CN107389089A - 一种星载多探头高精度星敏感器测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载多探头高精度星敏感器测试方法，属于航天测量控制技术领域，步骤为：(1)从星敏感器的多个光电探头中选择任意一个光电探头作为基准光电探头，并将除所述基准光电探头外的任意一个光电探头作为非基准光电探头；(2)获取基准光电探头的轨道四元数，并根据所述轨道四元数以及安装角度，获取所述非基准光电探头的轨道四元数；(3)根据步骤(2)得到的所述轨道四元数获取所述非基准光学探头指向的天区恒星的二维平面坐标；(4)根据步骤(3)得到的所述二维平面坐标解算所述星敏感器的姿态四元数；(5)根据步骤(4)得到的姿态四元数获取所述星敏感器的姿态信息并根据所述姿态信息对所述星敏感器的工作状态进行分析。

Description

一种星载多探头高精度星敏感器测试方法

技术领域

本发明属于航天测量控制技术领域，特别涉及一种星载多探头高精度星敏感器测试方法。

背景技术

星敏感器已广泛应用于卫星、飞船等航天器的姿轨控系统中，星敏感器可以通过拍摄的星图信息，解算出本体的姿态信息。传统的星敏感器多为单探头星敏感器，其存在着三轴精度不均衡问题，滚动方向的精度比其他两轴差6-8倍。近年来，为了进一步提升三轴姿态精度，多探头星敏感器不断涌现，其利用信息融合技术，综合利用多个视场的探测信息，有效解决了三轴精度不一致的问题，同时大幅提高了星敏感器的精度，成为甚高精度星敏感器的研究发展方向之一。

与单探头星敏感器相比，多探头星敏感器的结构复杂，对外接口多，且遥测数据量大，测试方法复杂。现有的多探头星敏感器测试方法为逐个探头进行测试，然而近年来，随着国产化的星载多探头高精度星敏感器进入工程应用阶段，简单的将单探头测试方法拓展用于多探头星敏感器的测试不能满足工程应用的需要，且现有方法尚未考虑多个光电探头的同步性，造成现有多探头高精度星敏感器的测试误差较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星载多探头高精度星敏感器测试方法，可以解决现有简单的将单探头测试方法拓展用于多探头星敏感器的测试不能满足工程应用的需要，以及现有测试误差较大的问题。

本发明的技术方案是：一种星载多探头高精度星敏感器测试方法，包括：

(1)从星敏感器的多个光电探头中选择任意一个光电探头作为基准光电探头，并将除所述基准光电探头外的任意一个光电探头作为非基准光电探头；

(2)获取基准光电探头的轨道四元数，并根据所述基准光电探头的轨道四元数以及非基准光电探头与所述基准光电探头之间的安装角度，获取所述非基准光电探头的轨道四元数；

(3)根据步骤(2)得到的所述非基准光电探头的轨道四元数获取所述非基准光学探头指向的天区恒星的二维平面坐标；

(4)根据步骤(3)得到的所述二维平面坐标解算所述星敏感器的姿态四元数；

(5)根据步骤(4)得到的姿态四元数获取所述星敏感器的姿态信息并根据所述姿态信息对所述星敏感器的工作状态进行分析。

进一步地，所述获取所述非基准光电探头的轨道四元数的方法为：

根据公式Q_n1＝[q₀,q₁,q₂,q₃]＝quatmultiply(Q_b，Q_trans(θ))进行计算，其中，Q_n1为非基准光电探头的轨道四元数，q₀,q₁,q₂,q₃为轨道四元数的标量，Q_trans(θ)为转移四元数，Q_trans(θ)＝[q_trans0,q_trans1,q_trans2,q_trans3]，θ为非基准光电探头与基准光电探头之间的安装角度，Q_b为基准光电探头的轨道四元数，quatmultiply为轨道四元数相乘。

进一步地，所述获取所述非基准光学探头指向的天区恒星的二维平面坐标的方法为：

根据公式 进行计算，其中，x_i、y_i为天区恒星的二维平面坐标，i为非基准光学探头对应的视场中的第i颗恒星，T为姿态矩阵，f为非基准光电探头的焦距，v_i＝(v_i1,v_i2,v_i3)为非基准光学探头对应的视场内的第i颗恒星在惯性系的矢量，a₁₁至a₃₃为矩阵元素。

