CN107490391B - 基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法，其包括以下步骤：实时测量探测基准的相对变化，减少星上探测基准与卫星姿态基准的热变形传递路径；在扫描镜背部安装高带宽陀螺；在相机光机主体靠近探测器位置的基座上安装光纤陀螺，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；根据卫星姿态和扫描镜转角参数得到初始的基准向量，再由高带宽陀螺测量数据、卫星姿态数据计算天基探测基准的变化量，并利用恒星标定物对探测基准进行标定；本发明可以有效提高天基探测基准在轨标定精度，满足指标要求，准确率可以保证在5％以上。

Description

基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法
技术领域
本发明涉及一种卫星空间遥感领域，特别是涉及一种基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法。
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
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法，其减小热变形对天基探测基准的影响，有效提高天基探测基准在轨标定精度，满足指标要求，准确率可以保证在5％以上。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法，所述基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法包括以下步骤：
实时测量探测基准的相对变化，减少星上探测基准与卫星姿态基准的热变形传递路径；
在扫描镜背部安装高带宽陀螺，用于测量惯性坐标系下的扫描镜法线向量；
在相机光机主体靠近探测器位置的基座上安装光纤陀螺，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；
根据卫星姿态和扫描镜转角参数得到初始的基准向量，再由高带宽陀螺测量数据、卫星姿态数据计算天基探测基准的变化量，并利用恒星标定物对探测基准进行标定，在标定周期内根据高带宽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位置向量，确定目标在惯性空间的指向；
直接测量恒星在惯性系的向量，通过坐标系转换在地固系中表示地标向量；利用建立的恒星观测模型仿真计算天基探测基准标定精度，通过对比指标理论分析数据。
优选地，所述基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法由星上相机、高带宽陀螺、光纤陀螺等组成，高带宽陀螺测量惯性坐标系下的扫描镜法线向量，同时光纤陀螺测量惯性坐标系下的探测器基准向量。
优选地，所述高带宽陀螺的输出频率与探测器的曝光频率一致。
本发明的积极进步效果在于：本发明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，证明了本发明可以有效提高天基探测基准在轨标定精度，满足指标要求，准确率可以保证在5％以上。
附图说明
图1为基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法的原理图。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1和图2所示，本发明一种基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法包括以下步骤：
步骤一、实时测量探测基准的相对变化，减少星上探测基准与卫星姿态基准的热变形传递路径。
步骤二、在扫描镜3背部安装高带宽陀螺1，用于测量惯性坐标系下的扫描镜法线向量。
步骤三、在相机光机主体4靠近探测器位置的基座上安装光纤陀螺2，并在相机光机主体4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。
步骤四、根据卫星姿态和扫描镜转角等参数得到初始的基准向量，再由高带宽陀螺1测量数据、卫星姿态数据计算天基探测基准的变化量，并利用恒星等标定物对探测基准进行标定，在标定周期内根据高带宽陀螺1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位置向量，确定目标在惯性空间的指向。
步骤五、可直接测量恒星等在惯性系的向量，也能够通过坐标系转换在地固系中表示地标等向量；利用建立的恒星观测模型仿真计算天基探测基准标定精度，通过对比指标理论分析数据。
本发明由星上相机(含扫描机构)、高带宽陀螺、光纤陀螺等组成，高带宽陀螺测量惯性坐标系下的扫描镜法线向量，同时光纤陀螺测量惯性坐标系下的探测器基准向量。
由于高带宽陀螺存在测量误差随时间变大的特性，因此需对高带宽陀螺的测量误差进行校正。在轨可采用相机观星方式对高带宽陀螺误差进行标定，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高带宽陀螺的误差。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，如图2所示，根据上述标定方法对高带宽陀螺误差进行周期性标定。
设首次观测恒星的时刻为高带宽陀螺的测量初始时刻，在标定周期内根据高带宽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，能够确定成像目标在实际惯性空间的指向。
设探测器坐标系的光线向量为
Figure BDA0001314749330000041
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，如下式(1)所示：
Figure BDA0001314749330000042
设扫描镜法线在扫描镜坐标系的向量为
Figure BDA0001314749330000043
