CN108020242B - 脉冲星探测器指向误差在轨标定方法、处理器及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲星探测器指向误差在轨标定方法、处理器及存储介质，该方法包括：根据脉冲星探测器的光子流量反馈的探测器指向经过粗扫调节和/或细扫调节的标定流程，实现脉冲星探测器实际指向脉冲星；记录卫星平台在地心惯性坐标系下的实际指向，与脉冲星在地心惯性坐标系下的理论位置进行对比，解算出脉冲星探测器光轴与卫星平台之间的指向误差。其为下一次探测过程的自动补偿提供依据，且该标定方法在卫星平台上自主完成，无需地面干预，且与地面标定相比，其考虑了发射段力学和在轨热冲击的影响，标定精度高。

Description

脉冲星探测器指向误差在轨标定方法、处理器及存储介质

技术领域

本发明涉及航天器控制领域，特别地，涉及一种脉冲星探测器指向误差在轨标定方法、处理器及存储介质。

背景技术

脉冲星是一种快速自转的强磁化中子星，它能够使探测器接收到周期性脉冲信号。脉冲星X射线探测器测定脉冲星辐射的X射线单光子信号，并精确记录信号的到达时间信息，在有限时段内，根据探测得到的数据，通过历元折叠等算法，复现高精度相位(时间)分辨的脉冲星X射线轮廓，将测量轮廓与星表提供的脉冲星标准轮廓进行相位比对，然后结合整周期解模糊等算法，建立脉冲星辐射X射线轮廓到达航天器的时间(Time Of Arrival，TOA)，并通过多脉冲星定位或单脉冲星定轨，实现对航天器自主导航。由于脉冲星光子流量非常小，目前发现最强的Crab脉冲星的光子流量1cm^-2·s^-1量级，这对探测器的指向要求非常高。

脉冲星辐射的X射线光子能量主要集中在0.5keV～10keV范围内，对应的波长为0.124nm～2.48nm。由于其辐射波长相对于可见光波长短了2～3个量级，其光学特性差异非常大，不能采用可见光的折反原理进行X射线光子的聚焦。例如某聚焦型探测器探测Crab脉冲星时不同指向偏差下光子流量接收效率曲线如图1所示，可以看出，该探测器最大视场为±15arcmin(角分)，当探测器指向偏差大于6arcmin时，探测效率明显下降。

脉冲星导航卫星通过调整卫星平台姿态，使脉冲星X射线探测器指向目标脉冲星，并对脉冲星进行连续长时间观测。脉冲星基于姿态敏感器进行姿态测量，进而控制卫星姿态实现目标脉冲星凝视。高精度姿态敏感器通常为星敏感器，现有的脉冲星探测卫星的结构布局如图2所示：包括卫星平台1及设于其上的星敏感器2、探测器3，由于探测器3的长度相对较长，例如某型聚焦型X射线探测器的聚焦镜头31与光子探测器32之间的距离超过1.6m，考虑到探测器3在发射过程中的振动和在轨工作时热冲击导致的形变，探测器前端与卫星固定安装，探测器的后端与卫星柔性连接，因此探测器在入轨后会存在较大变形。虽然在地面测试时，可以将星敏感器2的光轴、卫星体坐标系的X轴、探测器光轴调整到相互平行。由于脉冲星距离地球非常远，理论上当星敏感器光轴指向脉冲星时探测器光轴自然指向脉冲星。但是由于发射过程中振动导致的结构变形和在轨运行时热冲击导致的热应力变形，会导致X射线探测器实际光轴与星体X轴和星敏感器光轴之间存在一定的指向误差。如果误差超过了X射线探测器的可接受范围，当星敏感器指向脉冲星时X射线探测器可能探测不到脉冲星的光子信号，因此需要对星敏感器和脉冲星X射线探测器光轴指向误差进行在轨标定。通过修正两者之间的偏差，使得当星体X轴指向新的位置时探测器可以实际指向脉冲星，提高脉冲星X射线探测器的探测效率。

现有技术中，关于航天器敏感器、执行器和有效载荷安装坐标系的标定问题，主要是在地面进行实验室标定，通过结构强度保证坐标系在发射过程中和热应力冲击下可以保持相对关系。但这种方式需要两者之间刚性连接，对于脉冲探测器这种一端刚性连接，一端柔性连接的载荷不适合。此外，有效载荷的在轨标定，需要地面陆标进行配合，实现有人参与的标定。现有的标定方式需要地面的大量人员和设备进行配合，需要的时间和成本较大。

