CN111207772B - 一种多头星敏感器光路和极性的测试方法 - Google Patents

一种多头星敏感器光路和极性的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了多头星敏感器光路和极性的测试方法，包括以下步骤：S1、测试前相关测试设备状态设置工作；S2、星敏线路盒A、B分别当班工作时，记录星敏感器不同工况下的星敏测量四元数及星敏融合四元数；S3、根据星敏测量四元数，得到不同工况下星敏感器绕不同转轴的转角，检测星敏感器的光路功能和单机极性；S4、根据不同工况下的星敏测量四元数与星敏融合四元数，解算出各星敏感器的位置安装信息；S5、按照步骤S1至S4对其余多头星敏感器进行光路和极性的检测。本发明能够方便准确地对多头星敏感器光路功能和单机极性进行测试，同时检验了星敏线路盒及星敏软件的工作性能，确保在整星研制不同阶段中对多头星敏感器产品性能进行全面检测。

Description

一种多头星敏感器光路和极性的测试方法
技术领域
本发明涉及航空航天检测技术领域，具体地，涉及一种多头星敏感器光路和极性的测试方法。
背景技术
星敏感器是一种高精度的姿态敏感测量仪器，它通过成像系统对星空成像，测量恒星矢量在星敏感器坐标系中的分量，并利用已知的恒星精确位置来确定卫星相对于惯性坐标系的三轴姿态。而近年来多头星敏感器的应用，极大的提高了卫星观测精度，尤其是高精度遥感卫星的发展，对多头星敏感器的测量及其融合定姿精度更是提出了严格的要求。单个星敏感器在姿态测量时，其绕光轴方向的测量精度较差，而多头星敏感器基于双矢量定姿原理，采用2个或2个以上星敏测量信息，可将测量精度提高6倍以上，同时保证了星敏感器的冗余备份。其次，为了确保多头星敏感器的测量时间同步性，共用同一个星敏线路盒当班。而当多头星敏感器的某个星敏感器光路或单机极性出现异常时，其输出的姿态测量值将导致卫星执行机构做出错误的机动，可能会对卫星造成致命性损坏。
为了保证星敏感器在卫星上正常工作，需要在星敏感器产品的交付、运输后装星、整星测试、靶场测试等重要研制流程节点上，对多头星敏感器的光路功能和单机极性、星敏软件中安装矩阵装订等进行检测，保证星敏感器、星敏线路盒、星敏软件等产品寿命的可靠性、工作性能的完整性。现有的关于星敏极性的研究，只针对星敏单机级产品使用，无法在整星上使用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多头星敏感器光路和极性的测试方法。
根据本发明提供的一种多头星敏感器光路和极性的测试方法，包括以下步骤：
S1、测试前相关测试设备状态设置工作，包括星敏感器探头保护罩拆除、安装星敏探头结构、将静态星模拟器上的MARKⅠ标记与星敏感器遮光罩上的刻线对准并安装静态星模拟器；
S2、星敏线路盒A、B分别当班工作时，记录星敏感器不同工况下Pattern1、Pattern2和Pattern3的星敏测量四元数及星敏融合四元数；
S3、根据记录的星敏测量四元数，基于四元数与欧拉角的关系，得到不同工况下星敏感器绕不同转轴的转角，检测星敏感器的光路功能和单机极性；
S4、根据步骤S2记录的不同工况下的星敏测量四元数与星敏融合四元数，解算出各星敏感器的位置安装信息，检测星敏软件安装矩阵装订的正确性；
S5、按照步骤S1至S4对其余多头星敏感器进行光路功能和单机极性的检测，确保多头星敏感器的整体工作性能。
进一步地，步骤S2中，星敏测量四元数及星敏融合四元数的获取方法为：
当星敏线路盒A当班工作时，
S21、设置静态星模拟器状态为Pattern1，并使星敏软件进入AOM/姿态捕获模式，记录星敏测量四元数及星敏融合四元数分别为QAP1、QAR1；
S22、设置静态星模拟器状态为Pattern2，并使星敏软件进入AOM/姿态捕获模式，记录星敏测量四元数及星敏融合四元数分别为QAP2、QAR2；
S23、将静态星模拟器旋转至MARKⅡ标记，设置静态星模拟器状态为Pattern3，并使星敏软件进入AOM/姿态捕获模式，记录星敏测量四元数及星敏融合四元数分别为QAP3、QAR3；
