CN108344410B - 一种基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法，该方法包括以下步骤：(1)星敏感器输出当前帧星图，提取出所述当前帧星图中的星点位置；(2)根据陀螺仪输出的角速度信息预测所述当前帧星图中所述星点在下一时刻星图中的位置；(3)由所述星敏感器计算其所在载体的姿态信息并输出。本发明通过陀螺仪输出的角速度信息预测星点在星图中的位置,提高了星敏感器数据更新频率。

Description

一种基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法
技术领域
本发明涉及提高星敏感器输出频率的方法，尤其涉及一种基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法。
背景技术
近年来，随着导航技术的迅速发展，其对定位精度的要求也越来越高，因此对保证载体高姿态精度和稳定度的姿态测量敏感器的研究也越来越迫切。星敏感器是载体姿态控制系统中的重要测量部件，也是当前广泛应用的光学姿态敏感器；它以太空中的恒星作为姿态测量的参考源，输出敏感器光轴在惯性参考系中的指向。星敏感器的姿态确定精度高，能够提供角秒级甚至更高精度的惯性姿态信息，被认为是目前精度最高的姿态敏感器，可适用于各种轨道卫星、月球探测车和远程导弹。
相对于地球敏感器和太阳敏感器等其它姿态敏感器而言，星敏感器主要有以下优点：可提供更高的指向精度、三轴姿态以及任何指向的全方姿态信息，并可满足太阳系外的深空探测要求，输出姿态为相对于惯性坐标系的实时直接测量，无慢速漂移问题。星敏感器技术要求趋于向高精度、高数据更新率、微型化、低功耗和高可靠性等方向发展。目前星敏感器存在数据更新频率低的问题，而数据更新率是星敏感器的一项重要指标。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种提高解决问题的输出频率的基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法。
技术方案：本发明所述的基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法，该方法包括以下步骤：
(1)星敏感器输出当前帧星图，提取出所述当前帧星图中的星点位置；
(2)根据陀螺仪输出的角速度信息预测所述当前帧星图中所述星点在下一时刻星图中的位置；
(3)由所述星敏感器计算其所在载体的姿态信息并输出。
优选的，步骤(2)包括：
(21)所述星敏感器在天体坐标系中的姿态矩阵为A，焦距为f，导航星Si在所述天体坐标系中的方向向量为vi，所述星敏感器中心点在所述星图平面中的位置表示为(x0,y0)，所述导航星Si在所述星图中的位置为(xi,yi)，则可表示出在所述星敏感器坐标系中所对应的图像向量wi；
(22)根据某星点t时刻所述陀螺仪输出的不同方向的角速度值和星点位置，得到从t时刻到t+Δt时刻所述星敏感器的姿态变换矩阵；
(23)根据步骤(22)结果和t+Δt时刻所述星敏感器的姿态变换矩阵，建立星点位置预测模型，从而预测出同一个星点在t+Δt时刻图像中的位置。
优选的，在步骤(21)中，所述姿态矩阵A可通过参考矢量法求得。
优选的，在步骤(23)中，所述的星点位置预测模型表示为：
Figure BDA0001555848550000021
其中，f为星敏感器的焦距,
Figure BDA0001555848550000022
表示t时刻星点所在星图中的坐标,
Figure BDA0001555848550000023
分别表示t时刻惯性系统输出的三个角速度值，
Figure BDA0001555848550000024
表示预测的t+Δt时刻星点在星图中的位置坐标。
由于
Figure BDA0001555848550000025
上述等式可以化简为：
Figure BDA0001555848550000026
优选的，在步骤(3)中，
若下一时刻所述星敏感器没有输出下一帧星图，则将步骤(2)中预测的下一时刻所述星点在星图中的位置输入所述星敏感器中，由所述星敏感器计算出其所在载体的姿态信息并输出；
若所述星敏感器输出了下一帧星图，则直接输出根据所述星图解算出的载体姿态信息。
有益效果：本发明通过陀螺仪输出的角速度信息预测星点在星图中的位置提高了星敏感器数据更新频率。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1，本发明公开了一种基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法，包括以下步骤：
(1)星敏感器输出当前帧(t时刻)星图，提取出当前帧星图中的星点位置。
(2)根据陀螺仪输出的角速度信息预测当前帧星图中星点在t+Δt时刻星图中的位置，假设星敏感器在天体坐标系中的3×3维姿态矩阵为A，导航星Si在天体坐标系中的方向向量为vi，该方向向量可以通过星敏感器测量得到，其在星敏感器坐标系中所对应的图像向量可表示为wi。星敏感器中心点在星图平面中的位置表示为(x0,y0)，导航星Si在星图中的位置为(xi,yi)。星敏感器的焦距为f，则向量wi可表示为：
Figure BDA0001555848550000031
在理想条件下wi和vi之间的关系可表示为：
wi＝Avi(2)
其中，A表示星敏感器的姿态矩阵，wi为星敏感器坐标系中所对应的图像向量，vi为导航星Si在天体坐标系中的方向向量。当导航星个数多于两个时，姿态矩阵A可以通过Euler-q、QUEST等多参考矢量法求出。
假设OXYZ表示星敏感器坐标系，O表示图像平面的中心点坐标位置,OZ方向与星敏感器主轴的方向一致，OX和OY方向与图像平面的两个正交方向一致，OOC长度等于星敏感器镜头焦距的长度，
Figure BDA0001555848550000036
分别表示t时刻惯性系统输出的载体坐标系三轴向的角速度值,P表示t时刻星点的位置，其OP表示星点在星敏感器坐标系中的向量,P′表示同一个星点在t+Δt时刻的图像位置。则wi和vi之间的关系可以表示为：
Figure BDA0001555848550000032
其中,vi为导航星Si在天体坐标系中的方向向量，
Figure BDA0001555848550000037
为t时刻星敏感器坐标系中所对应的图像向量，
Figure BDA0001555848550000033
为同一个星点在t+Δt时刻的图像向量，At表示t时刻的星敏感器姿态矩阵，
Figure BDA0001555848550000034
表示从t时刻到t+Δt时刻星敏感器的姿态变换矩阵，其值可通过式(4)计算得到：
Figure BDA0001555848550000035
其中，wt表示角速度矩阵wt的叉乘矩阵，
Figure BDA0001555848550000041
分别表示t时刻惯性系统输出的三个角速度值，Δt表示t时刻和下一时刻之间的时间差。
根据式(2)、(3)和式(4)可以得到
Figure BDA0001555848550000042
和
Figure BDA0001555848550000043
之间的关系：
Figure BDA0001555848550000044
因为
Figure BDA0001555848550000045
是由星点的位置组成，所以可以建立如(6)式所示的星点位置预测模型：
Figure BDA0001555848550000046
其中，f为星敏感器的焦距,
Figure BDA0001555848550000047
表示t时刻星点所在星图中的坐标
Figure BDA0001555848550000048
分别表示t时刻惯性系统输出的三个角速度值，
Figure BDA0001555848550000049
表示预测的t+t时刻星点在星图中的位置坐标。
由星敏感器相关特性及参数可得出
Figure BDA00015558485500000410
于是一步预测误差的值接近于可忽略的程度，所以上述等式可以化简为：
Figure BDA00015558485500000411
根据上述等式便可以预测出同一个星点在t+Δt时刻星图中的位置。
(3)星敏感器的输出频率一般为几赫兹到几十赫兹，而陀螺仪的输出频率为几百赫兹甚至上千赫兹，所以说在连续两帧星图之间，陀螺仪已经输出了很多角速度数据。如果t+Δt时刻星敏感器还没有输出下一帧星图，则将步骤(2)中预测的t+Δt时刻星点在星图中的位置输入星敏感器中，由星敏感器解算出其所在载体的姿态信息并输出，若此时星敏感器输出了下一帧星图，则忽略此时由陀螺仪预测的星点位置，直接利用星敏感器根据该星图解算出的载体姿态信息作为输出。

