CN107588786B - 一种用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，包括以下步骤：S1、设定基四元数姿态机动角速率ω，生成的驱动数据拍数N和数据更新率freq；S2、根据姿态机动角速率ω和数据更新率freq计算步长step；S3、设定初始指向天区(ra,de)，判断星敏感器的曝光模式，根据初始指向天区(ra,de)和步长step生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的转动四元数；S4、根据基四元数和星敏感器头部的转动四元数生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数；S5、判断每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数是否生成完成，如果未生成完成，则返回步骤S3，否则根据星敏感器头部的基动力学四元数和星敏感器头部之间的旋转四元数生成星敏感器头部的动力学四元数。

Description

一种用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法

技术领域

本发明涉及一种用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法。

背景技术

星敏感器是高精度空间飞行器的关键部件，主要用于测量恒星矢量在星敏感器坐标系中的分量，通过星图识别，并利用已知恒星的精确位置来确定空间飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态。星敏感器由光学成像系统，遮光罩，电子学部件和应用软件四部分组成。具有质量小，精度高，自主性好等优点，但是涉及算法复杂，研制周期较长，试验项目多，价格昂贵。

为了进一步提高星敏感器的精度，一些新的算法不断提出，在新算法的研究过程中，充分的仿真验证是必不可少的。而且近年来国内外出现了以法国HYDRA星敏感器为代表的多头星敏感器。国内对于多头星敏感器的研究处于起步阶段，其工作模式设计、多视场数据融合算法、姿态机动角速率与安装构型等对融合姿态精度的影响等算法还有待进一步研究。每一项新算法应用到产品当中，都需要地面试验验证算法的可行性。外场观星试验耗时长，费用昂贵，所以需要设计一款多用途的恒星模拟器，其既可用于单头星敏感器，也可用于多头星敏感器做地面仿真试验。该多用途恒星模拟器需要动力学四元数驱动，以模拟星敏感器的在轨运行状态。

发明内容

本发明的技术解决问题是：

克服现有技术的缺陷，提出一种简单实用的方法，生成星敏感器数据更新率、光轴初始指向天区、姿态角速率可控，曝光模式、安装构型可设定的多星模拟器驱动动力学四元数。

本发明的技术解决方案是：

提出一种用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，包括以下步骤：

S1、设定基四元数姿态机动角速率ω，生成的驱动数据拍数N和数据更新率freq；

S2、根据姿态机动角速率ω和数据更新率freq计算步长step；

S3、设定初始指向天区(ra,de)，判断星敏感器的曝光模式，根据初始指向天区(ra,de)和步长step生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的转动四元数；

S4、根据基四元数和星敏感器头部的转动四元数生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数；

S5、判断每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数是否生成完成，如果未生成完成，则返回步骤S3，否则根据星敏感器头部的基动力学四元数和星敏感器头部之间的旋转四元数生成星敏感器头部的动力学四元数。

根据本发明的一个实施例，基四元数

根据本发明的一个实施例，姿态机动角速率其中，constant为预设的定角速率，f(k)为角速率函数，k为数据拍，k＝1,2,…,N。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中，步长step通过公式来计算。

根据本发明的一个实施例，在天区(ra,de)中，ra的范围为0-360°，de的范围为-90°-90°。

根据本发明的一个实施例，星敏感器为三头部星敏感器，在步骤S3中，通过等式计算基准头部OH-1的转动四元数Rot_q1，通过等式计算头部OH-2的转动四元数Rot_q2，通过等式计算头部OH-3的转动四元数Rot_q3，其中，t₁是基准头部OH-1的曝光时刻，t₂是头部OH-2的曝光时刻，t₃是头部OH-3的曝光时刻。

根据本发明的一个实施例，当t₁＝t₂＝t₃时，三头部星敏感器的曝光模式为同步曝光，否则，三头部敏感器的曝光模式为异步曝光。

根据本发明的一个实施例，在步骤S4中，根据等式计算基准头部OH-1的基动力学四元数q_base1，根据等式计算头部OH-2的基动力学四元数q_base2，根据等式计算头部OH-3的基动力学四元数q_base3。

根据本发明的一个实施例，在步骤S5中，根据等式q_OH1＝q_base1计算基准头部OH-1的动力学四元数q_OH1，根据等式计算头部OH-2的动力学四元数q_OH2，根据等式计算头部OH-3的动力学四元数q_OH3，其中，q₂₁是头部OH-2的测量坐标系相对于OH-1的测量坐标系的旋转四元数，q₃₁是头部OH-3的测量坐标系相对于OH-1的测量坐标系的旋转四元数。

