CN109655080B - 一种数字式太阳敏感器在轨标定方法 - Google Patents

一种数字式太阳敏感器在轨标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数字式太阳敏感器在轨标定方法，包含：S1、根据星上时间和太阳星历数据，计算J2000惯性系下的太阳矢量；S2、根据星敏感器四元数，计算卫星本体系下的太阳矢量投影；S3、计算理论测量系下的太阳矢量投影；S4、结合数字式太阳敏感器的参数，计算数字式太阳敏感器的理论质心坐标；S5、修正数字式太阳敏感器的在轨质心坐标；S6、计算数字式太阳敏感器相对理论测量系的安装偏差角；S7、采用伪逆修正数字式太阳敏感器的参数；S8、优化数字式太阳敏感器的质心原点坐标。本发明利用实际在轨测量数据标定数字式太阳敏感器的参数，有效提高在轨数字式太阳敏感器的测量精度。

Description

一种数字式太阳敏感器在轨标定方法
技术领域
本发明涉及一种在轨标定方法，具体是指一种数字式太阳敏感器的在轨标定方法。
背景技术
数字式太阳敏感器作为空间飞行器的太阳方位测量姿态敏感器，其测量精度直接决定了在轨姿态确定的精度，对姿态确定精度要求较高的空间飞行器则尤为重要。
由于数字式太阳敏感器的探测器的玻璃盖片厚度H、折射率n、成像焦距f、坐标原点、安装矩阵等均会影响太阳角度解算精度。因此，为达到高精度测量需求，需要对这些参数进行精确标定。
现有技术中，标定技术主要通过地面太阳模拟器将探测器每一个像素点遍历测量，并通过地面测量数据进行标定。但是，太阳模拟器由于光源稳定性的原因，与真实太阳之间仍然存在一定的差别，并且转台精度无法精确评估，因此现有方法不能真实的对数字式太阳敏感器进行标定。
此外，在实际应用中存在产品安装偏差、平台变形、环境等多种因素的影响，导致在轨应用中会影响数字式太阳敏感器的测量精度。因此，利用在轨数据对影响太阳角度解算的参数进行标定，是提升数字式太阳敏感器测量精度的一项至关重要的工作。
基于上述，本发明提出一种数字式太阳敏感器在轨标定方法，以解决现有技术中存在的缺点和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字式太阳敏感器在轨标定方法，利用实际在轨测量数据标定数字式太阳敏感器的参数，有效提高在轨数字式太阳敏感器的测量精度。
为实现上述目的，本发明提供一种数字式太阳敏感器在轨标定方法，包含以下步骤：
S1、根据星上时间和太阳星历数据，计算J2000惯性系下的太阳矢量；
S2、根据星敏感器四元数，计算卫星本体系下的太阳矢量投影；
S3、计算理论测量系下的太阳矢量投影；
S4、结合数字式太阳敏感器的参数，计算数字式太阳敏感器的理论质心坐标；
S5、修正数字式太阳敏感器的在轨质心坐标；
S6、计算数字式太阳敏感器相对理论测量系的安装偏差角；
S7、采用伪逆修正数字式太阳敏感器的参数；
S8、优化数字式太阳敏感器的质心原点坐标。
所述的S1之前，还包含采集遥测数据的步骤，所述的遥测数据为：星上时间T(i)；对应T(i)时刻的数字式太阳敏感器的在轨质心坐标XS(i)、YS(i)；星敏感器四元数Qj(i)。
所述的S2中，具体为：根据J2000惯性系下的太阳矢量Si以及星敏感器四元数Qj(i)，结合星敏感器的安装矩阵，计算得到卫星本体系下的太阳矢量投影Sb为：
Sb＝Abm×Aj(i)×Si
其中，Abm为星敏感器由J2000惯性系转换至卫星本体系的转换矩阵，Aj(i)为与星敏感器四元数Qj(i)对应的矩阵；Si为J2000惯性系下的太阳矢量。
所述的S3中，具体为：根据卫星本体系下的太阳矢量投影Sb，结合数字式太阳敏感器的安装矩阵，计算得到理论测量系下的太阳矢量投影Ss为：
Ss＝Atb×Sb
其中，Atb为数字式太阳敏感器由卫星本体系转换至理论测量系的转换矩阵。
所述的S4中，具体为：质心坐标根据理论测量系下的太阳矢量投影Ss，结合数字式太阳敏感器的成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n、以及安装偏差角
Figure BDA0001904738160000021
计算数字式太阳敏感器的理论质心坐标XL(i)、YL(i)。
所述的S5中，具体为：将数字式太阳敏感器的质心原点坐标的标定误差Δx0、Δy0作为优化量，修正遥测的数字式太阳敏感器的在轨质心坐标XS(i)、YS(i)，得到修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)为：
X′S(i)＝Xs(i)+Δx0
Y′S(i)＝YS(i)+Δy0
其中，Δx0、Δy0的初始值均为0。
所述的S6中，具体包含以下步骤：
S61、根据修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)，与绕着理论测量系X、Y坐标轴旋转的角度关系
Figure BDA0001904738160000031
计算修正后的在轨质心坐标相对旋转角度的偏导数
Figure BDA0001904738160000032
