CN110006460A - 星敏感器与磁强计相对标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星敏感器与磁强计相对标定方法及系统，包括：将星敏感器和磁强计固定于一刚性结构上；将刚性结构固定安装在一无磁转台上；刚性结构围绕无磁转台的第一转轴进行转动；获取磁强计坐标系下的第一转轴矢量；获取星敏感器坐标系下的第一转轴矢量；刚性结构围绕无磁转台的第二转轴进行转动；获取磁强计坐标系下的第二转轴矢量；获取星敏感器坐标系下的第二转轴矢量；根据磁强计坐标系下的第一转轴矢量、磁强计坐标系下的第二转轴矢量、星敏感器坐标系下的第一转轴矢量和星敏感器坐标系下的第二转轴矢量进行双矢量定姿，确定磁强计坐标系与星敏感器坐标系的转换矩阵，将刚性结构从无磁转台下拆除，安装于卫星上。

Description

星敏感器与磁强计相对标定方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别涉及一种星敏感器与磁强计相对标定方法及系统。

背景技术

现代人造卫星由于独有优势，广泛应用于遥感、通信、空间科学试验等诸多领域，磁强计与星敏感器是卫星典型的低高精度定姿敏感器，在卫星总装过程中，磁强计磁轴、星敏光轴和卫星平台机械轴之间往往存在安装误差，导致磁强计无法获得准确的安装矩阵，而安装矩阵的误差是导致磁测精度较差的重要因素。

卫星三轴磁强计测量精度影响因素较多，在高精度磁场测量领域，卫星剩磁、磁强计与星敏感器的安装精度引起的误差是导致磁场测量精度不高的主要因素，剩磁可以通过预先测量等手段进行补偿，而磁强计与星敏感器的安装精度只能通过地面的安装精度测量去保证。

三轴磁强计坐标系、星敏感器坐标系和结构之间均存在安装矩阵。传统的标定安装矩阵方法是由两台载荷分别将坐标关系引到外部一个精测棱镜上，再通过光学测量确定二者间的角度转换关系。而目前由于机械轴的测量精度很难达到角秒级，在当前快速总装的要求下，机械轴测量精度在角分量级，如果将磁轴、光轴的误差统一到卫星本体的机械轴上，磁测数据的姿态角难以达到很高的精度。因此目前的大部分卫星并不适用于高精度磁测量的应用，也直接导致了卫星在轨磁测量所得姿态信息精度不高，成为测控作为高精度控制手段的阻碍。

为了降低高精度的卫星光机分步校准的困难，可采用直接标定三轴磁强计坐标系和星敏感器坐标系之间安装矩阵的相对标定方案。为了保证星敏与三轴磁强计的坐标关系稳定，三轴磁强计探头和星敏感器安装于同一个稳定的高刚度结构上。这种采用直接标定磁轴和光轴之间的相对误差的方式，可以避免机械安装误差的影响。

星敏感器磁强计标定相关的文献，使用的方法与应用背景存在着较大区别。专利CN201710362481提出了利用陀螺仪对三轴磁强计进行全误差标定的方法，CN201510553291提出了一种IMU/磁强计安装失准角在线滤波标定方法，两种方式分别采用了陀螺仪和IMU，所用方式和手段存在差异；CN201710382599提出一种基于递推最小二乘法的磁强计现场快速标定方法，可以用于对磁强计输出进行修正，但未对相对安装矩阵进行标定；CN201310193725提出了一种基于剩磁标定的磁测及星光备份的自主导航方法，主要用于在轨的剩磁标定，但没有对相对安装矩阵进行标定；CN201210062041提出了一种基于星光/地磁组合信息的小卫星自主导航系统及其导航方法，但并没有提出地面采用的标定方法；王凯强的硕士论文提出了通过相关坐标系的方式测试星敏感器与磁强计的安装矩阵。综上所述，相关专利并没有在相对安装矩阵标定方面提出相关方法，相关标定方法在采用的方法和使用的敏感器上存在差异。