发明内容

本发明提供了一种脉冲星探测器指向误差在轨标定方法、处理器及存储介质，以解决脉冲星探测器指向误差无法在轨标定导致的探测效率低的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种脉冲星探测器指向误差在轨标定方法，包括：

根据脉冲星探测器的光子流量反馈的探测器指向经过粗扫调节和/或细扫调节的标定流程，实现脉冲星探测器实际指向脉冲星；

记录卫星平台在地心惯性坐标系下的实际指向，与脉冲星在地心惯性坐标系下的理论位置进行对比，解算出脉冲星探测器光轴与卫星平台之间的指向误差。

进一步地，根据脉冲星探测器的光子流量反馈的探测器指向经过粗扫调节和/或细扫调节的标定流程之前，还包括：

判断光子流量是否大于等于细扫结束门限光子流量，若是则判定脉冲探测器实际指向脉冲星；

若否则进行探测器光轴与卫星平台指向误差的标定流程。

进一步地，进行探测器光轴与卫星平台指向误差的标定流程包括：

判断光子流量是否大于等于粗扫结束门限光子流量，若是则执行细扫调节阶段，若否则进入粗扫调节阶段。

进一步地，粗扫调节阶段包括：

设置粗扫模式对应的扫描参数，扫描参数包括：粗扫单步步长、粗扫单步时间、粗扫最大步数；

生成粗扫模式对应的扫描序列；

判断当前扫描检测的光子流量是否大于等于细扫结束门限光子流量，若是则判定脉冲探测器实际指向脉冲星；否则，判断光子流量是否大于等于粗扫结束门限光子流量，若是则执行细扫调节阶段，否则，判断粗扫的点数大于粗扫最大步数，若是则粗扫失败，扫描过程提前退出；否则，控制卫星平台指向扫描序列的下一个位置，重新开始扫描。

进一步地，细扫调节阶段包括：

设置细扫模式对应的扫描参数，扫描参数包括：细扫单步步长、细扫单步时间、细扫最大步数；

生成细扫模式对应的扫描序列；

判断当前扫描检测的光子流量是否大于等于细扫结束门限光子流量，若是则判定脉冲探测器实际指向脉冲星；否则，判断细扫的点数大于细扫最大步数，若是则细扫失败，扫描过程提前退出；否则，控制卫星平台指向扫描序列的下一个位置，重新开始扫描。

进一步地，扫描序列按照矩形螺旋序列顺时针或者逆时针进行，粗扫最大步数满足：

其中，R₃为粗扫区域半径，R₂为细扫区域半径，CSSL为粗扫单步步长，CSMS为粗扫最大步数。

进一步地，扫描序列按照矩形螺旋序列顺时针或逆时针进行，细扫最大步数满足：

其中，R₂为细扫区域半径，R₁为目标区域半径，FSSL为细扫单步步长，FSMS为细扫最大步数。

进一步地，粗扫模式对应的扫描参数和/或细扫模式对应的扫描参数为上注参数或者根据目标脉冲星的运行情况进行地面上注在轨修改生成。

根据本发明的另一方面，还提供一种处理器，处理器用于运行计算机程序，程序运行时执行本发明的指向误差在轨标定方法。

根据本发明的另一方面，还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，程序运行时控制存储介质所在设备执行本发明的指向误差在轨标定方法。

本发明具有以下有益效果：

本发明脉冲星探测器指向误差在轨标定方法、处理器及存储介质，通过根据脉冲星探测器检测的光子流量反馈的指向信息，并经过粗扫调节和/或细扫调节实现指向标定流程，根据记录的卫星平台在地心惯性坐标系下的实际指向与脉冲星在地心惯性坐标系下的理论位置进行对比，解算出脉冲星探测器光轴与卫星平台之间的指向误差，为下一次探测过程的自动补偿提供依据，且该标定方法在卫星平台上自主完成，无需地面干预，且与地面标定相比，其考虑了发射段力学和在轨热冲击的影响，标定精度高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是某脉冲星X射线探测器指向偏差与探测效率的关系示意图；

图2是现有的脉冲星探测卫星的结构布局示意图；

图3是本发明优选实施例脉冲星探测器指向误差在轨标定方法的步骤流程示意图；

图4是本发明优选实施例脉冲星探测器指向误差在轨标定方法中标定流程的示意图；

图5是本发明优选实施例脉冲星探测器指向误差在轨标定方法的另一步骤流程示意图；

图6是本发明优选实施例中细扫模式对应的扫描过程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的优选实施例提供了一种脉冲星探测器指向误差在轨标定方法，参照图3，本实施例指向误差在轨标定方法包括：

