CN104406583A

CN104406583A - 双星敏感器联合确定载体姿态方法

Info

Publication number: CN104406583A
Application number: CN201410728741.1A
Authority: CN
Inventors: 潘良; 朱伟康; 刘冰; 张同双; 周海渊; 赵李健; 茅永兴; 钟德安; 焦宏伟
Original assignee: 63680 TROOPS PLA
Current assignee: 63680 TROOPS PLA
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: CN104406583B

Abstract

本发明涉及一种双星敏感器联合确定船体姿态的方法，属于天文导航领域。方法包括以下步骤：一是星敏感器基于恒星参考矢量的蒙气差修正方法，即通过修正恒星参考矢量实现蒙气差的修正；二是基于联合双星敏感器恒星观测矢量的船体姿态确定方法，即将双星敏感器两个视场中每颗可识别恒星的观测矢量联合为观测矢量矩阵，最终与对应的恒星参考矢量矩阵完成船体姿态解算。本发明在简化星敏感器蒙气差修正算法的基础上，同时提高双星敏感器获取船体姿态的能力。主要内容涉及基于恒星参考矢量的蒙气差修正方法和基于联合双星敏感器恒星观测矢量的船体姿态确定方法两个方面。

Description

双星敏感器联合确定载体姿态方法

技术领域

本发明涉及一种双星敏感器联合确定船体姿态的方法。属于天文导航领域。

背景技术

星敏感器以恒星为参照物，由探测单元在某一时刻对天空完成星图捕获，经过数据处理单元对星图进行恒星质心提取、星图识别、恒星跟踪、姿态计算等一系列处理，最终获得星敏感器相对惯性空间的高精度姿态信息，是一种高精度的姿态测量装置。目前星敏感器广泛应用于航空航天飞行器姿态测量，随着高精度大视场星敏感器技术的成熟，星敏感器已经能够完成船体姿态测量。为了提高船体姿态测量精度，星敏感器通常采用双星敏感器联合工作模式，蒙气差修正方法和联合姿态确定方法是双星敏感器应用于船体姿态测量的两个关键技术。

关于蒙气差修正方法，一般是对观测矢量进行修正，但该方法需要获取观测矢量的地平仰角（或天顶距），而计算观测矢量的地平仰角需要船体姿态角。综上所述，基于观测矢量的修正方法，需要引入外部的姿态角参考量（如捷联惯导），或者先不进行蒙气差修正，而是在获取粗略的初始姿态后再进行多次迭代修正。

关于联合姿态确定方法，一般方法要求首先分别获取两个星敏感器相对参考坐标系的视轴指向，再根据星敏感器的安装矩阵解算得到船体相对参考坐标系的姿态角，而单星敏感器识别4颗以上恒星才能获得视轴指向，当两台星敏感器不能同时给出各自视轴相对参考坐标系的精确指向时，双星敏感器无法获取船体姿态。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种双星敏感器联合确定船体姿态的方法，简化星敏感器蒙气差修正算法，降低双星敏感器获取船体姿态角所需的可识别恒星数量限制，提高双星敏感器获取船体姿态的能力。

本发明的目的是这样实现的：一种双星敏感器联合确定载体姿态方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、基于恒星参考矢量的蒙气差修正

1、将恒星S_i在J2000.0坐标系的单位参考矢量V_i，转换到船体地平坐标系，转换后的单位矢量记为V_DPi，

V_i转换到V_DPi的转换关系为：

（1）

式(1)中，La、Lo分别为观测点的地理纬度和经度，x_p、y_p分别极移参数，GAST为格林尼治真恒星时，ε_A为平黄赤交角，ΔΨ、Δε分别为黄经章动和交角章动，Z_A、θ_A和ξ_A为赤道岁差参数；

2、计算恒星的地平方位角A_DPi和地平仰角E_DPi

根据式（1）计算得到V_DPi表示为[x_DPiy_DPiz_DPi]^T，V_DPi的地平方位角A_DPi、E_DPi与x_DPi、y_DPi、z_DPi有以下关系：