当星敏线路盒B当班工作时，按照步骤S21、步骤S22、步骤S23，分别记录星敏测量四元数及星敏融合四元数在Pattern1状态下的值QBP1、QBR1；Pattern2状态下的值QBP2、QBR2；Pattrne3状态下的值QBP3、QBR3。
进一步地，在不同状态下静态星模拟器包含的星点均为惯性系下的已知星图，其对应四元数均为理论已知。即星敏感器识别的Pattern1星图为初始状态，其对应的理论四元数为QP1，Pattern1到Pattern2的转换关系等同于分别绕初始欧拉角的X轴、Y轴转动，其理论转动角度
Figure BDA0002366699210000023
θ已知，Pattern2对应的理论四元数为QP2；Pattern1到Pattern3的转换关系等同于绕初始欧拉角的Z轴转动，其理论转动角度ψ已知，Pattern3对应的理论四元数为QP3。
进一步地，步骤S3中，利用不同试验工况记录的星敏测量四元数，基于四元数与欧拉角的转换关系，分别解算出Pattern1到Pattern2的X轴转角
Figure BDA0002366699210000024
Y轴转角θ，Pattern1到Pattern3的Z轴转角ψ，并与理论欧拉角进行符号、数值对比，检测星敏感器光路极性的正确性，通过对比星敏线路盒A、B各自当班状态下的试验结果，检测星敏线路盒A、B工作性能的完整性、一致性。
进一步地，步骤S3中，当星敏线路盒A当班工作时，
Pattern1到Pattern2的X轴转角
Figure BDA0002366699210000033
Y轴转角θ的解算方法如下：
S31、根据星敏感器不同工况下Pattern1、Pattern2的星敏测量四元数QAP1和QAP2解算出Pattern1机动到Pattern2的姿态四元数Q21；
S32、将姿态四元数Q21归一化处理，得到归一化四元数
Figure BDA0002366699210000031
S33、根据归一化后的姿态四元数
Figure BDA0002366699210000032
计算由Pattern1机动到Pattern2的姿态转换矩阵R21；
S34、由四元数与欧拉角的转换关系，计算得到从Pattern1到Pattern2的X轴转角
Figure BDA0002366699210000036
Y轴转角θ；
同理，按照上述方法，根据星敏感器不同工况下Pattern1、Pattern3的星敏测量四元数QAP1和QAP3解算出Pattern1机动到Pattern3的姿态转换矩阵R31，并得到Pattern1到Pattern3的Z轴转角ψ。
进一步地，步骤S3中，当星敏线路盒B当班工作时，Pattern1到Pattern2的X轴转角
Figure BDA0002366699210000037
Y轴转角θ的解算方法，Pattern1机动到Pattern3的Z轴转角ψ的解算方法与星敏线路盒A当班工作时的解算方法相同。
进一步地，步骤S4中，不同工况下所得到的星敏融合四元数是基于多头星敏感器测量四元数融合而成的数据，包含了各星敏感器的安装位置信息，通过解算各星敏感器的测量四元数与融合四元数的转换矩阵，来检验星敏软件中各星敏安装矩阵装订的正确性。
进一步地，步骤S4中，当星敏线路盒A当班时，Pattern1模式下星敏感器的测量四元数QAP1与融合四元数QAR1的位置转换矩阵RAcr1的解算方法如下：
S41、将记录的星敏测量四元数及星敏融合四元数QAP1、QAR1转换为姿态矩阵RAP1、RAR1；
S42、根据测量四元数与融合四元数得出的姿态矩阵RAP1、RAR1，解算位置转换矩阵RAcr1；
同理，按照上述方法，根据星敏感器不同工况下Pattern2、Pattern3的星敏测量四元数和星敏融合四元数解算出位置转换矩阵RAcr2和RAcr3。
