CN106404004B - 一种天基探测基准标定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了天基探测基准标定装置及方法，本发明公开的天基探测基准标定方法包括：步骤一、陀螺测量惯性坐标系下扫描镜法线向量；步骤二、星敏感器和光纤陀螺组合测量惯性坐标系下的入射光线的向量；步骤三、根据扫描镜的空间指向和探测器中目标成像的位置向量，确定目标在惯性空间的指向。

Description

一种天基探测基准标定装置及方法
技术领域
本发明属卫星空间遥感领域，特别涉及天基探测基准标定装置及方法。
背景技术
卫星在轨执行对地遥感和空间目标探测任务，其探测基准标定精度直接决定探测目标的定位精度。对于采用扫描成像方式的星上相机，天基探测基准与星上相机扫描镜转动角度、卫星的姿态和轨道位置相关。由于卫星平台的基准为星敏感器，因此天基探测的在轨基准必须与星敏感器建立联系。
地球静止轨道环境业务(GOES)系列卫星等国外遥感卫星的天基探测基准标定采用星上相机恒星观测与星敏感器姿态确定联合的方法。该方法需解决卫星的星体在不同太阳光照条件下受热不均匀，造成星上相机内部的扫描镜及其安装面、相机整机及其安装面、星敏感器及其安装支架结构变形的标定问题。根据GOES系列卫星的在轨数据，热变形对天基探测基准标定影响最大可达1000微弧，对应静止轨道卫星星下点投影的变化范围约为33km。对于天基探测精度要求较高的卫星，如何减小热变形对天基探测基准的影响，显得至关重要。
发明内容
本发明解决的问题是现有天基探测基准的精度受温度影响大；为解决所述问题，本发明提供一种天基探测基准标定装置及方法。
本发明提供的天基探测基准标定装置包括：安装于扫描镜背部的陀螺，所述陀螺测量惯性坐标系下扫描镜法线向量；安装于相机光机主体靠近探测器位置的光纤陀螺；安装于相机光机主体外靠近探测器基座上的星敏感器，星敏感器和光纤陀螺组合测量惯性坐标系下的探测器基准向量。
本发明还提供天基探测基准标定方法，采用本发明所提供的天基探测基准标定装置，包括：
步骤一、陀螺测量惯性坐标系下扫描镜法线向量；
步骤二、星敏感器和光纤陀螺组合测量惯性坐标系下的入射光线的向量；
步骤三、根据扫描镜的空间指向和探测器中目标成像的位置向量，确定目标在惯性空间的指向。
进一步，所述惯性坐标系下扫描镜法线向量为： 为扫描镜法线在扫描镜坐标系的向量，GA2为陀螺实时测量的姿态矩阵，AG2为陀螺的安装矩阵。
进一步，惯性坐标系下的入射光线的向量为： 为探测器坐标系的光线向量，A1为探测器的安装矩阵，GA1为光纤陀螺和星敏感器联合实时测量的姿态矩阵，AG1为光纤陀螺的安装矩阵。
进一步，目标反射光线在惯性系的向量为： 为惯性坐标系下的入射光线的向量，R为扫描镜的反射作用矩阵，Nx，Ny，Nz为扫描镜法线向量在惯性系的分量。
进一步，R的标定方法包括：步骤3.1、T0时刻采用探测器观恒星，得到恒星在惯性系的向量为恒星在探测器坐标系的位置为姿态矩阵为GT0，探测器上成像的恒星在惯性系的向量为
步骤3.2、根据反射物象共轭原理建立观测恒星在惯性系与实际恒星在惯性系的关系：Ro为T0时刻扫描镜的反射作用矩阵，Nox，Noy，Noz为T0时刻扫描镜法线向量在惯性系的分量；
步骤3.3、第二次采用探测器观恒星，第二次观星时刻的反射作用矩阵为：
Δx，Δy，Δz为两次观星时间间隔内陀螺测量的扫描镜法线向量角度增量在惯性系的分量；
步骤3.4、联合两次观测恒星在惯性系与实际恒星在惯性系的关系，求解Ro。
进一步，陀螺安装面的温度控制变化为±0.5K。
本发明的优点包括：