发明内容

本发明的目的在于提供一种星敏感器与磁强计相对标定方法及系统，以解决现有的卫星机械轴安装精度低造成的星敏感器和磁强计安装时校准精度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种星敏感器与磁强计相对标定方法，所述星敏感器与磁强计相对标定方法包括：

将所述星敏感器和所述磁强计固定于一刚性结构上；

将所述刚性结构固定安装在一无磁转台上；

所述刚性结构围绕所述无磁转台的第一转轴进行转动；

获取所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量；获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量；

所述刚性结构围绕所述无磁转台的第二转轴进行转动；

获取所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量；获取所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量；

根据所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量、所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量、所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量和所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量进行双矢量定姿，确定所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵；

将所述刚性结构从所述无磁转台下拆除，安装于卫星上。

可选的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量包括：

步骤一，调整所述刚性结构的位置后，测量在第一时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤二，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台，测量在第二时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤三，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台，测量在第三时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤四，将第一时刻、第二时刻和第三时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量统一至所述第一时刻下的磁强计坐标系中；

步骤五，获取第一差值，所述第一差值为第二时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量和第一时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量之差；

获取第二差值，所述第二差值为第三时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量和第二时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量之差；

步骤六，所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量的方向矢量为所述第一差值与所述第二差值的叉乘。

可选的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量包括：

步骤一，调整所述刚性结构的位置后，测量在第四时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤二，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台，测量在第五时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤三，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台，测量在第六时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤四，将第四时刻、第五时刻和第六时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量统一至所述第四时刻下的磁强计坐标系中；

步骤五，获取第三差值，所述第三差值为第五时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量和第四时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量之差；

获取第四差值，所述第四差值为第六时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量和第五时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量之差；

步骤六，所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量的方向矢量为所述第三差值与所述第四差值的叉乘。

可选的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量和所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量包括：

所述星敏感器输出姿态四元素，根据所述姿态四元素计算得到星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵；

计算所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

得到星敏感器坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

各个记录时间下的所述姿态四元素与所述第一转轴和所述第二转轴建立联系。

可选的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量还包括：

步骤一，调整所述刚性结构的位置后，所述星敏感器输出在第一时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第一时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤二，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台，所述星敏感器输出在第二时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第二时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤三，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台，所述星敏感器输出在第三时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第三时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤四，在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第一时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第一时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第一时刻地球固联坐标系矢量；

在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第二时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第二时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第二时刻地球固联坐标系矢量；

在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第三时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第三时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第三时刻地球固联坐标系矢量；

步骤五，获取第五差值，所述第五差值为第二时刻地球固联坐标系矢量和第一时刻地球固联坐标系矢量之差；

获取第六差值，所述第六差值为第三时刻地球固联坐标系矢量和第二时刻地球固联坐标系矢量之差；

步骤六，所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量的方向矢量为所述第五差值与所述第六差值的叉乘。

可选的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，获取所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量还包括：

步骤一，调整所述刚性结构的位置后，所述星敏感器输出在第四时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第四时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤二，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台，所述星敏感器输出在第五时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第五时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤三，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台，所述星敏感器输出在第六时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第六时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤四，在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第四时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第四时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第四时刻地球固联坐标系矢量；

在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第五时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第五时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第五时刻地球固联坐标系矢量；

在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第六时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第六时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第六时刻地球固联坐标系矢量；

步骤五，获取第七差值，所述第七差值为第五时刻地球固联坐标系矢量和第四时刻地球固联坐标系矢量之差；

获取第八差值，所述第八差值为第六时刻地球固联坐标系矢量和第五时刻地球固联坐标系矢量之差；

步骤六，所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量的方向矢量为所述第七差值与所述第八差值的叉乘。