进一步地，步骤S4中，当星敏线路盒B当班时，Pattern1、Pattern2、Pattern3模式下星敏感器的星敏测量四元数与星敏融合四元数位置转换矩阵的解算方法与星敏线路盒A当班工作时的解算方法相同。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明多头星敏感器光路和极性的测试方法，能够方便准确地对多头星敏感器的光路功能和单机极性、星敏软件安装矩阵装订，以及星敏线路盒的工作状态等进行检测。
2、本发明多头星敏感器光路和极性的测试方法，所涉及的检测时机，贯穿整个卫星的研制流程，不仅可以用在星敏感器整星测试过程中，也可以用在单机级、系统机的测试过程，可准确评估星敏感器及其相关产品在整星研制不同阶段的工作性能。
3、本发明多头星敏感器光路和极性的测试方法，所需的测试设备简单，测试方法简便，可有效地检测出多头星敏感器的光路极性、星敏软件安装矩阵装订等信息。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明多头星敏感器光路和极性的测试方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明利用多头星敏感器对静态星模拟器的星图识别功能，通过设置静态星模拟器的不同工作状态，模拟在轨真实星图中恒星分布特性、亮度，根据不同工况下得到的测量四元数解算对应的欧拉角变化，能够描述物理上转动光星模的方式，从而检测出星敏感器光路极性的正确性。同时，通过解算星敏测量四元数与星敏融合四元数的转换关系，并与理论设计值对比，可检测出各星敏感器的位置安装矩阵在星敏软件中装订正确性。本方法所需的测试设备简单，测试方法简便，可有效地检测出多头星敏感器的光路极性、星敏软件安装矩阵装订等信息。
如图1所示，一种多头星敏感器光路和极性的测试方法，包括以下步骤：
S1、测试前相关测试设备状态设置工作，包括星敏感器探头保护罩拆除、安装星敏探头结构、将静态星模拟器上的MARKⅠ标记与星敏感器遮光罩上的刻线对准并安装静态星模拟器；
S2、星敏线路盒A、B分别当班工作时，记录星敏感器不同工况下Pattern1、Pattern2和Pattern3的星敏测量四元数及星敏融合四元数；
S3、根据记录的星敏测量四元数，得到不同工况下星敏感器绕不同转轴的转角，检测星敏感器的光路功能和单机极性；
S4、根据步骤S2记录的不同工况下的星敏测量四元数与星敏融合四元数，解算出各星敏感器的位置安装信息，检测星敏软件安装矩阵装订的正确性；
S5、按照步骤S1至S4对其余多头星敏感器进行光路功能和单机极性的检测。
测试步骤首先以多头星敏感器的其中一个星敏感器OH-1为试验体，按照步骤S1至S4的工作流程，完成相应工况的试验。
步骤S2具体包括以下步骤：
当星敏线路盒A当班工作时，
S21、设置静态星模拟器状态为Pattern1，并使星敏软件进入AOM/姿态捕获模式，记录星敏测量四元数QAP1及星敏融合四元数分别为QAP1；
S22、设置静态星模拟器状态为Pattern2，并使星敏软件进入AOM/姿态捕获模式，记录星敏测量四元数QAP2及星敏融合四元数QAR2；
S23、将静态星模拟器旋转至MARKⅡ标记，设置静态星模拟器状态为Pattern3，并使星敏软件进入AOM/姿态捕获模式，记录星敏测量四元数QAP3及星敏融合四元数QAR3；
当星敏线路盒B当班工作时，按照步骤S21、步骤S22、步骤S23，分别记录星敏测量四元数及星敏融合四元数在Pattern1状态下的值QBP1、QBR1；Pattern2状态下的值QBP2、QBR2；Pattrne3状态下的值QBP3、QBR3。
本发明测试方法在不同状态下静态星模拟器包含的星点均为惯性系下的已知星图，其对应四元数均为理论已知。即星敏感器识别的Pattern1星图为初始状态，其对应的理论四元数为QP1，Pattern1到Pattern2的转换关系等同于分别绕初始欧拉角的X轴、Y轴转动，其理论转动角度
Figure BDA0002366699210000051
