CN111006689A - 一种观星试验装置及误差测量方法 - Google Patents

一种观星试验装置及误差测量方法 Download PDF

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金荷
毛晓楠
李新鹏
周琦
武斌
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Abstract

本发明公开了一种观星试验装置及误差测量方法，其包含：观星试验工装；待测星敏感器，安装在观星试验工装上，所述待测星敏感器设有第一棱镜；标准星敏感器，安装在观星试验工装上，所述标准星敏感器设有第二棱镜；线路盒，包含时钟卡与串口数据通讯卡；所述待测星敏感器和标准星敏感器分别与线路盒中的时钟卡以及串口数据通讯卡连接。本发明由观星数据推导出两个坐标系的偏差，通过测量星敏感器棱镜坐标系与测量坐标系的相对关系补偿星敏感器偏置误差。本发明通过处理观星数据能够较直观地得到棱镜坐标系与测量坐标系的偏差，可以对传统方法得到的棱镜测量误差进行验证，指导星敏感器的安装和使用。

Description

一种观星试验装置及误差测量方法
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种观星试验装置及误差测量方法。
背景技术
星敏感器是当前精度最高的姿态敏感器，在卫星姿态确定中被广泛运用。星敏感器棱镜坐标系表征星敏感器测量坐标系，是星敏感器在卫星上安装的依据，两个坐标系间的偏差在使用时可能导致姿态偏置，所以在使用之前评估两者的偏差十分重要。
星敏感器的棱镜表征了星敏感器测量坐标系的方向，用于指导星敏感器的安装。但是棱镜坐标系与测量坐标系存在一定程度的偏差，容易造成姿态偏置。传统的方法是使用自准直仪进行测量，但是该测量还需要借助转台以及单星模拟器，而且准确度难以得到直观的验证。
发明内容
本发明的目的是提供一个观星试验装置以及相应的数据处理方法，由观星数据推导出两个坐标系的偏差，通过测量星敏感器棱镜坐标系与测量坐标系的相对关系补偿星敏感器偏置误差。
为了达到上述目的，
第一方面，本发明提供了一种观星试验装置，其包含：
观星试验工装；
待测星敏感器，安装在观星试验工装上，所述待测星敏感器设有第一棱镜；
标准星敏感器，安装在观星试验工装上，所述标准星敏感器设有第二棱镜；
线路盒，包含时钟卡与串口数据通讯卡；所述待测星敏感器和标准星敏感器分别与线路盒中的时钟卡以及串口数据通讯卡连接。
较佳地，所述时钟卡与串口数据通讯卡通过电缆与线路盒连接。
较佳地，所述时钟卡同时向待测星敏感器和标准星敏感器分别提供两路同源的脉冲信号。
较佳地，所述串口数据通讯卡同时采集待测星敏感器和标准星敏感器的测量数据，并且同时向待测星敏感器和标准星敏感器发送绝对时间。
第二方面，本发明提供了一种观星试验装置的偏置误差测量方法，该方法包含如下步骤：
S1，在观星试验工装上安装待测星敏感器；所述待测星敏感器设有第一棱镜；在观星试验工装上安装标准星敏感器；所述标准星敏感器设有第二棱镜；
S2，利用自准直仪，测量第一棱镜与第二棱镜之间的姿态四元数偏差qiA→iB；
S3，将时钟卡和串口数据通讯卡通过电缆连接到测试线路盒上；
S4，待测星敏感器与标准星敏感器分别与时钟卡以及串口数据通讯卡连接；
S5，时钟卡分别给待测星敏感器与标准星敏感器提供同源的脉冲信号；
S6，串口数据通讯卡同时采集待测星敏感器和标准星敏感器的测量数据，并且同时向待测星敏感器和标准星敏感器发送绝对时间；
S7，将观星试验装置放置在星空下；对两个星敏感器同时进行观星试验，待测星敏感器输出其相对于惯性坐标系的姿态四元数序列QA→S，标准星敏感器输出其相对于惯性坐标系的姿态四元数序列QB→S；
S8，串口数据通讯卡采集QA→S和QB→S，并按照如下进行数据处理：
由公式(1)求出待测星敏感器的棱镜坐标系到测量坐标系的偏差四元数序列QiA→A
Figure BDA0002268477280000021
将待测星敏感器的棱镜坐标系到测量坐标系的偏差四元数序列按照公式(2)转化为三轴欧拉角序列XiA→A，YiA→A，ZiA→A：
Figure BDA0002268477280000031
其中，Q4为四元数序列QiA→A的标部序列，[Q1,Q2,Q3]为四元数序列QiA→A的矢部序列；
由公式(3)对三轴欧拉角序列XiA→A，YiA→A，ZiA→A取平均值估计待测星敏感器棱镜坐标系到测量坐标系的三轴偏差
Figure BDA0002268477280000032
Figure BDA0002268477280000033
Figure BDA0002268477280000034
Figure BDA0002268477280000035
其中，mean(XiA→A)，mean(YiA→A)，mean(ZiA→A)是待测星敏感器棱镜测量误差与其他误差的叠加值，
Figure BDA0002268477280000036
为待测星敏感器棱镜坐标系到测量坐标系的三轴偏差平均值。
较佳地，当第一棱镜与第二棱镜相对关系qiA→iB的测量误差不可忽视时，则由式(4)补偿该误差：
