ΔT}(°)和Φ_{z_T0+ΔT}(°)，分别计算

就可以计算出T₀+ΔT时刻星敏感器X轴、Y轴和Z轴的欧拉角误差

和星敏感器连续工作一段时间(比如30分钟)，采用数学统计的方法对星敏感器连续工作的数据进行处理就可以计算出星敏感器三个欧拉角的动态精度。

采用该方法测试星敏感器的精度的具体过程如下：

1、把星敏感器安装到三轴转台上，使星敏感器的三轴与三轴转台的三轴平行；

2、调整三轴转台的三轴，使三轴转台的X轴、Z轴分别指向J2000.0平春分点和平赤道面北极；

3、如果测试星敏感器的静态精度，跳转到第4步；如果测试星敏感器的动态精度，直接跳转到第11步；

4、设置三轴转台的X轴和Y轴与地球保持相对静止；

5、设置三轴转台的Z轴以

的角速度转动；

6、打开星敏感器，给星敏感器上电；

7、上位机实时接收星敏感器输出的三轴欧拉角；

8、星敏感器连续工作一段时间后，关闭星敏感器；

9、数学统计的方法对这些数据进行处理；

10、计算出星敏感器三个欧拉角的静态精度；

11、控制三轴转台，使转台X轴、Y轴和Z轴角速度分别ω_x(°/s)，ω_y(°/s)和ω_z(°/s)转动；

12、打开星敏感器，给星敏感器上电；

13、上位机接收星敏感器的三轴欧拉角，

设该时刻为T₀+ΔT，星敏感器X轴、Y轴和Z轴方向的欧拉角分别为Φ_{x_T0+ΔT}(°)、Φ_{y_T0+ΔT}(°)和Φ_{z_T0+ΔT}(°)；

14：利用公式

式中

和分别为上一时刻T₀时刻星敏感器X轴、Y轴和Z轴方向的欧拉角，计算当前时刻，即T₀+ΔT时刻下，星敏感器的理想三轴欧拉角；

15、利用

计算T₀+ΔT时刻星敏感器X轴、Y轴和Z轴的欧拉角误差

和

16、星敏感器连续工作一段时间后，关闭星敏感器；

17、数学统计的方法对这些数据进行处理；

18、计算出星敏感器三个欧拉角的动态精度。

实施例2

星敏感器主要性能指标：

视场：14°×14°

面阵：1024×1024

探测星等：6My

数据更新率：15Hz

转台三轴角速度误差：0.1(″/s)

我们选取了某型号星敏感器，某型号的自动三轴转台，实验前，先把星敏感器安装到三轴转台上，使星敏感器的三轴与转台的三轴完全重合(本实验为了便于测试，转台的X轴、Y轴、Z轴分别与星敏感器的X轴、Y轴、Z轴重合)，本实验测试分为静态测试和动态测试。

(1)静态测试

调整转台，使转台的Z轴指向地球的北极，旋转转台的Z轴，使转台的X轴指向格林威治0时刻点，由于地球的自转，为了使转台的X轴时钟指向格林威治0时刻点，转台的Z轴必须始终以-α°/s(其中α°/s为地球自转的角速度)，此时星敏感器的X轴、Y轴和Z轴与J2000.0的三轴完全重合，理想情况下，星敏感器输出的三个欧拉角都是0°。接通星敏感器的电源，上位机接收星敏感器在J2000.0坐标系下的姿态四元数，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三轴欧拉角，实时显示三轴欧拉角，同时上位机软件实时保存这些数据，星敏感器连续工作40分钟后，切断星敏感器电源，离线显示三轴欧拉角(如图5)，并统计星敏感器三轴欧拉角的精度，经统计，星敏感器的，偏航角，俯仰角和滚动角的精度分别为1.7668″(3σ)，1.2274″(3σ)，7.5545″(3σ)。

(2)动态测试

调整转台，使转台的Z轴指向地球的北极，旋转转台的Z轴，使转台的X轴指向格林威治0时刻点。控制转台的三轴以稳定5°/s的角速度转动。接通星敏感器的电源，上位机接收星敏感器在J2000.0坐标系下的姿态四元数，上位机把星敏感器在J2000.0坐标系下的姿态四元数转换到三轴欧拉角，接收到星敏感器第一帧三轴欧拉角作为初始三轴欧拉角，并利用

(其中θ当前时刻偏航角和俯仰角，θ₀为上一时刻偏航角和俯仰角)计算当前时刻的理想偏航角和俯仰角，由于Z轴不但有转台的转动，还有地球的自传，因此Z轴理想滚动角的计算公式是