进一步地，所述解算星敏感器的姿态四元数的方法为：

根据公式W＝T·V、和Q_out＝[q_out0，q_out1，q_out2，q_out3]进行计算，其中，W为星敏感器本体坐标系下的恒星星矢量集，W＝(w₁,w₂,…w_i…w_N)，w_i为第i颗恒星在星敏感器本体坐标系下的矢量，V为惯性系下的恒星星矢量集，V＝(v₁,v₂,…v_i…v_N)，v_i为第i颗恒星在惯性系下的矢量，v_i＝(v_i1,v_i2,v_i3)，N为恒星总数，Q_out为星敏感器的姿态四元数。

进一步地，所述将步骤(3)得到的姿态四元数转换为姿态信息的方法为：

根据公式计算所述姿态信息，其中，所述姿态信息为所述星敏感器的俯仰角、滚动角、偏航角，ψ、γ分别为所述星敏感器的俯仰角、滚动角、偏航角。

本发明的有益效果：

本发明提供的星载多探头高精度星敏感器测试方法，根据基准光电探头的轨道四元数计算非基准光电探头的轨道四元数，从而保证每一个探头与其他探头之间是有关联的，然后根据关联后的探头的轨道四元数计算星敏感器的姿态信息，从而可以保证得到的姿态信息的精度更高，更加客观的反映真实场景，最后根据所述姿态信息对所述星敏感器的工作状态进行分析，相比单独根据每一个探头获取星敏感器的姿态信息，由于得到的姿态信息的精度和真实性更高，从而进一步提高了测试分析精度。

附图说明

图1为本发明提供的星载多探头高精度星敏感器测试系统示意图；

图2为本发明提供的光电探头1的姿态测试曲线；

图3为本发明提供的光电探头2的姿态测试曲线；

图4为本发明提供的融合姿态的姿态测试曲线。

具体实施方式

下面详细阐述本发明的详细过程，其中，星载多探头高精度星敏感器测试系统可以如图1所示，具体步骤如下：

(1)轨道参数发送计算机读入轨道四元数文件Q_b，默认该轨道为基准光电探头轨道，设置光电探头间的安装角度θ°，轨道参数发送软件内部计算非基准光电探头的轨道四元数，假设非基准光电探头位置为基准光电探头绕Y轴旋转θ°所得，则非基准光电探头的轨道为Q_n1＝[q₀,q₁,q₂,q₃]＝quatmultiply(Q_b,Q_trans(θ))。

其中，Q_trans(θ)为转移四元数，Q_trans(θ)＝[q_trans0,q_trans1,q_trans2,q_trans3]，θ为非基准光电探头与基准光电探头的夹角，Q_b为基准光电探头的轨道四元数，Q_n1为非基准光电探头的轨道四元数，q₀,q₁,q₂,q₃为轨道四元数的标量，quatmultiply表示四元数相乘。

(2)轨道参数发送计算机通过UDP端口将非基准光电探头的轨道四元数同时发送至电星模拟器和多探头光星模拟器。

(3)首先设置所测光电探头的光学参数，根据输入的轨道参数搜索出当前视场内恒星，并根据光学参数反算出恒星的二维平面坐标(X_i,Y_i)。其中i表示视场中的第i颗恒星。

假设非基准光电探头的焦距为f，像元尺寸为dp，主点坐标(x₀,y₀)，视场内的恒星在惯性系的矢量为v_i＝(v_i1,v_i2,v_i3)，i为视场中的第i颗恒星，若某个光电探头的轨道四元数为Q_s＝[q_s0,q_s1,q_s2,q_s3]，其中S表示当前光电探头头部的标号，对于本发明的非基准探头，则姿态矩阵T为恒星的二维平面坐标为

其中，上式所得x，y坐标量纲为mm，经坐标平移，即x_i′＝x_i+x₀，y_i′＝y_i+y₀，最后依据下式转换为以pix.为量纲的坐标(X_i,Y_i)，即为恒星在焦平面的二维平面坐标为

(4)根据公式W＝T·V、和Q_out＝[q_out0,q_out1,q_out2,q_out3]解算非基准光学探头对应的姿态四元数。

其中，W为本体坐标系下的星矢量集，W＝(w₁,w₂,…w_i…w_N)，w_i为在星敏感器本体坐标系下的矢量，V为惯性系下的星矢量集，V＝(v₁,v₂,…v_i…v_N)，v_i为恒星在惯性系下的矢量，v_i＝(v_i1,v_i2,v_i3)，N表示共有N颗恒星，Q_out为姿态四元数。