通过在扫描镜的背部安装陀螺，在距探测器尽可能近的地方安装光纤陀螺，减少了因为热变形引起的对扫描镜和探测器测量的误差，从而提高天基探测基准标定精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的天基探测基准标定装置的机构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有天基探测基准标定方法受热变形影响大。星上相机与卫星平台之间采用固连方式，通过扫描镜运动实现连续成像，为了减少测量路径上的变形对标定精度的影响，如图1所示，本发明的实施例中扫描镜02背部安装陀螺03，用于测量惯性坐标系下的扫描镜02法线向量。所述陀螺03采用高带宽陀螺，带宽一般为几百赫兹以上，具体可以根据应用环境确定。由于扫描镜法线向量在惯性系的变化包含卫星姿态角变化，无法独立确定扫描镜角度变化，因此同时在相机01光机主体靠近探测器位置的基座上安装光纤陀螺04，为减小热变形的影响，所述光纤陀螺04的安装位置可以尽可能接近探测器；并在相机光机主体外靠近探测器的基座上安装星敏感器，通过星敏感器和陀螺组合联合测量惯性坐标系下的探测器基准向量。该方案较于传统天基探测基准标定方案的优势在于无需考虑热变形影响。
本发明实施例提供的天基探测基准标定方法以首次观测恒星的时刻为陀螺的测量初始时刻，在标定周期内根据陀螺的测量数据确定扫描镜的空间指向，再根据探测器中目标成像的空间位置向量，确定成像目标在实际惯性空间的指向。整个测量过程受热变形影响小，标定精度高。具体包括：
步骤一、设扫描镜法线在扫描镜坐标系的向量为陀螺实时测量的姿态矩阵为GA2，陀螺的安装矩阵为AG2，则可得扫描镜法线在惯性系的向量
由于陀螺存在测量误差随时间变大的特性，所以在本实施例中，先对陀螺的测量误差进行校正，再进行实时测量。在轨可采用相机观星方式对陀螺误差进行标定，根据恒星在探测器的成像位置计算出恒星矢量的惯性系指向，并根据恒星库信息对比计算指向偏差，根据该偏差校正高精度陀螺的误差。由于卫星在工作段的视场范围包含冷空间，故可根据相机全区域扫描过程中敏感到的恒星信息，根据上述标定方法对陀螺误差进行周期性标定。
步骤二、设探测器坐标系的光线向量为安装矩阵为A1，光纤陀螺和星敏感器联合实时测量的姿态矩阵为GA1，光纤陀螺的安装矩阵为AG1，则可得入射光线在惯性系的向量
步骤三、根据反射物象共轭原理，利用扫描镜的空间指向和探测器中目标成像的位置向量，得到反射光线即相机视线在惯性系的向量，确定目标在惯性空间的指向：
其中，R为扫描镜的反射作用矩阵，可表示为
其中，Nx，Ny，Nz为扫描镜法线向量在惯性系的分量。
反射作用矩阵R的测量基准需要通过恒星观测标定进行确定，标定方法包括：
步骤3.1、设T0时刻观测的恒星在惯性系的向量为T0时刻在探测器成像的恒星在探测器坐标系的位置为通过星敏感器和探测器附近安装的陀螺联合确定的T0时刻姿态矩阵GT0，能够计算得到探测器上成像的恒星在惯性系的向量为
步骤3.2、根据反射物象共轭原理建立观测恒星在惯性系与实际恒星在惯性系的关系：
其中，Ro为扫描镜的反射作用矩阵，可表示为
其中，Nox，Noy，Noz为扫描镜法线向量在惯性系的分量。
通过以上关系中已知的变量和能够反解Ro，共包含3个待解参数。由于观测一次恒星能够确定两维参数，因此需要观测两次恒星。
步骤3.3、第二次观星时刻的反射作用矩阵为：
其中，Δx，Δy，Δz为两次观星时间间隔内陀螺测量的扫描镜法线向量角度增量在惯性系的分量。
步骤3.4、根据两次观星参数，反解得到Ro，通过Ro和下次观星时间间隔内陀螺测量的扫描镜法线向量角度增量在惯性系的分量，确定下次观星时刻的反射作用矩阵R。