可选的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，所述已知常矢量与所述地磁矢量与所述第一转轴的方向相异，所述已知常矢量与所述地磁矢量与所述第二转轴的方向相异。

可选的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，所述第一转轴和所述第二转轴的夹角为50°～130°，围绕所述第一转轴或所述第二转轴旋转所述无磁转台时，每次旋转的角度为60°～150°。

可选的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，所述第一时刻、第二时刻、第三时刻、第四时刻、第五时刻和第六时刻以GPS时间作为时间基准，通过秒脉冲将所述星敏感器与所述磁强计的时间系统进行对准。

可选的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，所述磁强计坐标系和所述星敏感器坐标系均为正交坐标系。

本发明还提供一种星敏感器与磁强计相对标定系统，星敏感器与磁强计相对标定系统包括星敏感器、磁强计、刚性结构、无磁转台和地面检测终端，其中：

所述星敏感器和所述磁强计固定于所述刚性结构上；

所述刚性结构固定安装在所述无磁转台上；

所述刚性结构围绕所述无磁转台的第一转轴进行转动；

所述磁强计获取所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量；所述星敏感器获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量；

所述刚性结构围绕所述无磁转台的第二转轴进行转动；

所述磁强计获取所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量；所述星敏感器获取所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量；

所述地面检测终端根据所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量、所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量、所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量和所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量进行双矢量定姿，确定所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵；

所述地面检测终端将所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵发送至所述卫星后，所述刚性结构从所述无磁转台下拆除，安装于卫星上。

在本发明提供的星敏感器与磁强计相对标定方法及系统中，通过固定星敏感器和磁强计的刚性结构在安装于卫星前，获取磁强计坐标系下的第一、第二转轴矢量，获取星敏感器坐标系下的第一、第二转轴矢量，根据以上矢量进行双矢量定姿，确定所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵，提供了一种适用于高精度磁测的星敏感器磁强计相对标定方法，通过在地面测试完成相对标定，实现磁强计与高精度星敏感器间的高精度转换矩阵的获取，从而实现航天器在轨的高精度磁场测量，本发明适用于对太空磁环境的高精度测量，同时以此为基础可以实现高精度的磁控，为卫星高精度姿态控制提供备份手段。

附图说明

图1是本发明一实施例的星敏感器与磁强计相对标定系统示意图；

图2是本发明另一实施例的地面检测终端系统架构示意图；

图3是本发明另一实施例星敏感器与磁强计相对标定方法中测量点选取示意图；

图4是本发明另一实施例星敏感器与磁强计相对标定方法流程示意图；

图5是本发明另一实施例第一转轴矢量在磁强计坐标系下的示意图；

图6是本发明另一实施例第一转轴矢量在星敏感器坐标系下的示意图；

图中所示：10-星敏感器；20-磁强计；30-刚性结构；40-无磁转台；50-地面检测终端。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的星敏感器与磁强计相对标定方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种星敏感器与磁强计相对标定方法，以解决现有的卫星机械轴安装精度低造成的星敏感器和磁强计安装时校准精度低的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种星敏感器与磁强计相对标定方法，所述星敏感器与磁强计相对标定方法包括：将所述星敏感器和所述磁强计固定于一刚性结构上；将所述刚性结构固定安装在一无磁转台上；所述刚性结构围绕所述无磁转台的第一转轴进行转动；获取所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量；获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量；所述刚性结构围绕所述无磁转台的第二转轴进行转动；获取所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量；获取所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量；根据所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量、所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量、所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量和所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量进行双矢量定姿，确定所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵；将所述刚性结构从所述无磁转台下拆除，安装于卫星上。