一种存储了指令的计算机可读存储介质，当所述指令被至少一个计算机执行时，使得所述计算机执行以下步骤：

S1、设定基四元数姿态机动角速率ω，生成的驱动数据拍数N和数据更新率freq；

S2、根据姿态机动角速率ω和数据更新率freq计算步长step；

S3、设定初始指向天区(ra,de)，判断星敏感器的曝光模式，根据初始指向天区(ra,de)和步长step生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的转动四元数；

S4、根据基四元数和星敏感器头部的转动四元数生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数；

S5、判断每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数是否生成完成，如果未生成完成，则返回步骤S3，否则根据星敏感器头部的基动力学四元数和星敏感器头部之间的旋转四元数生成星敏感器头部的动力学四元数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)增加了数据更新率和角速率的设置环节，可以更加真实的仿真星敏感器的在轨运行状态；

(2)相对于传统的引入角速率逐帧推算四元数的方式，计算量小，实现简单；

(3)通过设定曝光模式，可生成星敏感器不同工作模式下的动力学四元数；

(4)既可生成任意安装构型的星敏感器仿真动力学四元数，也可根据星敏感器的实际安装构型，生成对应安装构型的仿真动力学四元数，模拟星敏感器的在轨运行状态；

(5)该方法生成的动力学四元数不仅可用于多用途恒星模拟器驱动，也可用于相关的多星敏感器计算机仿真系统设计。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法的流程图。

图2a、2b和2c是根据本发明的实施例的敏感器头部之间的安装关系示意图。

图3是根据本发明的实施例的角速率变化曲线。

图4a、4b是根据本发明的实施例的在全天球范围内测得空间飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的实施例。

如图1所示，用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法包括以下步骤：

S1、设定基四元数姿态机动角速率ω，生成的驱动数据拍数N和数据更新率freq。

在本发明的实施例中，基四元数姿态机动角速率根据以下等式(1)来确定：

其中，constant为预设的定角速率，f(k)为角速率函数，k为数据拍，k＝1,2,…,N。

S2、根据姿态机动角速率ω和数据更新率freq计算步长step。

在本发明的实施例中，步长step根据以下等式(2)来确定：

S3、设定初始指向天区(ra,de)，判断星敏感器的曝光模式，根据初始指向天区(ra,de)和步长step生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的转动四元数。

在本发明的实施例中，在天区(ra,de)中，ra的范围为0-360°，de的范围为-90°-90°。星敏感器可配置1～3个头部，在示例中，星敏感器为三头部星敏感器，基准头部OH-1的转动四元数Rot_q1可通过以下等式(3)来计算：

其中，t₁是基准头部OH-1的曝光时刻。

头部OH-2的转动四元数Rot_q2可通过以下等式(4)来计算：

其中，t₂是头部OH-2的曝光时刻。

头部OH-3的转动四元数Rot_q3可通过以下等式(5)来计算：

其中，t₃是头部OH-3的曝光时刻。

当t₁＝t₂＝t₃时，三头部星敏感器的曝光模式为同步曝光，否则，三头部敏感器的曝光模式为异步曝光。

S4、根据基四元数和星敏感器头部的转动四元数生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数。

在本发明的实施例中，基准头部OH-1的基动力学四元数q_base1通过以下等式(6)来计算：

头部OH-2的基动力学四元数q_base2通过以下等式(7)来计算：

头部OH-3的基动力学四元数q_base3通过以下等式(8)来计算：

S5、判断每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数是否生成完成，如果未生成完成，则返回步骤S3，否则根据星敏感器头部的基动力学四元数和星敏感器头部之间的旋转四元数生成星敏感器头部的动力学四元数。

在本发明的实施例中，通过步骤S3和S4分别生成每个数据拍k的基动力学四元数，在一个数据拍的基动力学四元数生成完成后，k的值增加1，k＝N时，每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数生成完成。

在基动力学四元数生成完成后，根据星敏感器头部的基动力学四元数和星敏感器头部之间的旋转四元数生成星敏感器头部的动力学四元数。星敏感器头部(Optical Head，OH)之间安装关系是影响多星敏感器姿态融合精度的关键因素，因此建立星敏感器的不同安装构型模型是多头部敏感器数据融合的关键。敏感器头部之间的安装关系如图2a-图2c所示，图2a示出了三个敏感器头部垂直安装的示意图；图2b示出了三个敏感器头部非垂直等夹角安装的示意图；图2c示出了三个敏感器头部非垂直不等夹角安装的示意图。头部OH-2的测量坐标系相对于OH-1的测量坐标系的旋转四元数q₂₁以及头部OH-3的测量坐标系相对于OH-1的测量坐标系的旋转四元数q₃₁可根据三个敏感器头部之间的安装关系来确定。