（2）

3、根据地平仰角对V_DPi进行蒙气差修正，得到蒙气差修正后的参考单位矢量V'_DPi

（3）

其中：，ρ即为蒙气差修正量，；

步骤二、基于联合双星敏感器观测矢量的船体姿态确定

1、采用如下公式将星敏感器观测矢量转换到船体甲板系

（4）

其中，R_S1 ^b、R_S2 ^b分别为星敏感器1、星敏感器2的安装矩阵，W₁、W₂分别为敏感器1、敏感器2的观测矢量矩阵；

2、将星敏感器参考矢量转换到船体地平系

将星敏感器1、星敏感器2识别恒星的参考矢量矩阵V₁、V₂，转换到船体地平系并分别经公式（1）、（2）、（3）的蒙气差修正重组后得到参考矢量分别为V₁'、V₂'；

3、组成联合观测和参考矢量矩阵解算船体姿态角

将星敏感器1、星敏感器2相对船体甲板系的观测矢量矩阵W_b1、W_b2，组成联合观测矢量矩阵W_b，将V₁'、V₂'在船体地平系下的参考矢量矩阵，组成联合参考矢量矩阵V_DP'，利用QUEST算法进行姿态解算，根据式（5）得到船体甲板系到船体地平系的姿态转换矩阵，最后根据式（6）得到船体姿态角，

（5）

（6）

其中，W_b =[W_b1 W_b2]，V_DP'=[V₁' V₂']，，R^b _DP(i,j)为姿态矩阵R^b _DP中的第i行、第j列元素，航向K需要进行象限判断。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一是基于恒星参考矢量的蒙气差修正方法，优点在于直接对参考矢量修正，不需要引入外部姿态数据，更不需要繁杂的换算和迭代过程，另外本方法采用中国天文年历修正方法为基础的模型，比一般简化模型精度高，比精确模型计算量小，同时精度能够达到要求；

二是基于联合双星敏感器恒星观测矢量确定船体姿态方法，优点在于每个星敏感器只需至少有1颗可识别恒星即可联合确定船体姿态角，降低了双星敏感器获取船体姿态角所需的可识别恒星数量限制，极大提高了双星敏感器获取船体姿态的能力。

附图说明

图1为J2000.0坐标系定义图。

图2为地固坐标系与船体地平系的坐标系定义图。

图3为船体甲板系与星敏坐标系的坐标系定义图。

图4是双星敏感器与捷联惯导姿态精度比对试验曲线图。

具体实施方式

本发明涉及一种双星敏感器联合确定船体姿态的方法，方法包括以下步骤：一是星敏感器基于恒星参考矢量的蒙气差修正方法，即通过修正恒星参考矢量实现蒙气差的修正；二是基于联合双星敏感器恒星观测矢量的船体姿态确定方法，即将双星敏感器两个视场中每颗可识别恒星的观测矢量联合为观测矢量矩阵，最终与对应的恒星参考矢量矩阵完成船体姿态解算。

为便于本发明内容描述，在此对发明中涉及的坐标系定义、相关概念与符号含义等进行简要说明。

一、相关说明

1、相关坐标系定义

参见图1至图3。

2、相关概念与符号含义

R_x(q)，R_y(q)，R_z(q)：基本欧拉角旋转变换矩阵，分别表示绕X、Y和Z轴逆时针旋转q角，具有如下标准形式：

，，

星敏感器姿态角：星敏感器在J2000.0坐标系下的偏航角、俯仰角、滚动角。

船体姿态角：船体在惯导地平坐标系下的航向角(K)、纵摇角(θ)、横摇角(Ψ)。

S_i：表示待观测恒星。

V _i：恒星Si在J2000.0坐标系的单位参考矢量（理论值）。

(1)

公式(1)中：α_i、δ_i为恒星S_i在J2000.0坐标系下的赤经、赤纬，可通过查找星表获取。

(u_si，v_si)为恒星通过星敏感器光学系统在星敏感器图像传感器中的坐标。

W_i：恒星Si在星敏感器坐标系O_s-X_sY_sZ_s单位观测矢量（观测值）。

(2)