步骤S100，根据脉冲星探测器的光子流量反馈的探测器指向经过粗扫调节和/或细扫调节的标定流程，实现脉冲星探测器实际指向脉冲星；

步骤S200，记录卫星平台在地心惯性坐标系下的实际指向，与脉冲星在地心惯性坐标系下的理论位置进行对比，解算出脉冲星探测器光轴与卫星平台之间的指向误差。

本实施例通过根据脉冲星探测器检测的光子流量反馈的指向信息，并经过粗扫调节和/或细扫调节实现指向标定流程，根据记录的卫星平台在地心惯性坐标系下的实际指向与脉冲星在地心惯性坐标系下的理论位置进行对比，解算出脉冲星探测器光轴与卫星平台之间的指向误差，为下一次探测过程的自动补偿提供依据，且该标定方法在卫星平台上自主完成，无需地面干预，且与地面标定相比，其考虑了发射段力学和在轨热冲击的影响，标定精度高。

参见图4，本实施例中，脉冲星探测器光轴与卫星平台指向误差在轨自主标定方法的标定流程分为两个阶段：粗扫调节阶段和细扫调节阶段。两个阶段的判断依据为X射线探测器实际接收到的光子流量。脉冲星的位置和脉冲星探测器光轴的指向通过地心惯性坐标系下的赤经和赤纬表示。根据脉冲星探测器光轴指向与脉冲星位置的相对关系，标定流程如图4所示。

图5示出了本发明优选实施例脉冲星探测器指向误差在轨标定方法的具体流程示意图。为了准确描述标定过程，流程相关的变量定义请参见表1：

表1：流程相关变量

本实施例脉冲星探测器指向误差在轨标定方法具体包括以下步骤：

步骤1，指向误差标定开始。探测卫星根据地面指令或者程控指令开启在轨指向误差标定。

步骤2，姿态机动。当卫星根据地面指令或程控指令进入标定模式后，首先根据地面指令，将卫星姿态机动到X轴指向预设标定的脉冲星，首选地，可以选择Crab脉冲星。

步骤3，光子流量探测。通过对脉冲星进行一段时间的连续观测，记录光子流量，判断X射线探测器光轴指向与脉冲星位置的相对关系。

步骤4，当光子流量大于等于细扫结束门限光子流量(FOTH)时，则认为X射线探测器光轴指向满足要求，不再作误差标定，直接退出标定流程。优选地：对于Crab脉冲星，FOTH可以设置为540ph/s(光子数/秒)。

步骤5，如果光子流量小于FOTH，则开始进行探测器光轴与卫星平台指向误差的标定流程。如果光子流量大于等于粗扫结束门限光子流量(COTH)，则认为探测器光轴在脉冲星的细扫区域，则开始进行细扫过程。优选地，对于Crab脉冲星，COTH可以设置为10ph/s。细扫的具体流程如下：

步骤5.1首先设置细扫单步步长(FSSL)、细扫单步时间(FSST)、细扫最大步数(FSMS)，这三个参数与标定对象和探测器的探测效率相关。优选地，对于Crab脉冲星，FSSL默认值为3角分，FSST默认值为20秒，FSMS默认值为50步。

步骤5.2根据FSSL和FSMS生成细扫的扫描序列。扫描过程按照矩形螺旋序列顺时针或逆时针进行，扫描过程示意如图6所示，(α,β)为起始点。优选地，以Crab脉冲星为例，假设FSSL为3角分，细扫区域半径R₂为11角分，目标区域为半径R₁为3角分，理论上进行次扫描就可以进入目标区域，其中|X|表示对X取整。

步骤5.3姿控系统控制卫星X轴指向下一个目标位置，姿态稳定后开始进行连续FSST秒的光子探测。如果光子流量大于等于FOTH，则认为探测器光轴指向目标区域，记录卫星平台的指向位置，标定过程结束。否则，重复步骤5.3，姿控系统控制卫星X轴指向扫描序列的下一个位置，重新开始扫描，直到扫描点数大于FSMS，扫描失败。

步骤6，在步骤5中，如果光子流量少于COTH，则开始进行粗扫过程。粗扫的过程与细扫基本相同，具体流程如下：

步骤6.1首先设置粗扫的单步步长(CSSL)、粗扫单步时间(CSST)、粗扫最大步数(CSMS)，这三个参数与标定对象和探测器的探测效率相关。优选地，对于Crab脉冲星，CSSL默认值为11角分，CSST默认值为80秒，CSMS默认值为100步。