S62、计算数字式太阳敏感器相对理论测量系X、Y坐标轴的安装偏差角
Figure BDA0001904738160000033
为：
Figure BDA0001904738160000034
其中，ΔX、ΔY为修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)与理论质心坐标XL(i)、YL(i)之间的偏差量；
S63、分别将修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)，与理论质心坐标XL(i)、YL(i)转换成极坐标ρ(θS，RS)和ρ(θL，RL)；
S64、对极坐标的相位差取平均，得到数字式太阳敏感器相对理论测量系Z坐标轴的安装偏差角
Figure BDA0001904738160000035
为：
Figure BDA0001904738160000036
得到数字式太阳敏感器相对理论测量系的安装偏差角
Figure BDA0001904738160000037
所述的S7中，具体包含以下步骤：
S71、根据修正后的在轨质心坐标的极坐标ρ(θS，RS)、以及理论质心坐标的极坐标ρ(θL，RL)，计算极坐标的长度相对成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n的偏导数
Figure BDA0001904738160000038
S72、计算理论质心坐标和修正后的在轨质心坐标的偏差ΔR，采用伪逆估算成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n的偏差值Δf、ΔH、Δn，具体为：
ΔR＝RL-RS
Figure BDA0001904738160000041
其中，通过重复执行S4～S72的步骤迭代至少5次，计算得到Δf、ΔH、Δn；
S73、修正成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n，为：
f'＝f+Δf
H'＝H+ΔH
n'＝n+Δn
得到修正后的数字式太阳敏感器的成像焦距f’、玻璃盖片厚度H’、折射率n’。
所述的S8中，以修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)与理论质心坐标XL(i)、YL(i)之间的偏差量ΔX、ΔY的测量偏差最小量作为优化量，采用单纯形法优化质心原点坐标，得到优化后的Δx0’、Δy0’。
综上所述，本发明所提供的数字式太阳敏感器在轨标定方法，利用数字式太阳敏感器的实际在轨测量数据，对其成像焦距、玻璃盖片厚度、折射率、质心原点坐标、安装偏差角等参数进行标定，有效提高在轨数字式太阳敏感器的测量精度，即提高在轨姿态确定精度，克服了地面标定存在测量误差以及无法考虑安装偏差、平台变形、环境等因素引起的偏差等缺点，为数字式太阳敏感器在轨标定应用提供了有效的方法。
附图说明
图1为本发明中的数字式太阳敏感器在轨标定方法的流程图。
具体实施方式
以下结合图1，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图1所示，为本发明所提供的数字式太阳敏感器在轨标定方法，包含以下步骤：
S1、根据星上时间和太阳星历数据，计算J2000惯性系下的太阳矢量；
S2、根据星敏感器四元数，计算卫星本体系下的太阳矢量投影；
S3、计算理论测量系下的太阳矢量投影；
S4、结合数字式太阳敏感器的参数，计算数字式太阳敏感器的理论质心坐标；
S5、修正数字式太阳敏感器的在轨质心坐标；
S6、计算数字式太阳敏感器相对理论测量系的安装偏差角；
S7、采用伪逆修正数字式太阳敏感器的参数；
S8、优化数字式太阳敏感器的质心原点坐标。
所述的S1之前，还包含采集遥测数据的步骤，所述的遥测数据为：星上时间T(i)；对应T(i)时刻的数字式太阳敏感器的在轨质心坐标XS(i)、YS(i)；星敏感器四元数Qj(i)。
所述的S2中，具体为：根据J2000惯性系下的太阳矢量Si以及星敏感器四元数Qj(i)，结合星敏感器的安装矩阵，计算得到卫星本体系下的太阳矢量投影Sb为：
Sb＝Abm×Aj(i)×Si
其中，Abm为星敏感器由J2000惯性系转换至卫星本体系的转换矩阵，Aj(i)为与星敏感器四元数Qj(i)对应的矩阵；Si为J2000惯性系下的太阳矢量。
所述的S3中，具体为：根据卫星本体系下的太阳矢量投影Sb，结合数字式太阳敏感器的安装矩阵，计算得到理论测量系下的太阳矢量投影Ss为：
Ss＝Atb×Sb
其中，Atb为数字式太阳敏感器由卫星本体系转换至理论测量系的转换矩阵。
所述的S4中，具体为：质心坐标根据理论测量系下的太阳矢量投影Ss，结合数字式太阳敏感器的成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n、以及安装偏差角
Figure BDA0001904738160000051
计算数字式太阳敏感器的理论质心坐标XL(i)、YL(i)。