公式(2)中，D为星敏感器图像传感器的像元尺寸，(u₀,v₀)为原点坐标，(u_si,v_si)为星点在图像传感器中的坐标，f为焦距。

R_S ^b为星敏感器坐标系至船体甲板系的安装转换矩阵，用来表述星敏感器坐标系至船体甲板系的坐标转换关系。

A₀、E₀、γ₀分别表示星敏感器在船体甲板系中的初始安装方位角、初始安装俯仰角和初始安装偏航角。其中R_S ^b与A₀、E₀、γ₀关系如公式3和公式4所示。

(3)

(4)

其中

按照上述定义星敏感器坐标系，当星敏感器初始安装角为0时，即假设星敏感器坐标系与船体甲板系指向是平行的（坐标原点不一样），解算的星敏感器姿态角即为船体姿态角(即此时星敏感器在J2000.0坐标系下的偏航角、俯仰角、滚动角分别对应惯导地平系下船体的偏航角、横摇角、俯仰角）。

基于恒星参考矢量的蒙气差修正方法，是将恒星参考单位矢量V_i转换至船体地平系，得到船体地平系的恒星参考单位矢量V_DPi，计算恒星的地平仰角，根据地平仰角对V_DPi进行蒙气差修正，得到蒙气差修正后的参考单位矢量V'_DPi。

主要包括以下步骤：

1、将恒星S_i在J2000.0坐标系的单位参考矢量V_i，转换到船体地平坐标系，转换后的单位矢量记为V_DPi。

V_i转换到V_DPi的转换关系为：

(6)

式(6)中，La、Lo分别为观测点的地理纬度和经度，x_p、y_p分别极移参数，GAST为格林尼治真恒星时，ε_A为平黄赤交角，ΔΨ、Δε分别为黄经章动和交角章动，Z_A、θ_A和ξ_A为赤道岁差参数。

2、计算恒星的地平方位角A_DPi和地平仰角E_DPi。

根据式(6)计算得到V_DPi表示为[x_DPiy_DPiz_DPi]^T，V_DPi的地平方位角A_DPi、E_DPi与x_DPi、y_DPi、z_DPi有以下关系：

(7)

A_DPi需要进行象限判断：

表1 恒星地平方位角象限判断

条件	结果	备注
			且
且

且
			且

3、根据地平仰角对V_DPi进行蒙气差修正，得到蒙气差修正后的参考单位矢量V'_DPi。

船用星敏感器工作于大气层内，由于大气折射的影响，恒星的实际观测地平仰角E'_DPi要大于理论地平仰角E_DPi，即需要对参考矢量V_DPi进行了蒙气差修正：

(8)

式(8)中，ρ即为蒙气差修正量，船用星敏感器安装仰角一般大于30°，采用如下修正模型：

(9)

式(9)中，ρ的单位为角秒。A、B、计算公式分别为：

（10）

式(10)中，t温度为（℃）、P为气压（hpa）。

式(9)中，ρ₀计算公式为：

(11)

式(9)中，当E_DPi>45°时，a为1；当14°≤E_DPi≤45°时，a计算公式如下为：

(12)

用星敏感器观测，不同恒星对应俯仰角不同，而蒙气差修正与仰角紧密相关，因此对每颗恒星分别进行修正才能达到最高的精度。根据式(8)进行蒙气差修正得到E'_DPi，重组得到V'_DPi：

(13)

三、基于联合双星敏感器观测矢量的船体姿态确定方法

基于联合双星敏感器观测矢量的船体姿态确定方法，是将两个星敏感器的恒星观测矢量统一转换到船体甲板系，组合成联合观测矢量矩阵；将两个星敏感器的恒星参考矢量转换到船体地平系，并对每颗恒星的地平系参考矢量进行蒙气差修正，组成联合参考矢量矩阵；再根据联合观测矢量矩阵和联合参考矢量矩阵解算船体姿态矩阵，进而得出船体姿态角。

主要包括以下步骤：

1、星敏感器观测矢量转换到船体甲板系

设星敏感器1识别恒星的观测矢量矩阵为W₁，星敏感器2识别恒星的观测矢量矩阵为W₂，分别将W₁、W₂转换到船体甲板系，得到W_b1、W_b2：

(14)

式（14）中，R_S1 ^b、R_S2 ^b分别为星敏感器1、星敏感器2的安装矩阵。

2、星敏感器参考矢量转换到船体地平系

设星敏感器1、2中识别恒星的参考矢量矩阵分别为V₁、V₂，转换到船体地平系并分别经蒙气差修正（每颗恒星分别修正）重组后的参考矢量分别为V₁'、V₂'，蒙气差修正方法见式(6)至式(13)。