(其中θ_z当前时刻滚动角，θ_z0为上一时刻滚动角，α为地球角速度)，上位机接收到星敏感器的偏航角、俯仰角和滚动角后，减去相应理想的偏航角，俯仰角和滚动角，得到偏航角误差、俯仰角误差和滚动角误差，上位机实时显示偏航角误差、俯仰角误差和滚动角误差，并且实时保存偏航角误差、俯仰角误差和滚动角误差；上位机接收到星敏感器的偏航角、俯仰角和滚动角后，同时利用(θ-θ₀)×15-5计算星敏感器的偏航角速度误差和俯仰角速度误差，利用(θ_z-θ_z0)×15-(5+α)计算星敏感器的滚动角速度误差，实时显示偏航角速度误差、俯仰角速度误差和滚动角速度误差，并且实时保存偏航角速度误差、俯仰角速度误差和滚动角速度误差。星敏感器连续工作40分钟后，切断星敏感器电源，离线显示偏航角误差、俯仰角误差和滚动角误差(如图6)，并统计星敏感器三轴欧拉角的精度，经统计，星敏感器的偏航角，俯仰角和滚动角的精度分别为20.3254″(3σ)，21.0338″(3σ)和67.2385″(3σ)；离线显示偏航角速度误差、俯仰角速度误差和滚动角速度误差(如图7)，并统计星敏感器三轴欧拉角速度的精度，经统计，星敏感器的滚动角速度精度为，偏航角速度和俯仰角速度的精度分别为6.7756(″/s)(3σ)，7.0122(″/s)(3σ)和22.0822(″/s)(3σ)。

实施例3

如图8是一种星敏感器动态性能测试方法的实施方式，测试设备包括一个三轴转台3(三轴转台的三轴角速度精度为0.1(″/s))和一台测试计算机1，测试计算机1采用PC机，该PC机实时接收星敏感器输出姿态四元数，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。首先把星敏感器2放置到三轴转台3上，采用经纬仪调整三轴转台3，使X轴、Z轴分别指向J2000.0平春分点和平赤道面北极，设置三轴转台3的角速度，使三轴转台的三个轴分别以某个角速度运动，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后，计算接收姿态四元数时刻的理想姿态，计算星敏感器输出的姿态与理想姿态的姿态差，把姿态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、滚动角和偏航角的精度。

Claims (1)

1.一种星敏感器动态性能测试方法，包括三轴转台和测试计算机，测试计算机实时接收星敏感器输出姿态四元数，其特征在于：定义星敏感器像空间坐标系为：原点O位于星敏感器传感器CCD摄像头中心，面对星敏感器镜头，X轴为平行于CCD摄像头平面向右，Y轴为平行于CCD摄像头平面向上，Z轴为垂直CCD摄像头面朝外，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；

星敏感器中装载地心惯性坐标系即J2000.0坐标系，J2000.0坐标系：坐标原点在地球质心，参考平面是J2000.0平赤道面，Z轴向北指向平赤道面北极，X轴指向J2000.0平春分点，Y轴与X和Z轴组成直角右手系；

按如下步骤测试：

(1)、把星敏感器安装到三轴转台上，使星敏感器的三轴与三轴转台的三轴平行；

(2)、调整三轴转台的三轴，使三轴转台的X轴、Z轴分别指向J2000.0平春分点和平赤道面北极；

(3)、如果测试星敏感器的静态精度，跳转到第4步；如果测试星敏感器的动态精度，直接跳转到第11步；

(4)、设置三轴转台的X轴和Y轴与地球保持相对静止；

(5)、设置三轴转台的Z轴以

的角速度转动；

(6)、打开星敏感器，给星敏感器上电；

(7)、上位机实时接收星敏感器输出的三轴欧拉角；

(8)、星敏感器连续工作一段时间后，关闭星敏感器；

(8)、数学统计的方法对这些数据进行处理；

(10)、计算出星敏感器三个欧拉角的静态精度；

(11)、控制三轴转台，使转台X轴、Y轴和Z轴角速度分别ω_x(°/s)，ω_y(°/s)和ω_z(°/s)转动；

(12)、打开星敏感器，给星敏感器上电；

(13)、上位机接收星敏感器的三轴欧拉角，

设该时刻为T₀+ΔT，星敏感器X轴、Y轴和Z轴方向的欧拉角分别为Φ_{x_t0+Δt}(°)、Φ_{y_T0+ΔT}(°)和Φ_{z_T0+ΔT}(°)；

(14)：利用公式

式中

和

分别为上一时刻T₀时刻星敏感器X轴、Y轴和Z轴方向的欧拉角，计算当前时刻，即T₀+ΔT时刻下，星敏感器的理想三轴欧拉角；

(15)、利用

计算T₀+ΔT时刻星敏感器X轴、Y轴和Z轴的欧拉角误差

和

(16)、星敏感器连续工作一段时间后，关闭星敏感器；

(17)、数学统计的方法对这些数据进行处理；

(18)、计算出星敏感器三个欧拉角的动态精度。

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