基于恒星观测标定测量基准后的高带宽陀螺实时测量的姿态矩阵为GA2，高带宽陀螺的安装矩阵为AG2，则可得扫描镜法线在惯性系的向量，如下式(2)所示：
Figure BDA0001314749330000044
则根据反射物象共轭原理可以得到反射光线即相机视线在惯性系的向量，如下式(3)所示：
Figure BDA0001314749330000045
其中，R为平面镜的反射作用矩阵，可表示如下式(4)所示：
Figure BDA0001314749330000046
其中，Nx，Ny，Nz为平面镜法线向量在惯性系的分量。
该反射作用矩阵的测量基准需要通过恒星观测标定进行确定，标定方法如下：
设T0时刻观测的恒星在惯性系的向量为
Figure BDA0001314749330000047
T0时刻在探测器成像的恒星在探测器坐标系的位置为
Figure BDA0001314749330000048
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，如下式(5)所示：
Figure BDA0001314749330000049
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，如下式(6)所示：
Figure BDA00013147493300000410
其中，Ro为平面镜的反射作用矩阵，可表示为，如下式(7)所示：
Figure BDA0001314749330000051
其中，Nox，Noy，Noz为平面镜法线向量在惯性系的分量。
通过以上关系中已知的变量
Figure BDA0001314749330000052
和
Figure BDA0001314749330000053
能够反解Ro，共包含三个待解参数。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。第二次观星时刻的反射作用矩阵，如下式(8)所示：
Figure BDA0001314749330000054
其中，Δx，Δy，Δz为两次观星时间间隔内陀螺测量的平面镜法线向量角度增量在惯性系的分量。
为了精确获取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高带宽陀螺的输出频率与探测器的曝光频率一致。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镜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，由于高带宽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，高带宽陀螺安装面的温度控制变化要求为±0.5K。由于星上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高带宽陀螺的测量数据精度和有效性。因此，高带宽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卫星探测标定模型，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，如下表1所示，表中数据显示该方法计算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
Figure BDA0001314749330000061
本发明通过综合应用安装于星上相机扫描镜的高带宽陀螺数据、星上星敏感器和光纤陀螺数据，实现天基探测基准的高精度标定。由于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，因此在扫描镜背部安装高带宽陀螺，用于测量惯性坐标系下的扫描镜法线向量。由于扫描镜法线惯性指向变化包含卫星姿态角变化，无法独立确定扫描镜角度变化，因此同时在相机光机主体靠近探测器位置的基座上安装光纤陀螺，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。证明了本发明可以有效提高天基探测基准在轨标定精度，满足指标要求，准确率可以保证在5％以上。本发明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。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法，其特征在于，所述基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法包括以下步骤：
实时测量探测基准的相对变化，减少星上探测基准与卫星姿态基准的热变形传递路径；
在扫描镜背部安装高带宽陀螺，用于测量惯性坐标系下的扫描镜法线向量；
在相机光机主体靠近探测器位置的基座上安装光纤陀螺，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；
根据卫星姿态和扫描镜转角参数得到初始的基准向量，再由高带宽陀螺测量数据、卫星姿态数据计算天基探测基准的变化量，并利用恒星标定物对探测基准进行标定，在标定周期内根据高带宽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位置向量，确定目标在惯性空间的指向；
直接测量恒星在惯性系的向量，通过坐标系转换在地固系中表示地标向量；利用建立的恒星观测模型仿真计算天基探测基准标定精度，通过对比指标理论分析数据。
2.根据权利要求1所述的基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法，其特征在于，所述高带宽陀螺测量惯性坐标系下的扫描镜法线向量，同时光纤陀螺测量惯性坐标系下的探测器基准向量。
3.根据权利要求1所述的基于高带宽陀螺测量的天基探测基准标定方法，其特征在于，所述高带宽陀螺的输出频率与探测器的曝光频率一致。
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