CN105806369A - 一种星敏感器在轨光行差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星敏感器在轨光行差修正方法，包含以下步骤：根据上注的轨道参数计算得到星敏感器相对太阳的线速度，并计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量；根据星敏感器的姿态输出计算得到星敏感器的惯性指向；根据星敏感器的惯性指向计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量在星敏感器测量坐标系中的分量，并得到光行差引起的偏角值；根据光行差引起的偏角值计算得到星敏感器在轨光行差修正值，并根据此修正值在星敏感器姿态输出时对星敏感器在轨光行差进行修正。本发明能够有效提高星敏感器的测量精度。

Description

一种星敏感器在轨光行差修正方法

技术领域

本发明涉及航天器姿态控制技术领域，具体涉及一种星敏感器在轨光行差修正方法。

背景技术

星敏感器作为目前航天器中最重要的姿态测量敏感器，其精度直接影响航天器姿态测量精度，因此对其误差进行修正则尤为重要。影响星敏感器测量精度的因素主要有：系统偏差(Bias)、慢变误差(LFE)、噪声等效角(NEA)。其中，光行差是慢变误差中主要的误差源。目前，在研制星敏感器过程中已认识到这些误差的存在，但还未在产品中进行修正。

发明内容

本发明的目的在于提供一种星敏感器在轨光行差修正方法，能够有效提高星敏感器的测量精度。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种星敏感器在轨光行差修正方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、根据上注的轨道参数计算得到星敏感器相对太阳的线速度Ve，并计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000；

S2、根据星敏感器的姿态输出计算得到星敏感器的惯性指向；

S3、根据星敏感器的惯性指向计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000在星敏感器测量坐标系中的分量V_ss，并得到光行差引起的偏角值α；

S4、根据光行差引起的偏角值α计算得到星敏感器在轨光行差修正值，并根据此修正值在星敏感器姿态输出时对星敏感器在轨光行差进行修正。

所述的步骤S1中包含：

S1.1、根据太阳视运动轨道平近点角和太阳视运动轨道偏心率，计算得到t时刻的真近点角f_s；

S1.2、根据t时刻的真近点角f_s及太阳视运动轨道近地点幅角，计算得到t时刻地球相对太阳的线速度Ve；

S1.3、根据太阳视运动轨道倾角及上注轨道参数，计算得到星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000。

所述的步骤S1.1中t时刻的真近点角f_s的计算公式为：

f_s＝M_s+2e_ssin(M_s)+1.25e_s ²sin(2M_s)

式中，M_s为太阳视运动轨道平近点角，e_s为太阳视运动轨道偏心率。

所述的步骤S1.2中t时刻地球相对太阳的线速度Ve的计算公式为：

$V_e=-29788.8(\sin f_s\left[\begin{array}{c}-cos{\mathrm{\ω}}_s\\ -{\mathrm{sin\ω}}_s\\ 0\end{array}\right]-(\cos f_s+e_s\left)\left[\begin{array}{c}{\mathrm{sin\ω}}_s\\ -{\mathrm{cos\ω}}_s\\ 0\end{array}\right]\right)$

式中，f_s为真近点角，ω_s为太阳视运动轨道近地点幅角。

所述的步骤S1.3中星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000的计算公式为：

$V_{J2000}=\left[\begin{array}{c}{V}_e\left(1\right)\\ V_e\left(2\right)cos\mathrm{\ϵ}\\ V_e\left(2\right)sin\mathrm{\ϵ}\end{array}\right]+v$

式中，ε为太阳视运动轨道倾角，v＝(v_x,v_y,v_z)为星敏感器相对地球线速度在J2000.0坐标系的投影分量，由上注轨道参数计算得到，单位m/s。

所述的步骤S2具体包含：

采集t时刻星敏感器的四元数Q，即可计算出星敏感器的惯性指向，其中，Q＝[q₀q₁q₂q₃]^T。

所述的步骤S3中计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000在星敏感器测量坐标系中的分量V_ss的计算公式为：

$Q\left(V_{ss}\right)=Q*\⊗Q\left(V_{J2000}\right)\⊗Q$

式中，Q(V_ss)＝[0V_SS(x)V_SS(y)V_SS(z)]^T，Q*＝[q₀-q₁-q₂-q₃]^T，为四元数相乘，Q(V_J2000)＝[0V_J2000(x)V_J2000(y)V_J2000(z)]^T，Q＝[q₀q₁q₂q₃]^T。

所述的步骤S3中光行差引起的偏角值α的计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{V}{C}$

式中，α为光行差引起的偏角值，V为线速度，C为光速。

所述的步骤S3中计算光行差引起的偏角值α的步骤包含：

计算星敏感器X轴线速度V_SS(x)所引起的偏差角α_x，

计算星敏感器Y轴线速度V_SS(y)所引起的偏差角α_y，

所述的步骤S4包含：

S4.1、根据光行差引起的偏角值α计算得到星敏感器在轨光行差引起的偏差四元数ΔQ，其中，式中，α_x为星敏感器X轴线速度V_SS(x)所引起的偏差角，α_y为星敏感器Y轴线速度V_SS(y)所引起的偏差角；