<实施例一>

本实施例提供一种星敏感器与磁强计相对标定方法，如图1所示，所述星敏感器与磁强计相对标定方法包括：将所述星敏感器10和所述磁强计20固定于一刚性结构30上；将所述刚性结构30固定安装在一无磁转台40上；所述刚性结构30围绕所述无磁转台40的第一转轴(例如图1的A轴)进行转动；所述磁强计20获取所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量DM1；所述星敏感器10获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量Ds1；所述刚性结构围绕所述无磁转台的第二转轴(例如图1的B轴)进行转动；所述磁强计20获取所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量DM2；所述星敏感器10获取所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量Ds2；地面检测终端50根据所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量DM1、所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量DM2、所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量Ds1和所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量Ds2进行双矢量定姿，确定所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵；将所述刚性结构30从所述无磁转台40下拆除，安装于卫星上。

如图4所示，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量DM1包括：步骤一，调整所述刚性结构30的位置后，测量在第一时刻T1的磁强计坐标系下的地磁矢量BM1；步骤二，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台40，测量在第二时刻T2的磁强计坐标系下的地磁矢量BM2；步骤三，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台40，测量在第三时刻T3的磁强计坐标系下的地磁矢量；步骤四，将第一时刻T1、第二时刻T2和第三时刻T3的磁强计坐标系下的地磁矢量B统一至所述第一时刻T1下的磁强计坐标系中；步骤五，获取第一差值ΔB1，所述第一差值为第二时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量BM2和第一时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量BM1之差；即ΔB1＝BM2—BM1；获取第二差值ΔB2，所述第二差值为第三时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量BM3和第二时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量BM2之差；即ΔB2＝BM3—BM2；步骤六，所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量的方向矢量DM1为所述第一差值ΔB1与所述第二差值ΔB2的叉乘。

对矢量BM1、BM2与BM3来说，三者的差分矢量都在垂直于第一转轴矢量的平面上，那么差分矢量之间的叉乘就能够表达第一转轴矢量V1的方向矢量。即DM1＝(BM2—BM1)×(BM3—BM2)，如图5所示，而对于第一转轴矢量V1的方向矢量DM1来说，它的物理意义是一个在地球固联坐标系中一个静止矢量。此时就可得到地球固联坐标系的静止矢量DM1在T1时刻下三轴磁强计坐标系中的矢量表达。

进一步的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量DM2包括：步骤一，调整所述刚性结构30的位置后，测量在第四时刻T4的磁强计坐标系下的地磁矢量BM4；步骤二，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台40，测量在第五时刻T5的磁强计坐标系下的地磁矢量BM5；步骤三，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台40，测量在第六时刻T6的磁强计坐标系下的地磁矢量BM6；步骤四，将第四时刻T4、第五时刻T5和第六时刻T6的磁强计坐标系下的地磁矢量统一至所述第四时刻T4下的磁强计坐标系中；步骤五，获取第三差值ΔB3，所述第三差值ΔB3为第五时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量BM5和第四时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量BM4之差，即ΔB3＝BM5—BM4；获取第四差值ΔB4，所述第四差值ΔB4为第六时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量BM6和第五时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量BM5之差，即ΔB4＝BM6—BM5；步骤六，所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量V2的方向矢量DM2为所述第三差值ΔB3与所述第四差值ΔB4的叉乘，即DM2＝ΔB3×ΔB4。

如图2所示，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量Ds1和所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量Ds2包括：所述星敏感器输出姿态四元素，根据所述姿态四元素计算得到星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asij；计算所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiGj；得到星敏感器坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；各个记录时间下的所述姿态四元素与所述第一转轴和所述第二转轴建立联系。