(5)根据公式计算所述姿态信息并根据所述姿态信息对所述星敏感器的工作状态进行分析。

其中，ψ、γ分别为所述非基准光电探头对应的星敏感器的俯仰角、滚动角、偏航角。

进一步地，还可验证测试星敏感器的天文校正功能，若选择测试该功能，则需要对恒星的坐标进一步修正。

具体地，根据当前系统的儒略日信息，计算出当前年与2000年的差值。系统给出的儒略日以2000年1月1日0时为起点的数值，因此Δy的计算公式如下所示，其中，Δy为向下取整：

Δy＝floor(儒略日/(3600*24*365.25))

然后将星库中所有恒星天球坐标信息进行自行修正。假设恒星在星库中的天球坐标为v₀＝[x y z]^T，自行的年修正量为v₁，其中，

v＝v₀+v₁·Δy。最后，得到校正后的星矢量后，将星矢量转换为二维平面内的二维坐标(X_i,Y_i)。

需要说明的是，若测试模式为光星模测试模式，三台光星模拟器同时接收到三个光电探头的轨道四元数，光星模拟器根据轨道四元数计算光学探头所指向的天区，同时依据内部嵌入的星库反演出恒星的在当前天区分布情况，并生成模拟星图，星模拟器的液晶光阀投影，星敏感器通过探测投影星图模拟外场情况。

具体地，光星模拟器通过适配环安装于光电探头上时，需要将光星模拟器的坐标系与光电探头的测量坐标系重合，即光星模拟器的X轴，Y轴与探头测量坐标系的X轴，Y轴重合，光星模的Z轴与探头的Z轴相对。星敏感器的光电探头分别通过图像处理提取出恒星的二维平面坐标，经过全天识别、星跟踪、数据融合、姿态解算，得到非基准光学探头对应的星敏感器的姿态四元数，最后将姿态四元数转为姿态角得到星敏感器的姿态信息。

实施例

如图1所示，测试系统由电星模拟器、光星模拟器、多显卡测试计算机、时频信号发生器、控制盒、1553B耦合器、直流稳压电源组成。

其中，电星模拟器用于提供电激励数据，可测试星敏感器的功能，如全天识别、星跟踪、姿态融合、天文校正等。光星模拟器根据输入的动力学参数，生成模拟星图，通过液晶光阀显示出来，可一定程度模拟外场情况，能够考察星敏感器的光学、电子学、以及软件功能。多显卡测试计算机作为上位机，可模拟星载计算机，用于发送测量控制命令，并接收显示遥测信息。时频信号发生器，可产生高精度的时间参考信号，用于光电探头曝光同步和起始信号，并同时作为电星模拟器数据发送时间参考信号，模拟星上时间同步性。控制盒用于控制星敏感器电子线路盒A/B机开关，星载多探头高精度星敏感器为分体式设计，由电子线路盒、光电探头、高速通讯电缆构成，其中电子线路盒为A/B双机互为冷备份设计。1553B耦合器用于1553B信号的耦合匹配，连接于星敏感器与上位机之间。直流稳压电源用于提供28V的直流电源。

星载多探头高精度星敏感器主要技术指标如下：

视场：14.5°×14.5°

探测器面阵：2048×2048

探测星等：6.5Mv

数据更新率：4Hz6.5Mv

接口：RS422/1553B

下面对具体过程进行详细阐述：

首先进行电星模测试，以快速测试星敏感器的功能。设置光电探头的光学参数，视场为14.5°×14.5°，焦距f＝44.148cm，分辨率为2048×2048，像元尺寸为5.5μm。根据输入的基准光电探头的轨道四元数、光电探头的光学参数以及小孔成像原理，计算恒星在焦平面的二维平面坐标。例如三个光电探头的轨道四元数如下表1所示：

轨道四元数	光电探头1	光电探头2	光电探头3
				Q0	0.73485899006	0.96290397689	0.30118501200
Q1	-0.19690500209	0.02045580559	-0.57990658310
				Q2	0.16797499366	-0.25800958288	0.75693970954
Q3	-0.62689298421	0.07634370778	0.00616065972