S4.2、根据星敏感器在轨光行差引起的偏差四元数ΔQ，计算得到星敏感器修正四元数Q'，其中，Q＝[q₀q₁q₂q₃]^T，为四元数相乘；

S4.3、星敏感器修正四元数Q'作为星敏感器在轨光行差修正值，并在星敏感器姿态输出时对星敏感器在轨光行差进行修正。

本发明一种星敏感器在轨光行差修正方法与现有技术相比具有以下优点：该方法主要利用上注的轨道参数计算星敏感器相对太阳的线速度，利用星敏感器的姿态输出计算星敏感器惯性指向，根据计算得到的惯性指向计算线速度在星敏感器测量坐标系中的分量，进而计算光行差引起的偏差角，最后在星敏感器姿态输出时进行修正，能够有效提高星敏感器的测量精度。

附图说明

图1为本发明一种星敏感器在轨光行差修正方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种星敏感器在轨光行差修正方法，包含以下步骤：

S1、根据上注的轨道参数计算得到星敏感器相对太阳的线速度Ve，并计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000。

S1.1、根据太阳视运动轨道平近点角和太阳视运动轨道偏心率，计算得到t时刻的真近点角f_s。

t时刻的真近点角f_s的计算公式为：

f_s＝M_s+2e_ssin(M_s)+1.25e_s ²sin(2M_s)

式中，M_s为太阳视运动轨道平近点角，e_s为太阳视运动轨道偏心率。

S1.2、根据t时刻的真近点角f_s及太阳视运动轨道近地点幅角，计算得到t时刻地球相对太阳的线速度Ve。

t时刻地球相对太阳的线速度Ve的计算公式为：

$V_e=-29788.8(\sin f_s\left[\begin{array}{c}-cos{\mathrm{\ω}}_s\\ -{\mathrm{sin\ω}}_s\\ 0\end{array}\right]-(\cos f_s+e_s\left)\left[\begin{array}{c}sin{\mathrm{\ω}}_s\\ -{\mathrm{cos\ω}}_s\\ 0\end{array}\right]\right)$

式中，f_s为真近点角，ω_s为太阳视运动轨道近地点幅角。

S1.3、根据太阳视运动轨道倾角及上注轨道参数，计算得到星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000。

星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000的计算公式为：

$V_{J2000}=\left[\begin{array}{c}{V}_e\left(1\right)\\ V_e\left(2\right)cos\mathrm{\ϵ}\\ V_e\left(2\right)sin\mathrm{\ϵ}\end{array}\right]+v$

式中，ε为太阳视运动轨道倾角，v＝(v_x,v_y,v_z)为星敏感器相对地球线速度在J2000.0坐标系的投影分量，由上注轨道参数计算得到，单位m/s。

S2、根据星敏感器的姿态输出计算得到星敏感器的惯性指向。

采集t时刻星敏感器的四元数Q，即可计算出星敏感器的惯性指向，其中，Q＝[q₀q₁q₂q₃]^T。

S3、根据星敏感器的惯性指向计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000在星敏感器测量坐标系中的分量V_ss，并得到光行差引起的偏角值α。

计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000在星敏感器测量坐标系中的分量V_ss的计算公式为：

$Q\left(V_{ss}\right)=Q*\⊗Q\left(V_{J2000}\right)\⊗Q$

式中，Q(V_ss)＝[0V_SS(x)V_SS(y)V_SS(z)]^T，Q*＝[q₀-q₁-q₂-q₃]^T，为四元数相乘，Q(V_J2000)＝[0V_J2000(x)V_J2000(y)V_J2000(z)]^T，Q＝[q₀q₁q₂q₃]^T。

光行差引起的偏角值α的计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{V}{C}$

式中，α为光行差引起的偏角值，V为线速度，C为光速。

计算光行差引起的偏角值α的步骤包含：

计算星敏感器X轴线速度V_SS(x)所引起的偏差角α_x，

计算星敏感器Y轴线速度V_SS(y)所引起的偏差角α_y，

S4、根据光行差引起的偏角值α计算得到星敏感器在轨光行差修正值，并根据此修正值在星敏感器姿态输出时对星敏感器在轨光行差进行修正。

S4.1、根据光行差引起的偏角值α计算得到星敏感器在轨光行差引起的偏差四元数ΔQ，其中，式中，α_x为星敏感器X轴线速度V_SS(x)所引起的偏差角，αy为星敏感器Y轴线速度V_SS(y)所引起的偏差角；

S4.2、根据星敏感器在轨光行差引起的偏差四元数ΔQ，计算得到星敏感器修正四元数Q'，其中，Q＝[q₀q₁q₂q₃]^T，为四元数相乘；

S4.3、星敏感器修正四元数Q'作为星敏感器在轨光行差修正值，并在星敏感器姿态输出时对星敏感器在轨光行差进行修正。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种星敏感器在轨光行差修正方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、根据上注的轨道参数计算得到星敏感器相对太阳的线速度，并计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000；