Claims (3)

1.一种基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)星敏感器输出当前帧星图，提取出所述当前帧星图中的星点位置；
(2)根据陀螺仪输出的角速度信息预测所述当前帧星图中所述星点在下一时刻星图中的位置；
步骤(2)包括：
(21)所述星敏感器在天体坐标系中的姿态矩阵为A，焦距为f，导航星Si在所述天体坐标系中的方向向量为vi，所述星敏感器中心点在所述星图平面中的位置表示为(x0,y0)，所述导航星Si在所述星图中的位置为(xi,yi)，则可表示出在所述星敏感器坐标系中所对应的图像向量wi；
(22)根据某星点t时刻所述陀螺仪输出的不同方向的角速度值和星点位置，得到从t时刻到t+Δt时刻所述星敏感器的姿态变换矩阵；
(23)根据步骤(22)结果和t+Δt时刻所述星敏感器的姿态变换矩阵，建立星点位置预测模型，从而预测出同一个星点在t+Δt时刻图像中的位置；
在步骤(23)中，所述的星点位置预测模型表示为：
Figure FDA0003409522410000011
其中，f为星敏感器的焦距,
Figure FDA0003409522410000012
表示t时刻星点所在星图中的坐标,
Figure FDA0003409522410000013
分别表示t时刻惯性系统输出的三个角速度值，
Figure FDA0003409522410000014
表示预测的t+Δt时刻星点在星图中的位置坐标；
由于
Figure FDA0003409522410000015
上述等式可以化简为：
Figure FDA0003409522410000016
(3)由所述星敏感器计算其所在载体的姿态信息并输出。
2.根据权利要求1所述的基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法，其特征在于，在步骤(21)中，所述姿态矩阵A可通过参考矢量法求得。
3.根据权利要求1所述的基于陀螺仪辅助的提高星敏感器输出频率的方法，其特征在于，在步骤(3)中，
若下一时刻所述星敏感器没有输出下一帧星图，则将步骤(2)中预测的下一时刻所述星点在星图中的位置输入所述星敏感器中，由所述星敏感器计算出其所在载体的姿态信息并输出；
若所述星敏感器输出了下一帧星图，则直接输出根据所述星图解算出的载体姿态信息。
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