具体的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量Ds1还包括：步骤一，调整所述刚性结构30的位置后，所述星敏感器10输出在第一时刻T1的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi1，计算第一时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG1；步骤二，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台40，所述星敏感器输出在第二时刻T2的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi2，计算第二时刻T2的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG2；步骤三，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台40，所述星敏感器输出在第三时刻T3的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi3，计算第三时刻T3的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG3。步骤四，在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量C，计算所述已知常矢量C、第一时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi1，以及第一时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG1的乘积，得到第一时刻地球固联坐标系矢量Cs1，即Cs1＝Asi1×AiG1×C；计算所述已知常矢量C、第二时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi2，以及第二时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG2的乘积，得到第二时刻地球固联坐标系矢量Cs2，即Cs2＝Asi2×AiG2×C；计算所述已知常矢量C、第三时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi3，以及第三时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG3的乘积，得到第三时刻地球固联坐标系矢量Cs3，即Cs3＝Asi3×AiG3×C；步骤五，获取第五差值ΔC1，所述第五差值ΔC1为第二时刻地球固联坐标系矢量Cs2和第一时刻地球固联坐标系矢量Cs1之差，即ΔC1＝CS2—CS1；获取第六差值ΔC2，所述第六差值ΔC2为第三时刻地球固联坐标系矢量Cs3和第二时刻地球固联坐标系矢量Cs2之差，即ΔC2＝CS3—CS2；步骤六，所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量V1的方向矢量Ds1为所述第五差值ΔC1与所述第六差值ΔC2的叉乘；即Ds1＝ΔC1×ΔC2，如图6所示。将Ds1矢量标记至之前三个时刻中任一时刻的星敏坐标系中，如T1时刻的星敏坐标系，得到地球固联坐标系的静止矢量Ds1在T1时刻的星敏坐标系下的矢量表达。(此时刻需要与三轴磁强计时刻相同)。转动无磁转台的俯仰轴，改变转轴指向。重复上述步骤，可得另一组地球固联坐标系的静止矢量Ds2在T1时刻下三轴磁强计坐标系中的矢量表达。

具体的，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，获取所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量Ds2还包括：步骤一，调整所述刚性结构30的位置后，所述星敏感器10输出在第四时刻T4的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi4，计算第四时刻T4的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG4；步骤二，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台40，所述星敏感器10输出在第五时刻T5的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi5，计算第五时刻T5的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG5；步骤三，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台40，所述星敏感器10输出在第六时刻T6的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi6，计算第六时刻T6的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG6；步骤四，在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量C，计算所述已知常矢量C、第四时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi4，以及第四时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG4的乘积，得到第四时刻地球固联坐标系矢量Cs4，Cs4＝Asi4×AiG4×C；计算所述已知常矢量C、第五时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi5，以及第五时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG5的乘积，得到第五时刻地球固联坐标系矢量Cs5，Cs5＝Asi5×AiG5×C；计算所述已知常矢量C、第六时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵Asi6，以及第六时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵AiG6的乘积，得到第六时刻地球固联坐标系矢量Cs6，Cs6＝Asi6×AiG6×C；步骤五，获取第七差值ΔC3，所述第七差值ΔC3为第五时刻地球固联坐标系矢量Cs5和第四时刻地球固联坐标系矢量Cs4之差，ΔC3＝CS5—CS4；获取第八差值ΔC4，所述第八差值ΔC4为第六时刻地球固联坐标系矢量Cs6和第五时刻地球固联坐标系矢量Cs5之差，ΔC4＝CS6—CS5；步骤六，所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量V2的方向矢量Ds2为所述第七差值ΔC3与所述第八差值ΔC4的叉乘，Ds2＝ΔC3×ΔC4。

其中，通过时间计算各时刻相应的固联坐标系到惯性坐标系下的转换矩阵，AiGj＝f(Tj)，其中与时间相关的包括高精度地球定向参数UT1-UTC、极移、岁差章动、地球自转角，这些都是上述矩阵的影响因素。

最后，通过双矢量定姿原理计算得到三轴磁强计坐标系和星敏坐标系之间的转换矩阵。利用两个转轴在磁坐标系下和星敏坐标系下的表示进行双矢量定姿，确定磁坐标系与星敏坐标系的转换矩阵。