通过以下等式(9)来计算基准头部OH-1的动力学四元数q_OH1：

q_OH1＝q_base1 (9)

通过以下等式(10)来计算头部OH-2的动力学四元数q_OH2：

通过以下等式(11)来计算头部OH-3的动力学四元数q_OH3：

实施例

图3为角速率变化曲线，采用本发明的技术方案，生成三个敏感器头部的动力学四元数，并应用于敏感器中，在基础角速率2°/s的基础上，添加余弦、正弦、随机均匀分布的角速率变化函数，变化量幅值均为0.3°/s，因此角速率是可控的。

图4a为三个敏感器头部非垂直安装的时，在全天球范围内，测得空间飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态。图4b为三个敏感器头部垂直安装的时，在全天球范围内，测得空间飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态。

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 (10)

1.一种用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设定基四元数姿态机动角速率ω，生成的驱动数据拍数N和数据更新率freq；

S2、根据姿态机动角速率ω和数据更新率freq计算步长step；

S3、设定初始指向天区(ra,de)，判断星敏感器的曝光模式，根据初始指向天区(ra,de)和步长step生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的转动四元数；

S4、根据基四元数和星敏感器头部的转动四元数生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数；

S5、判断每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数是否生成完成，如果未生成完成，则返回步骤S3，否则根据星敏感器头部的基动力学四元数和星敏感器头部之间的旋转四元数生成星敏感器头部的动力学四元数。

2.根据权利要求1所述的用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，其特征在于，基四元数

3.根据权利要求1所述的用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，其特征在于，姿态机动角速率其中，constant为预设的定角速率，f(k)为角速率函数，k为数据拍，k＝1,2,…,N。

4.根据权利要求1所述的用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，其特征在于，在步骤S2中，步长step通过公式来计算。

5.根据权利要求1所述的用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，其特征在于，在天区(ra,de)中，ra的范围为0-360°，de的范围为-90°-90°。

6.根据权利要求1所述的用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，其特征在于，星敏感器为三头部星敏感器，在步骤S3中，通过等式计算基准头部OH-1的转动四元数Rot_q1，通过等式

计算头部OH-2的转动四元数Rot_q2，通过等式

计算头部OH-3的转动四元数Rot_q3，其中，t₁是基准头部OH-1的曝光时间，t₂是头部OH-2的曝光时间，t₃是头部OH-3的曝光时间。

7.根据权利要求6所述的用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，其特征在于，当t₁＝t₂＝t₃时，三头部星敏感器的曝光模式为同步曝光，否则，三头部敏感器的曝光模式为异步曝光。

8.根据权利要求6所述的用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，其特征在于，在步骤S4中，根据等式计算基准头部OH-1的基动力学四元数q_base1，根据等式计算头部OH-2的基动力学四元数q_base2，根据等式计算头部OH-3的基动力学四元数q_base3。

9.根据权利要求8所述的用于星敏感器仿真测试的多用途恒星模拟器驱动方法，其特征在于，在步骤S5中，根据等式q_OH1＝q_base1计算基准头部OH-1的动力学四元数q_OH1，根据等式计算头部OH-2的动力学四元数q_OH2，根据等式计算头部OH-3的动力学四元数q_OH3，其中，q₂₁是头部OH-2的测量坐标系相对于OH-1的测量坐标系的旋转四元数，q₃₁是头部OH-3的测量坐标系相对于OH-1的测量坐标系的旋转四元数。

10.一种存储了指令的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述指令被至少一个计算机执行时，使得所述计算机执行以下步骤：

S1、设定基四元数姿态机动角速率ω，生成的驱动数据拍数N和数据更新率freq；

S2、根据姿态机动角速率ω和数据更新率freq计算步长step；

S3、设定初始指向天区(ra,de)，判断星敏感器的曝光模式，根据初始指向天区(ra,de)和步长step生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的转动四元数；

S4、根据基四元数和星敏感器头部的转动四元数生成每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数；

S5、判断每个驱动数据拍的星敏感器头部的基动力学四元数是否生成完成，如果未生成完成，则返回步骤S3，否则根据星敏感器头部的基动力学四元数和星敏感器头部之间的旋转四元数生成星敏感器头部的动力学四元数。