其中，所述的成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n的初始值为地面标定值。
所述的S5中，具体为：将数字式太阳敏感器的质心原点坐标的标定误差Δx0、Δy0作为优化量，修正遥测的数字式太阳敏感器的在轨质心坐标XS(i)、YS(i)，得到修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)为：
X′S(i)＝Xs(i)+Δx0
Y′S(i)＝YS(i)+Δy0
其中，Δx0、Δy0的初始值均为0。
所述的S6中，具体包含以下步骤：
S61、根据修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)，与绕着理论测量系X、Y坐标轴旋转的角度关系
Figure BDA0001904738160000061
计算修正后的在轨质心坐标相对旋转角度的偏导数
Figure BDA0001904738160000062
S62、计算数字式太阳敏感器相对理论测量系X、Y坐标轴的安装偏差角
Figure BDA0001904738160000063
为：
Figure BDA0001904738160000064
其中，ΔX、ΔY为修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)与理论质心坐标XL(i)、YL(i)之间的偏差量；
S63、分别将修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)，与理论质心坐标XL(i)、YL(i)转换成极坐标ρ(θS，RS)和ρ(θL，RL)；
S64、对极坐标的相位差取平均，得到数字式太阳敏感器相对理论测量系Z坐标轴的安装偏差角
Figure BDA0001904738160000065
为：
Figure BDA0001904738160000066
得到数字式太阳敏感器相对理论测量系的安装偏差角
Figure BDA0001904738160000067
所述的S7中，具体包含以下步骤：
S71、根据修正后的在轨质心坐标的极坐标ρ(θS，RS)、以及理论质心坐标的极坐标ρ(θL，RL)，计算极坐标的长度相对成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n的偏导数
Figure BDA0001904738160000071
S72、计算理论质心坐标和修正后的在轨质心坐标的偏差ΔR，采用伪逆估算成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n的偏差值Δf、ΔH、Δn，具体为：
ΔR＝RL-RS
Figure BDA0001904738160000072
其中，通过重复执行S4～S72的步骤迭代至少5次，计算得到Δf、ΔH、Δn；
S73、修正成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n，为：
f'＝f+Δf
H'＝H+ΔH
n'＝n+Δn
得到修正后的数字式太阳敏感器的成像焦距f’、玻璃盖片厚度H’、折射率n’。
所述的S8中，以修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)与理论质心坐标XL(i)、YL(i)之间的偏差量ΔX、ΔY的测量偏差最小量作为优化量，采用单纯形法优化质心原点坐标，得到优化后的Δx0’、Δy0’。
至此，通过本发明优化得到的Δx0’、Δy0’、f’、H’、n’和
Figure BDA0001904738160000073
作为数字式太阳敏感器的参数标定值。
综上所述，本发明所提供的数字式太阳敏感器在轨标定方法，利用数字式太阳敏感器的实际在轨测量数据，对其成像焦距、玻璃盖片厚度、折射率、质心原点坐标、安装偏差角等参数进行标定，有效提高在轨数字式太阳敏感器的测量精度，即提高在轨姿态确定精度，克服了地面标定存在测量误差以及无法考虑安装偏差、平台变形、环境等因素引起的偏差等缺点，为数字式太阳敏感器在轨标定应用提供了有效的方法。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种数字式太阳敏感器在轨标定方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、根据星上时间和太阳星历数据，计算J2000惯性系下的太阳矢量；
S2、根据星敏感器四元数，计算卫星本体系下的太阳矢量投影；
S3、计算理论测量系下的太阳矢量投影；
S4、结合数字式太阳敏感器的参数，计算数字式太阳敏感器的理论质心坐标；
S5、修正数字式太阳敏感器的在轨质心坐标；
S6、计算数字式太阳敏感器相对理论测量系的安装偏差角；
S7、采用伪逆修正数字式太阳敏感器的参数；
S8、优化数字式太阳敏感器的质心原点坐标。