AMS＝[DM1’,DM2’,DM1’×DM2’]*[DS1’,DS2’,DS1’×DS2’]-¹；

ASM＝[DS1’,DS2’,DS1’×DS2’]*[DM1’,DM2’,DM1’×DM2’]-¹；

其中，DS1’＝DS1/|DS1|，DM1’＝DM1/|DM1|，DS2’＝DS2/|DS2|，DM2’＝DM2/|DM2|。

另外，在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，所述已知常矢量C与所述地磁矢量B与所述第一转轴V1的方向相异，所述已知常矢量C与所述地磁矢量B与所述第二转轴V2的方向相异，举例来说，所述已知常矢量C为星敏光轴矢量[1；0；0]。在所述的星敏感器与磁强计相对标定方法中，所述第一转轴和所述第二转轴的夹角为50°～130°，例如90°，围绕所述第一转轴或所述第二转轴旋转所述无磁转台时，每次旋转的角度为60°～150°，例如120°。所述第一时刻、第二时刻、第三时刻、第四时刻、第五时刻和第六时刻以GPS时间作为时间基准，通过秒脉冲将所述星敏感器与所述磁强计的时间系统进行对准。所述磁强计坐标系和所述星敏感器坐标系均为正交坐标系。

在本实施例提供的星敏感器与磁强计相对标定方法中，通过固定星敏感器和磁强计的刚性结构在安装于卫星前，获取磁强计坐标系下的第一、第二转轴矢量，获取星敏感器坐标系下的第一、第二转轴矢量，根据以上矢量进行双矢量定姿，确定所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵，提供了一种适用于高精度磁测的星敏感器磁强计相对标定方法，通过在地面测试完成相对标定，实现磁强计与高精度星敏感器间的高精度转换矩阵的获取，从而实现航天器在轨的高精度磁场测量，本发明适用于对太空磁环境的高精度测量，同时以此为基础可以实现高精度的磁控，为卫星高精度姿态控制提供备份手段。

综上，上述实施例对星敏感器与磁强计相对标定方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

<实施例二>

本实施例提供一种星敏感器与磁强计相对标定系统，星敏感器与磁强计相对标定系统包括星敏感器10、磁强计20、刚性结构30、无磁转台40和地面检测终端50，其中：所述星敏感器10和所述磁强计20固定于所述刚性结构30上；所述刚性结构30固定安装在所述无磁转台40上；所述刚性结构30围绕所述无磁转台40的第一转轴进行转动；所述磁强计20获取所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量；所述星敏感器10获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量；所述刚性结构30围绕所述无磁转台40的第二转轴进行转动；所述磁强计20获取所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量；所述星敏感器10获取所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量；所述地面检测终端50根据所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量、所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量、所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量和所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量进行双矢量定姿，确定所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵；所述地面检测终端50将所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵发送至所述卫星后，所述刚性结构30从所述无磁转台40下拆除，安装于卫星上。

本实施例不限于星敏感器和磁强计的安装形式、不限于刚性结构和无磁转台的安装形式、不限于无磁转台形式、不限于星敏感器个数，即可以是多个星敏感器组成的高精度测量系统。本实施例所涉及的无磁转台至少需要保证二维以上，需特别注意的是，第一转轴和第二转轴需要满足在星敏感器坐标系等固连系下不同。以方位俯仰型转台为例，俯仰转动一定角度后，通过旋转方位角进行测量，即可确保转轴在星敏感器坐标系下是不唯一的。星敏感器视轴离开天顶的角度不宜过大，减少蒙气差的影响。

本实施例适用范围需满足以下基本条件：三轴磁强计坐标系和星敏坐标系均为正交坐标系；在一次测量时间内，当地地磁场是稳定的，测量空间内没有梯度；试验过程中三轴磁强计和星敏等仪器的相对关系刚性不变。为保证双矢量定姿的精度，两个转轴的夹角尽量接近90度；磁矢量不能与转轴矢量方向相同；参考矢量C不能与转轴矢量方向相同；

