CN111220179A - 一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，属于火星环绕器光学导航敏感器惯性基准对准技术领域；步骤一、当存在正常工作的星敏感器时，进入步骤二；否则退出标定流程；步骤二、当星敏感器处于姿态测量模式时，进入步骤三；否则切换至姿态测量模式，进入步骤三；步骤三、计算各星敏感器与光学导航敏感器的姿态差xk；k为星敏感器序号；步骤四、采用标定算法，得到各星敏感器的标定姿态差yk；步骤五、当该星敏感器的标定姿态差yk完成标定，结束该星敏感器与光学导航敏感器的姿态差标定工作；否则对该星敏感器继续进行姿态差标定；本发明避开了安装测量误差以及热变形误差等误差源，提高了光学导航敏感器的在轨对准精度。

Description

一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法
技术领域
本发明属于火星环绕器光学导航敏感器惯性基准对准技术领域，涉及一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法。
背景技术
火星环绕器在进行光学自主导航的过程中，需要知道光学导航敏感器相对于惯性系的姿态转换关系，以进行导航信息的预处理。
现有技术均是通过星敏感器的测量四元数，计算出火星环绕器相对于惯性系的姿态四元数，然后通过光学导航敏感器相对于火星环绕器的安装矩阵，进而求解出光学导航敏感器相对于惯性系的姿态四元数，这种方法需要精确知道星敏感器和光学导航敏感器的姿态四元数，然而受安装测量精度以及热变形等外部因素的影响，不可能得到精确的星敏感器以及光学导航敏感器的安装矩阵。此外，星敏感器输出姿态的曝光时刻与光学导航敏感器测量的曝光时刻不可能完全同步，因此，需要研究一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，以规避外部环境因素及曝光时差导致的姿态和导航误差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，避开了安装测量误差以及热变形误差等误差源，提高了光学导航敏感器的在轨对准精度。
本发明解决技术的方案是：
一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，包括如下步骤：
步骤一、启动标定流程，判断当前周期T是否存在正常工作的星敏感器；当存在正常工作的星敏感器时，进入步骤二；否则退出标定流程；
步骤二、判导正常工作的星敏感器是否处于对火星探测器的姿态测量模式，当星敏感器处于对火星探测器的姿态测量模式时，进入步骤三；否则将正常工作的星敏感器切换至对火星探测器的姿态测量模式，进入步骤三；
步骤三、计算各星敏感器与火星探测器中的光学导航敏感器的姿态差xk；k为星敏感器序号；
步骤四、采用标定算法，对各星敏感器与光学导航敏感器的姿态差进行标定，得到各星敏感器的标定姿态差yk；
步骤五、判断各星敏感器的标定姿态差yk是否完成标定；当该星敏感器的标定姿态差yk完成标定，结束该星敏感器与光学导航敏感器的姿态差标定工作；否则对该星敏感器继续进行姿态差标定。
在上述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，所述步骤一中，判断星敏感器是否正常工作的方法为：
当该星敏感器的星敏基准模值为0.9-1.1时，认为该星敏感器正常工作；否则认为星敏感器为非正常工作。
在上述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，所述步骤三中，姿态差xk的计算方法为：
分别求各星敏感器到光学导航敏感器的姿态四元数，即为各星敏感器与光学导航敏感器的姿态差。
在上述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，所述姿态差包括4个姿态分量。
在上述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，所述步骤四中，标定姿态差yk的计算方法为：
Figure BDA0002389210320000021
式中，yk-1为上一周期该星敏感器与光学导航敏感器的标定姿态差；初始值为0；
τ为标定参数；
T为采样周期。
在上述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，所述τ为0.5；T为0.5s。
在上述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，所述步骤五中，各星敏感器的标定姿态差yk是否完成标定的判断方法为：
当在连续检测时长t内，该星敏感器各周期的标定姿态差yk中的4个姿态分量的标准差均小于0.00001时，认为该星敏感器的标定姿态差yk完成标定。
在上述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，所述连续检测时长t为10min。
在上述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，所述步骤五中，当该星敏感器的标定姿态差yk未完成标定时，延长连续检测时长t，重复步骤四至步骤五，对该星敏感器继续进行姿态差标定。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，避免星敏感器以及光学导航敏感器安装测量误差以及热变形误差等外部环境引起的姿态误差对火星环绕器自主光学导航的影响；