Figure BDA0002268477280000037
Figure BDA0002268477280000038
Figure BDA0002268477280000039
其中，Error_xiA→iB，Error_yiA→iB，Error_ziA→iB是第一棱镜与第二棱镜相对关系qiA→iB的测量误差。
本发明取得如下有益效果：
本发明提供的一种基于观星试验的星敏感器偏置误差测量方法，由观星数据推导出两个坐标系的偏差，通过测量星敏感器棱镜坐标系与测量坐标系的相对关系补偿星敏感器偏置误差。本发明通过处理观星数据能够较直观地得到棱镜坐标系与测量坐标系的偏差，可以对传统方法得到的棱镜测量误差进行验证，指导星敏感器的安装和使用。
附图说明
图1为本发明的观星试验装置的安装示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种观星试验装置，如图1所示，所述观星试验装置包含：
观星试验工装，所述观星试验工装可以安装两个星敏感器；
待测星敏感器(星敏感器A)，所述待测星敏感器设有第一棱镜(棱镜A)；
标准星敏感器(星敏感器B)，所述标准星敏感器设有第二棱镜(棱镜B)，所述标准星敏感器的棱镜坐标系与测量坐标系一致性较高；
线路盒，所述线路盒包含时钟卡与串口数据通讯卡，时钟卡与串口数据通讯卡通过电缆与线路盒连接，所述线路盒可以提供时钟信号并且进行数据通讯。
具体地，当需要对待测星敏感器进行测量时，将待测星敏感器和标准星敏感器均安装在所述工装上，并且分别与线路盒连接。线路盒中的时钟卡同时向待测星敏感器和标准星敏感器提供两路同源的脉冲信号，串口数据通讯卡同时采集待测星敏感器和标准星敏感器的测量数据，并且同时向待测星敏感器和标准星敏感器发送绝对时间，保证了同时向待测星敏感器和标准星敏感器的时间基准一致。
另一方面，本发明还提供了一种基于观星试验装置的星敏感器偏置误差测量方法，该方法包含如下步骤：
在本发明中，标准星敏感器的棱镜坐标系与测量坐标系的一致性很高，误差可以忽略，即qiB→S＝qB→S，其中qiB→S为标准星敏感器中的标准星敏感器的棱镜坐标系到惯性坐标系的姿态四元数，qB→S为标准星敏感器中的标准星敏感器的测量坐标系到惯性坐标系的姿态四元数。
对星敏感器安装完毕之后，本发明对观星试验装置进行观星试验。试验前先利用自准直仪测量出第一棱镜与第二棱镜之间的姿态四元数偏差qiA→iB。
对两个待测星敏感器和B同时进行观星试验，待测星敏感器输出四元数为待测星敏感器相对于惯性坐标系的姿态四元数QA→S，标准星敏感器输出四元数为标准星敏感器相对于惯性坐标系的输出四元数QB→S。通过计算这两组输出四元数的偏差，估计待测星敏感器的棱镜坐标系与测量坐标系之间的偏差xiA→A，yiA→A，ziA→A。
数据处理部分分为以下三步：
第一步，求出反映待测星敏感器第一棱镜与待测星敏感器测量坐标系偏差的四元数序列QiA→A，再将其化为三轴欧拉角序列XiA→A，YiA→A，ZiA→A；
第二步，分别求三轴欧拉角的均值
Figure BDA0002268477280000051
第三步，补偿待测星敏感器与标准星敏感器之间棱镜关系测量的误差。
具体地，根据以上两组输出四元数序列QA→S和QB→S以及事先测出的两个棱镜之间的姿态四元数偏差qiA→iB，求出一组反映待测星敏感器的棱镜测量误差的四元数序列QiA→A。
具体地，由公式(1)求出待测星敏感器棱镜坐标系到测量坐标系的偏差四元数序列QiA→A；
Figure BDA0002268477280000052
再将偏差四元数序列QiA→A化为三轴欧拉角序列XiA→A，YiA→A，ZiA→A，由于姿态偏差较小，偏差四元数序列QiA→A转化为三轴欧拉角的公式可简化为公式(2)，其中，Q4为四元数序列QiA→A的标部序列，[Q1,Q2,Q3]为四元数序列QiA→A的矢部序列。
Figure BDA0002268477280000053
公式(2)得出的数据中不可避免的受到测量噪声的影响，按照公式(3)取该数据的平均值估计棱镜测量误差：
Figure BDA0002268477280000061
Figure BDA0002268477280000062
Figure BDA0002268477280000063
其中，mean(XiA→A)，mean(YiA→A)，mean(ZiA→A)是待测星敏感器棱镜测量误差与其他误差的叠加值，
Figure BDA0002268477280000064
为待测星敏感器棱镜坐标系到测量坐标系的三轴偏差平均值；
以上的算法均假设其他误差不存在或可以忽略，如果存在其他误差，则按照公式(4)求出棱镜测量误差
Figure BDA0002268477280000065
Figure BDA0002268477280000066
其中，Error_xiA→iB，Error_yiA→iB，Error_ziA→iB是第一棱镜与第二棱镜相对关系qiA→iB的测量误差。
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 (6)