为保证精度，要求转轴差30度以上，如图3的左侧所示，测试点1、2、3之间的夹角大于30°；绕转轴转动的角度影响标定误差，应尽可能均化，即每次转动120°如图3的右侧所示，测试点1’、2’、3’之间的夹角为120°。在星敏感器和磁强计将数据的输出并发送给地面检测终端之前，需要通过地面检测终端发出的秒脉冲(plus per second，PPS)将星敏感器与磁强计的时间系统进行对准。

在本发明提供的星敏感器与磁强计相对标定方法及系统中，通过固定星敏感器和磁强计的刚性结构在安装于卫星前，获取磁强计坐标系下的第一、第二转轴矢量，获取星敏感器坐标系下的第一、第二转轴矢量，根据以上矢量进行双矢量定姿，确定所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵，提供了一种适用于高精度磁测的星敏感器磁强计相对标定方法，通过在地面测试完成相对标定，实现磁强计与高精度星敏感器间的高精度转换矩阵的获取，从而实现航天器在轨的高精度磁场测量，本发明适用于对太空磁环境的高精度测量，同时以此为基础可以实现高精度的磁控，为卫星高精度姿态控制提供备份手段。

本发明的目的在于克服现有装配测量技术中存在的不足，提供一种适用于高精度磁测需求的星敏磁强计相对标定方法。实现在地面对星敏磁强计坐标系高精度转换矩阵的高精度测量与标定，实现在轨的高精度磁测，同时可以促使磁控手段适用于高精度控制环境。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种星敏感器与磁强计相对标定方法，其特征在于，所述星敏感器与磁强计相对标定方法包括：

将所述星敏感器和所述磁强计固定于一刚性结构上；

将所述刚性结构固定安装在一无磁转台上；

所述刚性结构围绕所述无磁转台的第一转轴进行转动；

获取所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量；获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量；

所述刚性结构围绕所述无磁转台的第二转轴进行转动；

获取所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量；获取所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量；

根据所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量、所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量、所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量和所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量进行双矢量定姿，确定所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵；

将所述刚性结构从所述无磁转台下拆除，安装于卫星上。

2.如权利要求1所述的星敏感器与磁强计相对标定方法，其特征在于，所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量包括：

步骤一，调整所述刚性结构的位置后，测量在第一时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤二，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台，测量在第二时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤三，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台，测量在第三时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤四，将第一时刻、第二时刻和第三时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量统一至所述第一时刻下的磁强计坐标系中；

步骤五，获取第一差值，所述第一差值为第二时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量和第一时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量之差；

获取第二差值，所述第二差值为第三时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量和第二时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量之差；

步骤六，所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量的方向矢量为所述第一差值与所述第二差值的叉乘。

3.如权利要求2所述的星敏感器与磁强计相对标定方法，其特征在于，所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量包括：

步骤一，调整所述刚性结构的位置后，测量在第四时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤二，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台，测量在第五时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤三，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台，测量在第六时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量；

步骤四，将第四时刻、第五时刻和第六时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量统一至所述第四时刻下的磁强计坐标系中；

步骤五，获取第三差值，所述第三差值为第五时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量和第四时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量之差；

获取第四差值，所述第四差值为第六时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量和第五时刻的磁强计坐标系下的地磁矢量之差；

步骤六，所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量的方向矢量为所述第三差值与所述第四差值的叉乘。

4.如权利要求3所述的星敏感器与磁强计相对标定方法，其特征在于，获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量和所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量包括：

所述星敏感器输出姿态四元素，根据所述姿态四元素计算得到星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵；

计算所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

得到星敏感器坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

各个记录时间下的所述姿态四元素与所述第一转轴和所述第二转轴建立联系。

5.如权利要求4所述的星敏感器与磁强计相对标定方法，其特征在于，获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量还包括：