θ＝-5.5°，Pattern2对应的理论四元数为QP2；Pattern1到Pattern3的转换关系等同于绕初始欧拉角的Z轴转动，其理论转动角度ψ＝-45°，Pattern3对应的理论四元数为QP3。
步骤S3中，利用不同试验工况记录的星敏测量四元数，基于四元数与欧拉角的转换关系，分别解算出Pattern1到Pattern2的X轴转角
Figure BDA0002366699210000065
Y轴转角θ，Pattern1到Pattern3的Z轴转角ψ。
具体计算方法如下：
S31，当星敏线路盒A当班工作时，根据星敏感器不同工况下Pattern1、Pattern2的星敏测量四元数QAP1和QAP2解算出Pattern1机动到Pattern2的姿态四元数Q21；各元素计算方法如公式(1)所示：
Figure BDA0002366699210000061
S32，将姿态四元数Q21归一化处理，得到归一化四元数
Figure BDA0002366699210000062
计算方法如公式(2)所示：
Figure BDA0002366699210000063
S33、根据归一化后的姿态四元数
Figure BDA0002366699210000064
计算由Pattern1机动到Pattern2的姿态转换矩阵R21；其计算方法如公式(3)所示：
Figure BDA0002366699210000071
S34、由四元数与欧拉角的转换关系，可得到从Pattern1到Pattern2的欧拉转角
Figure BDA0002366699210000076
θ；其计算方法如公式(4)所示：
Figure BDA0002366699210000072
同理，按照上述方法，根据星敏感器不同工况下Pattern1、Pattern3的星敏测量四元数QAP1和QAP3解算出Pattern1机动到Pattern3的姿态转换矩阵R31，并得到Pattern1到Pattern3的Z轴转角ψ，其计算方法如公式(5)所示：
Figure BDA0002366699210000073
将以上计算出的欧拉角与理论欧拉角进行符号、数值对比，以便检测星敏感器的光路极性。同理，当星敏线路盒B当班工作时，按照上述方法，解算出Pattern1到Pattern2的X轴转角
Figure BDA0002366699210000077
Y轴转角θ，Pattern1机动到Pattern3的Z轴转角ψ。测试结果如下：
表1星敏感器OH-1试验数据
Figure BDA0002366699210000081
表2星敏感器OH-1光路极性测试结果
Figure BDA0002366699210000082
通过对比星敏线路盒A、B各自当班状态下的试验结果，可知：(1)星敏感器OH-1在星敏线路盒A、B当班状态下的测试结果一致；(2)在静态星模拟器各状态(Pattern1、Pattern2、Pattern3)下的测量四元数与其对应的理论四元数误差较小；(3)各测试模式下，其欧拉转角的符号、数值，与理论转角一致，误差较小。
综上可知，星敏感器OH-1的光路极性正确。
步骤S4中，不同工况下所得到的星敏融合四元数是基于多头星敏感器测量四元数融合而成的数据，包含了各星敏感器的安装位置信息，通过解算各星敏感器的测量四元数与融合四元数的转换矩阵，来检验星敏软件中各星敏安装矩阵装订的正确性。
以星敏感器OH-1为例，当星敏线路盒A当班时，解算Pattern1模式下星敏感器的测量四元数QAP1与融合四元数QAR1的位置转换矩阵RAcr1。
具体方法如下：
S41、将记录的星敏测量四元数及星敏融合四元数QAP1、QAR1转换为姿态矩阵RAP1、RAR1；其计算方法如公式(6)所示：
Figure BDA0002366699210000091
同样可计算得到RAR1；
S42、根据测量四元数与融合四元数得出的姿态矩阵RAP1、RAR1，解算位置转换矩阵RAcr1；其计算方法如公式(7)所示：
RAcr1＝RAR1*(RAP1)-1……(7)。
同理，按照上述方法，根据星敏感器不同工况下Pattern2、Pattern3的星敏测量四元数和星敏融合四元数解算出位置转换矩阵RAcr2和RAcr3。