经过反算，三个天区分别有28颗星，20颗星，12颗星。给出3个光电探头前15颗恒星的二维平面坐标，如下表2所示：

在电星模测试模式下，还可测试天文校正功能，打开自行校正开关，对星点二维平面坐标进行校正，如下表3所示：

从表2和表3可以看出，自行校正后的星点坐标与校正前有零点几个像素差。这是由于星敏使用的星表为2000年星表，而恒星本身存在自行，每年的位置都会有极其微小的变化，然而对于高精度星敏敏感器而言，这种变化也应是考虑因素，自行校正有助于提升星敏感器的姿态精度。

进一步地，为了模拟真实外场情况，再进行光星模测试。以2个光电探头为例，输入轨道四元数驱动观星模拟器，通过1553B发送测控命令，分别给基准光电探头1和非基准光电探头2上电。随后发送正常工作流程指令，即全天识别成功后自主进入跟踪流程，星敏感器经过星图预处理，质心提取，全天识别，星跟踪，数据融合及姿态解算后，输出遥测信息。图2-图4分别给出了两个光电探头对应的星敏感器及融合姿态的曲线。下表为姿态精度的统计数据：

从表和附图2-4可以直观测试看出，融合姿态相比单个探头姿态精度有明显提升。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种星载多探头高精度星敏感器测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)从星敏感器的多个光电探头中选择任意一个光电探头作为基准光电探头，并将除所述基准光电探头外的任意一个光电探头作为非基准光电探头；

(2)获取基准光电探头的轨道四元数，并根据所述基准光电探头的轨道四元数以及非基准光电探头与所述基准光电探头之间的安装角度，获取所述非基准光电探头的轨道四元数；

(3)根据步骤(2)得到的所述非基准光电探头的轨道四元数获取所述非基准光学探头指向的天区恒星的二维平面坐标；

(4)根据步骤(3)得到的所述二维平面坐标解算所述星敏感器的姿态四元数；

(5)根据步骤(4)得到的姿态四元数获取所述星敏感器的姿态信息并根据所述姿态信息对所述星敏感器的工作状态进行分析。

2.根据权利要求1所述的一种星载多探头高精度星敏感器测试方法，其特征在于，所述获取所述非基准光电探头的轨道四元数的方法为：

根据公式Q_n1＝[q₀,q₁,q₂,q₃]＝quatmultiply(Q_b,Q_trans(θ))进行计算，其中，Q_n1为非基准光电探头的轨道四元数，q₀,q₁,q₂,q₃为轨道四元数的标量，Q_trans(θ)为转移四元数，Q_trans(θ)＝[q_trans0,q_trans1,q_trans2,q_trans3]，θ为非基准光电探头与基准光电探头之间的安装角度，Q_b为基准光电探头的轨道四元数，quatmultiply为轨道四元数相乘。

3.根据权利要求2所述的一种星载多探头高精度星敏感器测试方法，其特征在于，所述获取所述非基准光学探头指向的天区恒星的二维平面坐标的方法为：

根据公式 进行计算，其中，x_i、y_i为天区恒星的二维平面坐标，i为非基准光学探头对应的视场中的第i颗恒星，T为姿态矩阵，f为非基准光电探头的焦距，v_i＝(v_i1,v_i2,v_i3)为非基准光学探头对应的视场内的第i颗恒星在惯性系的矢量，a₁₁至a₃₃为矩阵元素。

4.根据权利要求3所述的一种星载多探头高精度星敏感器测试方法，其特征在于，所述解算星敏感器的姿态四元数的方法为：

根据公式W＝T·V、和Q_out＝[q_out0,q_out1,q_out2,q_out3]进行计算，其中，W为星敏感器本体坐标系下的恒星星矢量集，W＝(w₁,w₂,…w_i…w_N)，w_i为第i颗恒星在星敏感器本体坐标系下的矢量，V为惯性系下的恒星星矢量集，V＝(v₁,v₂,…v_i…v_N)，v_i为第i颗恒星在惯性系下的矢量，v_i＝(v_i1,v_i2,v_i3)，N为恒星总数，Q_out为星敏感器的姿态四元数。

5.根据权利要求4所述的一种星载多探头高精度星敏感器测试方法，其特征在于，所述将步骤(3)得到的姿态四元数转换为姿态信息的方法为：

根据公式计算所述姿态信息，其中，所述姿态信息为所述星敏感器的俯仰角、滚动角、偏航角，ψ、γ分别为所述星敏感器的俯仰角、滚动角、偏航角。