S2、根据星敏感器的姿态输出计算得到星敏感器的惯性指向；

S3、根据星敏感器的惯性指向计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000在星敏感器测量坐标系中的分量V_ss，并得到光行差引起的偏角值α；

S4、根据光行差引起的偏角值α计算得到星敏感器在轨光行差修正值，并根据此修正值在星敏感器姿态输出时对星敏感器在轨光行差进行修正。

2.如权利要求1所述的星敏感器在轨光行差修正方法，其特征在于，所述的步骤S1中包含：

S1.1、根据太阳视运动轨道平近点角和太阳视运动轨道偏心率，计算得到t时刻的真近点角f_s；

S1.2、根据t时刻的真近点角f_s及太阳视运动轨道近地点幅角，计算得到t时刻地球相对太阳的线速度Ve；

S1.3、根据太阳视运动轨道倾角及上注轨道参数，计算得到星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000。

3.如权利要求2所述的星敏感器在轨光行差修正方法，其特征在于，所述的步骤S1.1中t时刻的真近点角f_s的计算公式为：

f_s＝M_s+2e_ssin(M_s)+1.25e_s ²sin(2M_s)

式中，M_s为太阳视运动轨道平近点角，e_s为太阳视运动轨道偏心率。

4.如权利要求2所述的星敏感器在轨光行差修正方法，其特征在于，所述的步骤S1.2中t时刻地球相对太阳的线速度Ve的计算公式为：

$V_e=-29788.8(\sin f_s\left[\begin{array}{c}-cos{\mathrm{\ω}}_s\\ -{\mathrm{sin\ω}}_s\\ 0\end{array}\right]-(\cos f_s+e_s)\left[\begin{array}{c}sin{\mathrm{\ω}}_s\\ -{\mathrm{cos\ω}}_s\\ 0\end{array}\right])$

式中，f_s为真近点角，ω_s为太阳视运动轨道近地点幅角。

5.如权利要求2所述的星敏感器在轨光行差修正方法，其特征在于，所述的步骤S1.3中星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000的计算公式为：

$V_{J2000}=\left[\begin{array}{c}{V}_e\left(1\right)\\ V_e\left(2\right)cos\mathrm{\ϵ}\\ V_e\left(2\right)sin\mathrm{\ϵ}\end{array}\right]+v$

式中，ε为太阳视运动轨道倾角，v＝(v_x，v_y，v_z)为星敏感器相对地球线速度在J2000.0坐标系的投影分量，由上注轨道参数计算得到，单位m/s。

6.如权利要求1所述的星敏感器在轨光行差修正方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包含：

采集t时刻星敏感器的四元数Q，即可计算出星敏感器的惯性指向，其中，Q＝[q₀q₁q₂q₃]^T。

7.如权利要求1所述的星敏感器在轨光行差修正方法，其特征在于，所述的步骤S3中计算星敏感器相对太阳的线速度在2000.0惯性坐标系的投影分量V_J2000在星敏感器测量坐标系中的分量V_ss的计算公式为：

$Q\left(V_{ss}\right)=Q*\⊗Q\left(V_{J2000}\right)\⊗Q$

式中，Q(V_ss)＝[0V_SS(x)V_SS(y)V_SS(z)]^T，Q^*＝[q₀-q₁-q₂-q₃]^T，为四元数相乘，Q(V_J2000)＝[0V_J2000(x)V_J2000(y)V_J2000(z)]^T，Q＝[q₀q₁q₂q₃]^T。

8.如权利要求1所述的星敏感器在轨光行差修正方法，其特征在于，所述的步骤S3中光行差引起的偏角值α的计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{V}{C}$

式中，α为光行差引起的偏角值，V为线速度，C为光速。

9.如权利要求1所述的星敏感器在轨光行差修正方法，其特征在于，所述的步骤S3中计算光行差引起的偏角值α的步骤包含：

计算星敏感器X轴线速度V_SS(x)所引起的偏差角α_x，

计算星敏感器Y轴线速度V_SS(y)所引起的偏差角α_y，

10.如权利要求9所述的星敏感器在轨光行差修正方法，其特征在于，所述的步骤S4包含：

S4.1、根据光行差引起的偏角值α计算得到星敏感器在轨光行差引起的偏差四元数ΔQ，其中，式中，α_x为星敏感器X轴线速度V_SS(x)所引起的偏差角，α_y为星敏感器Y轴线速度V_SS(y)所引起的偏差角；

S4.2、根据星敏感器在轨光行差引起的偏差四元数ΔQ，计算得到星敏感器修正四元数Q′，其中，Q＝[q₀q₁q₂q₃]^T，为四元数相乘；

S4.3、星敏感器修正四元数Q′作为星敏感器在轨光行差修正值，并在星敏感器姿态输出时对星敏感器在轨光行差进行修正。