同理，当星敏线路盒B当班时，按照上述方法可以解算出Pattern1、Pattern2、Pattern3模式下星敏感器的星敏测量四元数与星敏融合四元数位置转换矩阵。其结果如下表所示：
表3星敏感器OH-1安装极性测试结果
Figure BDA0002366699210000092
通过对比星敏线路盒A、B当班状态下不同模式的试验结果，可知：(1)星敏感器OH-1在星敏线路盒A、B当班状态下的测试结果一致；(2)不同静态星模拟器状态下，测量四元数与融合四元数解算出的位置转换矩阵中，其各元素符号相同、数值近似。
综上可知，星敏感器OH-1的安装矩阵在星敏软件中装订正确。
步骤S5中，按照步骤S1至步骤S4的试验流程，对多头星敏感器的OH-2、OH-3进行不同工况下的光路和极性检测。其结果如下：
表4星敏感器OH-2、OH-3光路极性测试结果
Figure BDA0002366699210000101
表5星敏感器OH-2安装极性测试结果
Figure BDA0002366699210000102
表6星敏感器OH-3安装极性测试结果
Figure BDA0002366699210000111
结合以上试验数据及测试结果可知，多头星敏感器(OH-1、OH-2、OH-3)的光路和极性正确，各星敏感器的安装极性正确，星敏线路盒A、B性能一致，工作正常。
综上所述，本发明能够方便准确地对多头星敏感器光路和极性、星敏软件以及星敏线路盒的工作状态等进行检测。本方法所涉及的检测时机，贯穿整个卫星的研制流程，不仅可以用在星敏感器整星测试过程中，也可以用在单机级、系统机的测试过程，可准确评估星敏感器及其相关产品在不同阶段的工作性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种多头星敏感器光路和极性的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测试前相关测试设备状态设置工作，包括星敏感器探头保护罩拆除、安装星敏探头结构、将静态星模拟器上的MARK I标记与星敏感器遮光罩上的刻线对准并安装静态星模拟器；
S2、星敏线路盒A、B分别当班工作时，记录星敏感器不同工况下Pattern1、Pattern2和Pattern3的星敏测量四元数及星敏融合四元数；
S3、根据记录的星敏测量四元数，得到不同工况下星敏感器绕不同转轴的转角，检测星敏感器的光路功能和单机极性；
S4、根据步骤S2记录的不同工况下的星敏测量四元数与星敏融合四元数，解算出各星敏感器的位置安装信息，检测星敏软件安装矩阵装订的正确性；
不同工况下所得到的星敏融合四元数是基于多头星敏感器测量四元数融合而成的数据，包含了各星敏感器的安装位置信息，通过解算各星敏感器的测量四元数与融合四元数的转换矩阵，来检验星敏软件中各星敏安装矩阵装订的正确性；
当星敏线路盒A当班时，Pattern1模式下星敏感器的测量四元数QAP1与融合四元数QAR1的位置转换矩阵RAcr1的解算方法如下：
S41、将记录的星敏测量四元数及星敏融合四元数QAP1、QAR1转换为姿态矩阵RAP1、RAR1；
S42、根据测量四元数与融合四元数得出的姿态矩阵RAP1、RAR1，解算位置转换矩阵RAcr1；其计算方法如公式(7)所示：RAcr1＝RAR1*(RAP1)-1……(7)
同理，按照上述方法，根据星敏感器不同工况下Pattern2、Pattern3的星敏测量四元数和星敏融合四元数解算出位置转换矩阵RAcr2和RAcr3；
S5、按照步骤S1至S4对其余多头星敏感器进行光路功能和单机极性的检测。
2.根据权利要求1所述的一种多头星敏感器光路和极性的测试方法，其特征在于，步骤S2中，星敏测量四元数及星敏融合四元数的获取方法为：
当星敏线路盒A当班工作时，
S21、设置静态星模拟器状态为Pattern1，并使星敏软件进入AOM/姿态捕获模式，记录星敏测量四元数及星敏融合四元数分别为QAP1、QAR1；