1.一种观星试验装置，其特征在于，包含：
观星试验工装；
待测星敏感器，安装在观星试验工装上，所述待测星敏感器设有第一棱镜；
标准星敏感器，安装在观星试验工装上，所述标准星敏感器设有第二棱镜；
线路盒，包含时钟卡与串口数据通讯卡；所述待测星敏感器和标准星敏感器分别与线路盒中的时钟卡以及串口数据通讯卡连接。
2.如权利要求1所述的观星试验装置，其特征在于，所述时钟卡与串口数据通讯卡通过电缆与线路盒连接。
3.如权利要求1所述的观星试验装置，其特征在于，所述时钟卡同时向待测星敏感器和标准星敏感器分别提供两路同源的脉冲信号。
4.如权利要求1所述的观星试验装置，其特征在于，所述串口数据通讯卡同时采集待测星敏感器和标准星敏感器的测量数据，并且同时向待测星敏感器和标准星敏感器发送绝对时间。
5.一种采用如权利要求1～4中任一项所述的观星试验装置的偏置误差测量方法，该方法包含如下步骤：
S1，在观星试验工装上安装待测星敏感器；所述待测星敏感器设有第一棱镜；在观星试验工装上安装标准星敏感器；所述标准星敏感器设有第二棱镜；
S2，利用自准直仪，测量第一棱镜与第二棱镜之间的姿态四元数偏差qiA→iB；
S3，将时钟卡和串口数据通讯卡通过电缆连接到测试线路盒上；
S4，待测星敏感器与标准星敏感器分别与时钟卡以及串口数据通讯卡连接；
S5，时钟卡分别给待测星敏感器与标准星敏感器提供同源的脉冲信号；
S6，串口数据通讯卡同时采集待测星敏感器和标准星敏感器的测量数据，并且同时向待测星敏感器和标准星敏感器发送绝对时间；
S7，将观星试验装置放置在星空下；对两个星敏感器同时进行观星试验，待测星敏感器输出其相对于惯性坐标系的姿态四元数序列QA→S，标准星敏感器输出其相对于惯性坐标系的姿态四元数序列QB→S；
S8，串口数据通讯卡采集QA→S和QB→S，并按照如下进行数据处理：
由公式(1)求出待测星敏感器的棱镜坐标系到测量坐标系的偏差四元数序列QiA→A：
Figure FDA0002268477270000021
将待测星敏感器的棱镜坐标系到测量坐标系的偏差四元数序列QiA→A按照公式(2)转化为三轴欧拉角序列XiA→A，YiA→A，ZiA→A：
Figure FDA0002268477270000022
其中，Q4为四元数序列QiA→A的标部序列，[Q1,Q2,Q3]为四元数序列QiA→A的矢部序列；
由公式(3)对三轴欧拉角序列XiA→A，YiA→A，ZiA→A取平均值估计待测星敏感器棱镜坐标系到测量坐标系的三轴偏差
Figure FDA0002268477270000023
Figure FDA0002268477270000024
Figure FDA0002268477270000025
Figure FDA0002268477270000026
其中，
Figure FDA0002268477270000027
为待测星敏感器棱镜坐标系到测量坐标系的三轴偏差平均值，mean(XiA→A)，mean(YiA→A)，mean(ZiA→A)是待测星敏感器棱镜测量误差与其他误差的叠加值。
6.如权利要求5所述的观星试验装置的偏置误差测量方法，当第一棱镜与第二棱镜之间的姿态四元数偏差qiA→iB的测量误差不可忽视时，则由式(4)补偿：
Figure FDA0002268477270000031
Figure FDA0002268477270000032
Figure FDA0002268477270000033
其中，Error_xiA→iB，Error_yiA→iB，Error_ziA→iB是第一棱镜与第二棱镜之间的姿态四元数偏差qiA→iB的测量误差。
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