3、组成联合观测和参考矢量矩阵解算船体姿态角

由于W_b1、W_b2都是相对船体甲板系的观测矢量矩阵，可组成联合观测矢量矩阵W_b:

W_b =[W_b1 W_b2] (15)

V₁'、V₂'都是船体地平系下的参考矢量矩阵，可组成联合参考矢量矩阵V_DP'：

V_DP'=[V₁' V₂'] (16)

W_b和V_DP'存在以下转换关系：

(17)

式(17)中的R^b _DP即为船体甲板系到船体地平系的姿态转换矩阵，可用QUEST算法进行姿态解算。

R^b _DP与船体姿态角的关系为：

(18)

因此有：

(19)

式(19)中R^b _DP(i,j)为姿态矩阵R^b _DP中的第i行、第j列元素，航向K需要进行象限判断：

表2 船体姿态角航向K象限判断

实施例：

时间：2014年7月9日北京时19h50m07s800ms

地点：东经120.293086°，北纬31.945213°

温度：28.2℃，气压：1008.3hpa。

试验在船体系泊条件下进行。

1、试验条件及参数

2、船体姿态解算实现过程

星敏感器观测恒星及识别结果，星敏感器1识别5颗，星敏感器2识别3颗，数据如下表：

（1）蒙气差修正

以星敏感器1第1颗恒星为例。J2000.0参考矢量为

转换到船体地平系，得到V_DPS1=[0.229426 0.671988 0.704128]^T；地平方位角A_DPS1=71.9528°，未经修正地平仰角E_DPS1=42.2207°，蒙气差修正量ρ=59.34″，经蒙气差修正后地平仰角E'_DPS1=42.2372°，蒙气差修正后地平参考矢量V'_DPS1=[0.229366 0.672201 0.703944]^T。

（2）双星敏感器联合恒星观测矢量确定船体姿态

星敏感器恒星观测矢量W₁、W₂为

W₁、W₂转换到船体甲板系，得到W_b1、W_b2并组成联合观测矢量W_b矩阵

恒星参考矢量V₁、V₂转换到船体地平系，进行蒙气差修正得到V₁'、V₂'并组成联合参考矢量矩阵V_DP'

根据式(17)，解算得到姿态矩阵R^b _DP

根据式(19)，解算船体姿态角为

K=253.8454°

ψ=0.0340°

θ =0.0349°

3、精度比对结果

采用高精度激光陀螺捷联惯导姿态数据作为比对参考，结果：

ΔK_mean=14.6″，ΔK_std=6.26″；

Δψ_mean=10.6″，Δψ_std=5.14″；

Δθ_mean=-1.15″，Δθ_std=5.15″。

比对曲线见图4。

Claims

1.一种双星敏感器联合确定载体姿态方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一、基于恒星参考矢量的蒙气差修正

V_i转换到V_DPi的转换关系为：

（1）

2、计算恒星的地平方位角A_DPi和地平仰角E_DPi

（2）

（3）

其中：，ρ即为蒙气差修正量，；

步骤二、基于联合双星敏感器观测矢量的船体姿态确定

1、采用如下公式将星敏感器观测矢量转换到船体甲板系

（4）

2、将星敏感器参考矢量转换到船体地平系

3、组成联合观测和参考矢量矩阵解算船体姿态角

将星敏感器1、星敏感器2相对船体甲板系的观测矢量矩阵W_b1、W_b2，组成联合观测矢量矩阵W_b，将V₁'、V₂'在船体地平系下的参考矢量矩阵，组成联合参考矢量矩阵V_DP'，根据式（5）得到船体甲板系到船体地平系的姿态转换矩阵，最后根据式（6）得到船体姿态角，

（5）

（6）

其中，W_b =[W_b1 W_b2]，V_DP'=[V₁' V₂']，，R^b _DP(i,j)为姿态矩阵R^b _DP中的第i行、第j列元素，K为航向角、θ为纵摇角、Ψ为横摇角，航向K需要进行象限判断。