步骤6.2根据CSSL和CSMS生成粗扫的扫描序列。扫描序列的生成方式与细扫相同。

步骤6.3如果测量到的光子流量≥FOTH时，则认为探测器光轴指向目标区域，记录卫星平台X轴的指向位置，标定过程结束；如果光子流量≥COTH，则认为探测器光轴指向了细扫区域，则粗扫过程结束，进入细扫流程；如果粗扫的点数大于CSMS，则粗扫失败，扫描过程提前退出；否则，姿控系统控制卫星X轴指向扫描序列的下一个位置，重新开始扫描。

本实施例中，优选地，扫描序列按照矩形螺旋序列顺时针或者逆时针进行，细扫最大步数满足：

其中，R₂为细扫区域半径，R₁为目标区域半径，FSSL为细扫单步步长，FSMS为细扫最大步数。细扫最大步数FSMS由细扫区域半径R₂、目标区域为半径R₁和细扫单步步长FSSL决定，理论上当时，都可以扫描到目标区域。如果细扫失败，说明FOTH取值过大，不能正常进入目标区域，需要减小FOTH取值，重新进行细扫过程。

优选地，粗扫最大步数满足：

其中，R₃为粗扫区域半径，R₂为细扫区域半径，CSSL为粗扫单步步长，CSMS为粗扫最大步数。粗扫最大步数CSMS由粗扫区域半径R₃、细扫区域半径R₂和粗扫单步步长CSSL决定，理论上当时，都可以扫描到细扫区域。如果粗扫失败，则可能存在两种情况：第一种：探测器失效，不能有效探测到脉冲星X射线光子，则需要考虑启动故障预案；第二种情况：R₃取值偏小，而实际的偏差较大，当前扫描过程不能覆盖细扫区域。需要调整CSMS。

优选地，目标区域半径R₁和细扫区域半径R₂根据探测器的性能和脉冲星的光子流量确定，为了确保不会出现漏扫现象，要求R₁≥FSSL，R₂≥CSSL。粗扫区域半径R₃由探测器与卫星的安装关系确定，需要覆盖可能出现的最大指向误差。R₁和R₂是两个虚拟量，最终体现在FOTH和COTH，并且与探测器的探测效率和目标脉冲星的光子流量密度相关。优选地，对于某型X射线探测器探测Crab脉冲，当R₁＝3arcmin(角分)时对应FOTH为540ph/s(光子数/秒)，当R₂＝11arcmin(角分)时对应COTH为10ph/s(光子数/秒)。

优选地，本实施例方法中，假如在一次扫描过程中扫描序列没有完成并且没有进入更高一级的扫描区域而提前异常终止，则下一次扫描开始时不再生成扫描序列，而继续从前一个扫描过程的最后一个点开始扫描，这样可以确保扫描过程完备，不出现遗漏。

优选地，当探测器光轴指向目标区域后记录卫星平台X轴指向，假设X轴指向在地心惯性坐标系下的赤经赤纬位置为(α_x,β_x)，目标脉冲星的赤经赤纬位置为(α_m,β_m)，为了保证后期修正的一致性，假设滚动轴的误差为0，则对应的误差矩阵：

其中，R_x表示绕惯性系X轴的旋转矩阵，R_z表示绕惯性系Z轴的旋转矩阵。

本实施例中，误差矩阵就是脉冲星探测器光轴与卫星平台指向之间的误差矩阵。在后期的脉冲星观测时，需要将该误差矩阵修正到脉冲星观测的目标转换矩阵中，使得当卫星平台X轴指向修正后的位置后脉冲星探测器可以实际指向脉冲星的目标区域，实现高精度探测。

本实施例补偿的公式如下：

M＝R_I2OR_e

按照313转序，惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵为：

其中u＝ω+f，ω为卫星的近地点角距，f为真近点角，i为轨道倾角，Ω为升交点赤经。

设目标四元数为

同时上式还满足：

联立可解目标四元素q_t。

优选地，粗扫模式对应的扫描参数和/或细扫模式对应的扫描参数为上注参数或者根据目标脉冲星的运行情况进行地面上注在轨修改生成，从而提高标定的精度和标定效率。

根据本发明的另一方面，还提供一种处理器，处理器用于运行计算机程序，程序运行时执行本发明实施例的指向误差在轨标定方法。

根据本发明的另一方面，还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，程序运行时控制存储介质所在设备执行本发明实施例的指向误差在轨标定方法。

