CN107588768A - 基于星图的帧间角速度计算方法 - Google Patents
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Abstract
基于星图的帧间角速度计算方法，涉及天文导航技术领域，解决现有星敏感器姿态角速度数据过于依赖于姿态角数据的问题，该方法通过匹配连续时刻星图中星点的对应关系，构建两帧星图间的姿态转换矩阵，求解姿态转换矩阵，即得到两帧星图间的姿态角变化。本发明无需星图识别和绝对姿态计算，克服了姿态角差分法过于依赖姿态角数据有效性的问题，使星敏感器在姿态角输出不稳定时依然能够得到稳定的角速度测量数据，具有很强的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及天文导航技术领域，具体涉及一种基于星图的帧间角速度计算方法。
背景技术
第二代大视场星敏感器是以恒星为参照物，以矢量观测为定姿原理的姿态敏感器，通过实现“星光进，姿态出”解决了“太空迷失”问题，完成了自主导航定姿的要求。
而基于星敏感器的角速度测量通常采用姿态角差分求解姿态角速度，这要基于星图识别成功并且计算得到有效的姿态角数据，姿态角速度数据过于依赖于姿态角数据的有效性。
发明内容
本发明为了解决现有星敏感器姿态角速度数据过于依赖于姿态角数据的问题，提供了一种基于星图的帧间角速度计算方法。
基于星图的帧间角速度计算方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、连续拍摄t时刻和t+Δt时刻的星图，并对两帧星图中星点进行匹配，建立两帧星图中多个星矢量的匹配关系；
步骤二、对步骤一中所述的多个星矢量的匹配关系构造归一化的观测矢量；
步骤三、根据连续拍摄时刻t到t+Δt星敏感器的姿态角变化，构建两帧星图间的姿态转换矩阵并根据步骤一中获取的两帧星图中多个星矢量的匹配关系求解姿态转换矩阵获得两帧星图间的姿态角变化，即：获得两帧星图间的姿态角速度。
本发明的有益效果：本发明所述的方法无需星图识别得到观测矢量对应的星光矢量信息，只需建立连续时刻星图中星光矢量的对应关系即可得到两帧星图间的姿态角变化，方法简单，关系明确，易于实现，工作量小。
本发明所述方法克服了姿态角差分法过于依赖姿态角数据有效性的问题，使星敏感器在姿态角输出不稳定时依然能够得到稳定的角速度测量数据，具有很强的工程应用价值。
附图说明
图1中图1a和图1b分别为本发明所述的基于星图的帧间角速度计算方法中连续拍摄时刻t、t+Δt拍摄星图；
图2为本发明所述的基于星图的帧间角速度计算方法中星敏感器像平面坐标系和像空间坐标系的关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，基于星图的帧间角速度计算方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、如图1所示，为星敏感器连续拍摄时刻t、t+Δt拍摄星图，其中，星点A～星点E为t时刻星图中提取星点，星点Aˊ～星点Eˊ为t+Δt时刻星图中提取星点，对两帧星图中星点构成的图形进行匹配，建立匹配关系，即A～Aˊ、B～Bˊ、C～Cˊ、D～Dˊ、E～Eˊ。
步骤二、对两帧星图中已建立匹配关系的星点构造归一化观测矢量，方法结合图2，图中O-uv平面为星敏感器像平面坐标系，Os-xyz为星敏感器像空间坐标系，OOs为星敏感器焦距f，目标点Si为恒星Ri在星敏感器探测器上的投影，假设目标点Si在星敏感器像面坐标系中的坐标为(ui,vi)，目标点Si在星敏感器像空间坐标系的观测矢量归一化后，
即为式中，Vi T为时刻t目标点Si的观测矢量，(ui,vi)为目标点Si时刻t在星敏感器像面坐标系中的坐标；
步骤三、星敏感器由时刻t运动到时刻t+Δt，星图间偏航、俯仰、横滚方向姿态角变化分别为(α，β，κ)，则t时刻星图向t+Δt时刻星图的姿态转换矩阵为包含姿态角(α，β，κ)的姿态转换矩阵
此时，即
其中，Vi′T为t+Δt时刻目标点Si的观测矢量，(u′i,v′i)为目标点Si在t+Δt时刻星敏感器像面坐标系中的坐标。
星图间的姿态转换矩阵中含有三个未知数，只需两帧星图中匹配三对星点，就能够得到两帧星图间的姿态角变化(α，β，κ)，也即两帧星图间的姿态角速度。
本实施方式中，如果需要增加匹配星对数目，可通过最小二乘法提高姿态角速度的测量精度。
以上对本发明具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (3)
1.基于星图的帧间角速度计算方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、连续拍摄t时刻和t+Δt时刻星图，并对两帧星图中星点进行匹配，建立两帧星图中多个星矢量的匹配关系；
步骤二、对步骤一中所述的多个星矢量的匹配关系构造归一化的观测矢量；
步骤三、根据连续拍摄时刻t到t+Δt星敏感器的姿态角变化，构建两帧星图间的姿态转换矩阵并根据步骤一中获取的两帧星图中多个星矢量的匹配关系求解姿态转换矩阵获得两帧星图间的姿态角变化，即：获得两帧星图间的姿态角速度。
2.根据权利要求1所述的基于星图的帧间角速度计算方法，其特征在于，步骤二中，观测矢量用公式表示为：
<mrow>
<msubsup>
<mi>V</mi>
<mi>i</mi>
<mi>T</mi>
</msubsup>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msqrt>
<mrow>
<msubsup>
<mi>u</mi>
<mi>i</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>v</mi>
<mi>i</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mi>f</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
</mfrac>
<msup>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>u</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mtd>
<mtd>
<msub>
<mi>v</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>f</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mi>T</mi>
</msup>
<mo>;</mo>
</mrow>
式中，f为星敏感器焦距，(ui,vi)为星敏感器像面坐标系中的坐标，Vi T为时刻t目标点的观测矢量。
3.根据权利要求1所述的基于星图的帧间角速度计算方法，其特征在于，所述步骤三中求解姿态矩阵时需要大于等于三组星对。
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