(2)本发明采用采用标定算法，对各星敏感器与光学导航敏感器的姿态差进行标定，得到各星敏感器的标定姿态差yk，得到精确的标定姿态差。
附图说明
图1为本发明惯性基准时空精确对准流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，以规避外部环境因素及曝光时差导致的姿态和导航误差。
如图1所示，惯性基准时空精确对准方法主要包括如下步骤：
步骤一、启动标定流程，判断当前周期T是否存在正常工作的星敏感器；当存在正常工作的星敏感器时，进入步骤二；否则退出标定流程；判断星敏感器是否正常工作的方法为：当该星敏感器的星敏基准模值为0.9-1.1时，认为该星敏感器正常工作；否则认为星敏感器为非正常工作。
步骤二、判导正常工作的星敏感器是否处于对火星探测器的姿态测量模式，当星敏感器处于对火星探测器的姿态测量模式时，进入步骤三；否则将正常工作的星敏感器切换至对火星探测器的姿态测量模式，进入步骤三；
步骤三、计算各星敏感器与火星探测器中的光学导航敏感器的姿态差xk；k为星敏感器序号；姿态差xk的计算方法为：分别求各星敏感器到光学导航敏感器的姿态四元数，即为各星敏感器与光学导航敏感器的姿态差。姿态差包括4个姿态分量。
步骤四、采用标定算法，对各星敏感器与光学导航敏感器的姿态差进行标定，得到各星敏感器的标定姿态差yk；标定姿态差yk的计算方法为：
Figure BDA0002389210320000041
式中，yk-1为上一周期该星敏感器与光学导航敏感器的标定姿态差；初始值为0；
τ为标定参数；τ为0.5；
T为采样周期。T为0.5s。
步骤五、判断各星敏感器的标定姿态差yk是否完成标定；各星敏感器的标定姿态差yk是否完成标定的判断方法为：
当在连续检测时长t内，连续检测时长t为10min。该星敏感器各周期的标定姿态差yk中的4个姿态分量的标准差均小于0.00001时，认为该星敏感器的标定姿态差yk完成标定。当该星敏感器的标定姿态差yk完成标定，结束该星敏感器与光学导航敏感器的姿态差标定工作；否则对该星敏感器继续进行姿态差标定。当该星敏感器的标定姿态差yk未完成标定时，延长连续检测时长t，重复步骤四至步骤五，对该星敏感器继续进行姿态差标定。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、启动标定流程，判断当前周期T是否存在正常工作的星敏感器；当存在正常工作的星敏感器时，进入步骤二；否则退出标定流程；
步骤二、判导正常工作的星敏感器是否处于对火星探测器的姿态测量模式，当星敏感器处于对火星探测器的姿态测量模式时，进入步骤三；否则将正常工作的星敏感器切换至对火星探测器的姿态测量模式，进入步骤三；
步骤三、计算各星敏感器与火星探测器中的光学导航敏感器的姿态差xk；k为星敏感器序号；
步骤四、采用标定算法，对各星敏感器与光学导航敏感器的姿态差进行标定，得到各星敏感器的标定姿态差yk；
步骤五、判断各星敏感器的标定姿态差yk是否完成标定；当该星敏感器的标定姿态差yk完成标定，结束该星敏感器与光学导航敏感器的姿态差标定工作；否则对该星敏感器继续进行姿态差标定。
2.根据权利要求1所述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，其特征在于：所述步骤一中，判断星敏感器是否正常工作的方法为：
当该星敏感器的星敏基准模值为0.9-1.1时，认为该星敏感器正常工作；否则认为星敏感器为非正常工作。
3.根据权利要求2所述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，其特征在于：所述步骤三中，姿态差xk的计算方法为：
分别求各星敏感器到光学导航敏感器的姿态四元数，即为各星敏感器与光学导航敏感器的姿态差。
4.根据权利要求3所述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，其特征在于：所述姿态差包括4个姿态分量。
5.根据权利要求4所述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，其特征在于：所述步骤四中，标定姿态差yk的计算方法为：
Figure FDA0002389210310000021
式中，yk-1为上一周期该星敏感器与光学导航敏感器的标定姿态差；初始值为0；
τ为标定参数；
T为采样周期。
6.根据权利要求5所述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，其特征在于：所述τ为0.5；T为0.5s。
7.根据权利要求6所述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，其特征在于：所述步骤五中，各星敏感器的标定姿态差yk是否完成标定的判断方法为：
当在连续检测时长t内，该星敏感器各周期的标定姿态差yk中的4个姿态分量的标准差均小于0.00001时，认为该星敏感器的标定姿态差yk完成标定。
8.根据权利要求7所述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，其特征在于：所述连续检测时长t为10min。
9.根据权利要求8所述的一种光学导航敏感器的惯性基准时空精确对准方法，其特征在于：所述步骤五中，当该星敏感器的标定姿态差yk未完成标定时，延长连续检测时长t，重复步骤四至步骤五，对该星敏感器继续进行姿态差标定。
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