从以上的描述可以得知，本发明实施例具有以下优点：

1、本实施例主要用于在轨对探测器光轴与卫星平台指向误差进行标定，与仅进行地面标定相比，该方法考虑了发射段力学和在轨热冲击的影响，标定精度高。

2、本实施例可以实现卫星在轨自主标定，标定过程无遗漏，可以确保系统成功结束，可靠性高，并且不需要地面干预，也不需要陆标配合，系统简单，可靠性高。

3、本实施例标定过程相关的参数可根据在轨试验情况进行上注修改，配置灵活，可以应对各种不可预测情况，方法鲁棒性强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种脉冲星探测器指向误差在轨标定方法，其特征在于，包括：

根据脉冲星探测器的光子流量反馈的脉冲星探测器指向经过粗扫调节和/或细扫调节的标定流程，实现脉冲星探测器实际指向脉冲星；

记录卫星平台在地心惯性坐标系下的实际指向，与脉冲星在地心惯性坐标系下的理论位置进行对比，解算出脉冲星探测器光轴与卫星平台之间的指向误差；

根据脉冲星探测器的光子流量反馈的脉冲星探测器指向经过粗扫调节和/或细扫调节的标定流程之前，还包括：

判断所述光子流量是否大于等于细扫结束门限光子流量，若是则判定所述脉冲星探测器实际指向所述脉冲星；

若否则进行脉冲星探测器光轴与卫星平台指向误差的标定流程，即对脉冲星探测器光轴指向和卫星平台指向位置之间的误差进行标定；

所述进行脉冲星探测器光轴与卫星平台指向误差的标定流程包括：

判断所述光子流量是否大于等于粗扫结束门限光子流量，若是则执行细扫调节阶段，若否则进入粗扫调节阶段；

所述粗扫调节阶段包括：

设置粗扫模式对应的扫描参数，所述扫描参数包括：粗扫单步步长、粗扫单步时间、粗扫最大步数；

生成粗扫模式对应的扫描序列；

判断当前扫描检测的所述光子流量是否大于等于细扫结束门限光子流量，若是则判定所述脉冲星探测器实际指向所述脉冲星；否则，判断所述光子流量是否大于等于粗扫结束门限光子流量，若是则执行细扫调节阶段，否则，判断粗扫的点数大于粗扫最大步数，若是则粗扫失败，扫描过程提前退出；否则，控制卫星平台指向扫描序列的下一个位置，重新开始扫描。

2.根据权利要求1所述的脉冲星探测器指向误差在轨标定方法，其特征在于，

所述细扫调节阶段包括：

设置细扫模式对应的扫描参数，所述扫描参数包括：细扫单步步长、细扫单步时间、细扫最大步数；

生成细扫模式对应的扫描序列；

判断当前扫描检测的所述光子流量是否大于等于细扫结束门限光子流量，若是则判定所述脉冲星探测器实际指向所述脉冲星；否则，判断细扫的点数大于细扫最大步数，若是则细扫失败，扫描过程提前退出；否则，控制卫星平台指向扫描序列的下一个位置，重新开始扫描。

3.根据权利要求2所述的脉冲星探测器指向误差在轨标定方法，其特征在于，

所述扫描序列按照矩形螺旋序列顺时针或者逆时针进行，所述粗扫最大步数满足：

其中，R₃为粗扫区域半径，R₂为细扫区域半径，CSSL为粗扫单步步长，CSMS为粗扫最大步数。

4.根据权利要求3所述的脉冲星探测器指向误差在轨标定方法，其特征在于，

所述扫描序列按照矩形螺旋序列顺时针或逆时针进行，所述细扫最大步数满足：

其中，R₂为细扫区域半径，R₁为目标区域半径，FSSL为细扫单步步长，FSMS为细扫最大步数。

5.根据权利要求4所述的脉冲星探测器指向误差在轨标定方法，其特征在于，

所述粗扫模式对应的扫描参数和/或所述细扫模式对应的扫描参数为上注参数或者根据目标脉冲星的运行情况进行地面上注在轨修改生成。

6.一种处理器，所述处理器用于运行计算机程序，其特征在于，所述程序运行时执行如权利要求1至5任一所述的指向误差在轨标定方法。

7.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行如权利要求1至5任一所述的指向误差在轨标定方法。