S22、设置静态星模拟器状态为Pattern2，并使星敏软件进入AOM/姿态捕获模式，记录星敏测量四元数及星敏融合四元数分别为QAP2、QAR2；
S23、将静态星模拟器旋转至MARKII标记，设置静态星模拟器状态为Pattern3，并使星敏软件进入AOM/姿态捕获模式，记录星敏测量四元数及星敏融合四元数分别为QAP3、QAR3；
当星敏线路盒B当班工作时，按照步骤S21、步骤S22、步骤S23，分别记录星敏测量四元数及星敏融合四元数在Pattern1状态下的值QBP1、QBR1；Pattern2状态下的值QBP2、QBR2；Pattrne3状态下的值QBP3、QBR3。
3.根据权利要求2所述的一种多头星敏感器光路和极性的测试方法，其特征在于，在不同状态下静态星模拟器包含的星点均为惯性系下的已知星图，即星敏感器识别的Pattern1星图为初始状态，其对应的理论四元数为QP1，Pattern1到Pattern2的转换关系等同于分别绕初始欧拉角的X轴、Y轴转动，其理论转动角度
Figure FDA0003087958810000021
θ已知，Pattern2对应的理论四元数为QP2；Pattern1到Pattern3的转换关系等同于绕初始欧拉角的Z轴转动，其理论转动角度ψ已知，Pattern3对应的理论四元数为QP3。
4.根据权利要求1所述的一种多头星敏感器光路和极性的测试方法，其特征在于，步骤S3中，利用不同试验工况记录的星敏测量四元数，基于四元数与欧拉角的转换关系，分别解算出Pattern1到Pattern2的X轴转角
Figure FDA0003087958810000022
Y轴转角θ，Pattern1到Pattern3的Z轴转角ψ，并与理论欧拉角进行符号、数值对比，检测星敏感器光路极性的正确性，通过对比星敏线路盒A、B各自当班状态下的试验结果，检测星敏线路盒A、B工作性能的完整性、一致性。
5.根据权利要求4所述的一种多头星敏感器光路和极性的测试方法，其特征在于，步骤S3中，当星敏线路盒A当班工作时，
Pattern1到Pattern2的X轴转角
Figure FDA0003087958810000023
Y轴转角θ的解算方法如下：
S31、根据星敏感器不同工况下Pattern1、Pattern2的星敏测量四元数QAP1和QAP2解算出Pattern1机动到Pattern2的姿态四元数Q21；
S32、将姿态四元数Q21归一化处理，得到归一化四元数
Figure FDA0003087958810000024
S33、根据归一化后的姿态四元数
Figure FDA0003087958810000025
计算由Pattern1机动到Pattern2的姿态转换矩阵R21；
S34、由四元数与欧拉角的转换关系，计算得到从Pattern1到Pattern2的X轴转角
Figure FDA0003087958810000026
Y轴转角θ；
同理，按照上述方法，根据星敏感器不同工况下Pattern1、Pattern3的星敏测量四元数QAP1和QAP3解算出Pattern1机动到Pattern3的姿态转换矩阵R31，并得到Pattern1到Pattern3的Z轴转角ψ。
6.根据权利要求5所述的一种多头星敏感器光路和极性的测试方法，其特征在于，步骤S3中，当星敏线路盒B当班工作时，Pattern1到Pattern2的X轴转角
Figure FDA0003087958810000031
Y轴转角θ的解算方法，Pattern1机动到Pattern3的Z轴转角ψ的解算方法与星敏线路盒A当班工作时的解算方法相同。
7.根据权利要求1所述的一种多头星敏感器光路和极性的测试方法，其特征在于，步骤S4中，当星敏线路盒B当班时，Pattern1、Pattern2、Pattern3模式下星敏感器的星敏测量四元数与星敏融合四元数位置转换矩阵的解算方法与星敏线路盒A当班工作时的解算方法相同。
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