进一步，为了精确获取扫描相机每个曝光时刻的扫描镜中心法线惯性角度信息，需要安装在扫描镜上的陀螺输出频率与扫描相机曝光频率一致。考虑到工程可行性，可适当降低陀螺数据更新率的指标要求，同时从应用需求角度需进一步对扫描相机速度均匀性提出要求。通过星上活动部件频率(扫描镜工作过程中的制冷机工作频率约70Hz，反作用飞轮和天线振动频率约25Hz，扫描频率0.5Hz)分析，考虑各种干扰的2倍频及25％的频率余量，提出陀螺数据更新频率要求为不小于200Hz。
从工程实现角度考虑，由于陀螺安装在扫描镜背部，为保证扫描镜法线方向光线的一致性，陀螺安装面的温度控制变化要求为±0.5K。由于星上扫描相机后光路部分采用冷光学设计，温控要求较高，因此探测器部分的变形量相对较小，探测器光轴一致性较高。考虑到扫描镜采用直流电机闭环控制方式，其运动过程中的抖动将直接影响陀螺的测量数据精度和有效性。因此，陀螺的使用需要考虑工作环境的影响。
以本发明专利的方法建立了某卫星天基探测标定模型，仿真计算其在轨标定的指标满足度。根据指标理论分析数据，对比仿真计算数据如表1所示，表中数据显示该方法计算天基探测基准标定的误差不超过5％，验证了本方法的准确性。
表1基于恒星观测模型的天基探测基准标定指标与仿真结果对比
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.天基探测基准标定方法，采用天基探测基准标定装置标定，天基探测基准标定装置包括：安装于扫描镜背部的陀螺，所述陀螺测量惯性坐标系下扫描镜法线向量；安装于相机光机主体靠近探测器位置的光纤陀螺；安装于相机光机主体外靠近探测器基座上的星敏感器，星敏感器和光纤陀螺组合测量惯性坐标系下的探测器基准向量；其特征在于：包括：
步骤一、陀螺测量惯性坐标系下扫描镜法线向量；
步骤二、星敏感器和光纤陀螺组合测量惯性坐标系下的入射光线的向量；
步骤三、根据扫描镜的空间指向和探测器中目标成像的位置向量，确定目标在惯性空间的指向；目标反射光线在惯性系的向量为： 为惯性坐标系下的入射光线的向量，R为扫描镜的反射作用矩阵，Nx，Ny，Nz为扫描镜法线向量在惯性系的分量；R的标定方法包括：步骤3.1、T0时刻采用探测器观恒星，得到恒星在惯性系的向量为恒星在探测器坐标系的位置为姿态矩阵为GT0，探测器上成像的恒星在惯性系的向量为
步骤3.2、根据反射物象共轭原理建立观测恒星在惯性系与实际恒星在惯性系的关系：Ro为T0时刻扫描镜的反射作用矩阵，Nox，Noy，Noz为T0时刻扫描镜法线向量在惯性系的分量；
步骤3.3、第二次采用探测器观恒星，第二次观星时刻的反射作用矩阵为：
，
Δx，Δy，Δz为两次观星时间间隔内陀螺测量的扫描镜法线向量角度增量在惯性系的分量；
步骤3.4、联合两次观测恒星在惯性系与实际恒星在惯性系的关系，求解Ro。
2.依据权利要求1所述的天基探测基准标定方法，其特征在于，所述惯性坐标系下扫描镜法线向量为： 为扫描镜法线在扫描镜坐标系的向量，GA2为陀螺实时测量的姿态矩阵，AG2为陀螺的安装矩阵。
3.依据权利要求1所述的天基探测基准标定方法，其特征在于，惯性坐标系下的入射光线的向量为： 为探测器坐标系的光线向量，A1为探测器的安装矩阵，GA1为光纤陀螺和星敏感器联合实时测量的姿态矩阵，AG1为光纤陀螺的安装矩阵。
4.依据权利要求1所述的天基探测基准标定方法，其特征在于，陀螺安装面的温度控制变化为±0.5K。
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