步骤一，调整所述刚性结构的位置后，所述星敏感器输出在第一时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第一时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤二，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台，所述星敏感器输出在第二时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第二时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤三，围绕所述第一转轴旋转所述无磁转台，所述星敏感器输出在第三时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第三时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤四，在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第一时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第一时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第一时刻地球固联坐标系矢量；

在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第二时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第二时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第二时刻地球固联坐标系矢量；

在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第三时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第三时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第三时刻地球固联坐标系矢量；

步骤五，获取第五差值，所述第五差值为第二时刻地球固联坐标系矢量和第一时刻地球固联坐标系矢量之差；

获取第六差值，所述第六差值为第三时刻地球固联坐标系矢量和第二时刻地球固联坐标系矢量之差；

步骤六，所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量的方向矢量为所述第五差值与所述第六差值的叉乘。

6.如权利要求5所述的星敏感器与磁强计相对标定方法，其特征在于，获取所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量还包括：

步骤一，调整所述刚性结构的位置后，所述星敏感器输出在第四时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第四时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤二，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台，所述星敏感器输出在第五时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第五时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤三，围绕所述第二转轴旋转所述无磁转台，所述星敏感器输出在第六时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，计算第六时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵；

步骤四，在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第四时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第四时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第四时刻地球固联坐标系矢量；

在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第五时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第五时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第五时刻地球固联坐标系矢量；

在星敏感器坐标系下，选取已知常矢量，计算所述已知常矢量、第六时刻的星敏感器坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵，以及第六时刻的所述惯性坐标系与地球固联坐标系间的转换矩阵的乘积，得到第六时刻地球固联坐标系矢量；

步骤五，获取第七差值，所述第七差值为第五时刻地球固联坐标系矢量和第四时刻地球固联坐标系矢量之差；

获取第八差值，所述第八差值为第六时刻地球固联坐标系矢量和第五时刻地球固联坐标系矢量之差；

步骤六，所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量的方向矢量为所述第七差值与所述第八差值的叉乘。

7.如权利要求6所述的星敏感器与磁强计相对标定方法，其特征在于，所述已知常矢量与所述地磁矢量与所述第一转轴的方向相异，所述已知常矢量与所述地磁矢量与所述第二转轴的方向相异。

8.如权利要求6所述的星敏感器与磁强计相对标定方法，其特征在于，所述第一转轴和所述第二转轴的夹角为50°～130°，围绕所述第一转轴或所述第二转轴旋转所述无磁转台时，每次旋转的角度为60°～150°。

9.如权利要求6所述的星敏感器与磁强计相对标定方法，其特征在于，所述第一时刻、第二时刻、第三时刻、第四时刻、第五时刻和第六时刻以GPS时间作为时间基准，通过秒脉冲将所述星敏感器与所述磁强计的时间系统进行对准。

10.如权利要求1所述的星敏感器与磁强计相对标定方法，其特征在于，所述磁强计坐标系和所述星敏感器坐标系均为正交坐标系。

11.一种星敏感器与磁强计相对标定系统，其特征在于，星敏感器与磁强计相对标定系统包括星敏感器、磁强计、刚性结构、无磁转台和地面检测终端，其中：

所述星敏感器和所述磁强计固定于所述刚性结构上；

所述刚性结构固定安装在所述无磁转台上；

所述刚性结构围绕所述无磁转台的第一转轴进行转动；

所述磁强计获取所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量；所述星敏感器获取所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量；

所述刚性结构围绕所述无磁转台的第二转轴进行转动；

所述磁强计获取所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量；所述星敏感器获取所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量；

所述地面检测终端根据所述磁强计坐标系下的第一转轴矢量、所述磁强计坐标系下的第二转轴矢量、所述星敏感器坐标系下的第一转轴矢量和所述星敏感器坐标系下的第二转轴矢量进行双矢量定姿，确定所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵；

所述地面检测终端将所述磁强计坐标系与所述星敏感器坐标系的转换矩阵发送至所述卫星后，所述刚性结构从所述无磁转台下拆除，安装于卫星上。