2.如权利要求1所述的数字式太阳敏感器在轨标定方法，其特征在于，所述的S1之前，还包含采集遥测数据的步骤，所述的遥测数据为：星上时间T(i)；对应T(i)时刻的数字式太阳敏感器的在轨质心坐标XS(i)、YS(i)；星敏感器四元数Qj(i)。
3.如权利要求2所述的数字式太阳敏感器在轨标定方法，其特征在于，所述的S2中，具体为：根据J2000惯性系下的太阳矢量Si以及星敏感器四元数Qj(i)，结合星敏感器的安装矩阵，计算得到卫星本体系下的太阳矢量投影Sb为：
Sb＝Abm×Aj(i)×Si
其中，Abm为星敏感器由J2000惯性系转换至卫星本体系的转换矩阵，Aj(i)为与星敏感器四元数Qj(i)对应的矩阵；Si为J2000惯性系下的太阳矢量。
4.如权利要求3所述的数字式太阳敏感器在轨标定方法，其特征在于，所述的S3中，具体为：根据卫星本体系下的太阳矢量投影Sb，结合数字式太阳敏感器的安装矩阵，计算得到理论测量系下的太阳矢量投影Ss为：
Ss＝Atb×Sb
其中，Atb为数字式太阳敏感器由卫星本体系转换至理论测量系的转换矩阵。
5.如权利要求4所述的数字式太阳敏感器在轨标定方法，其特征在于，所述的S4中，具体为：质心坐标根据理论测量系下的太阳矢量投影Ss，结合数字式太阳敏感器的成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n、以及安装偏差角
Figure FDA0002451253590000021
计算数字式太阳敏感器的理论质心坐标XL(i)、YL(i)。
6.如权利要求5所述的数字式太阳敏感器在轨标定方法，其特征在于，所述的S5中，具体为：将数字式太阳敏感器的质心原点坐标的标定误差Δx0、Δy0作为优化量，修正遥测的数字式太阳敏感器的在轨质心坐标XS(i)、YS(i)，得到修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)为：
X′S(i)＝Xs(i)+Δx0
Y′S(i)＝YS(i)+Δy0
其中，Δx0、Δy0的初始值均为0。
7.如权利要求6所述的数字式太阳敏感器在轨标定方法，其特征在于，所述的S6中，具体包含以下步骤：
S61、根据修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)，与绕着理论测量系X、Y坐标轴旋转的角度关系
Figure FDA0002451253590000022
计算修正后的在轨质心坐标相对旋转角度的偏导数
Figure FDA0002451253590000023
S62、计算数字式太阳敏感器相对理论测量系X、Y坐标轴的安装偏差角
Figure FDA0002451253590000024
为：
Figure FDA0002451253590000025
其中，ΔX、ΔY为修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)与理论质心坐标XL(i)、YL(i)之间的偏差量；
S63、分别将修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)，与理论质心坐标XL(i)、YL(i)转换成极坐标ρ(θS，RS)和ρ(θL，RL)；
S64、对极坐标的相位差取平均，得到数字式太阳敏感器相对理论测量系Z坐标轴的安装偏差角
Figure FDA0002451253590000031
为：
Figure FDA0002451253590000032
得到数字式太阳敏感器相对理论测量系的安装偏差角
Figure FDA0002451253590000033
8.如权利要求7所述的数字式太阳敏感器在轨标定方法，其特征在于，所述的S7中，具体包含以下步骤：
S71、根据修正后的在轨质心坐标的极坐标ρ(θS，RS)、以及理论质心坐标的极坐标ρ(θL，RL)，计算极坐标的长度相对成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n的偏导数
Figure FDA0002451253590000034
S72、计算理论质心坐标和修正后的在轨质心坐标的偏差ΔR，采用伪逆估算成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n的偏差值Δf、ΔH、Δn，具体为：
ΔR＝RL-RS
Figure FDA0002451253590000035
其中，通过重复执行S4～S72的步骤迭代至少5次，计算得到Δf、ΔH、Δn；
S73、修正成像焦距f、玻璃盖片厚度H、折射率n，为：
f'＝f+Δf
H'＝H+ΔH
n'＝n+Δn
得到修正后的数字式太阳敏感器的成像焦距f’、玻璃盖片厚度H’、折射率n’。
9.如权利要求8所述的数字式太阳敏感器在轨标定方法，其特征在于，所述的S8中，以修正后的在轨质心坐标X′S(i)、Y′S(i)与理论质心坐标XL(i)、YL(i)之间的偏差量ΔX、ΔY的测量偏差最小量作为优化量，采用单纯形法优化质心原点坐标，得到优化后的Δx0’、Δy0’。
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