CN112212856B - 一种近地面白天星敏感器的高精度姿态测量方法 - Google Patents

一种近地面白天星敏感器的高精度姿态测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种近地面白天星敏感器的高精度姿态测量方法，本发明在单视场星敏感器的基础上设计三视场星敏感器的结构模型，并采用三视场星敏感器融合后的数据进行姿态测量，相比于现有的单视场星敏感器来讲，视场内的平均可用星数量增加3倍，而且不会对星点的能量造成破坏和影响星点质心定位的精度，有利于提高星敏感器在近地面白天条件下姿态测量的精度。

Description

一种近地面白天星敏感器的高精度姿态测量方法
技术领域
本发明涉及天文导航技术领域，特别是涉及一种近地面白天星敏感器的高精度姿态测量方法。
背景技术
星敏感器是一种以恒星为测量对象的姿态测量仪器，其具有重量轻、体积小、功耗低、精度高、抗干扰性强、可不依赖其它系统进行自主导航等特点，目前已经成为各种空间航天器姿态测量系统的首选。星敏感器的工作原理为：首先，其利用光学镜头和图像传感器对恒星成像，经过星点提取和质心定位得到星点在图像传感器上的位置和亮度信息，然后通过星图识别找到星点在星表中对应的恒星，最后根据识别结果通过姿态解算得到星敏感器的三轴姿态，为载体控制系统提供姿态数据以实现载体的导航。星敏感器通常在大气层外工作，当星敏感器在近地面白天条件下工作时，由于天空背景辐射能量很大，星图中星点的能量很容易被天空背景噪声影响，导致图像的信噪比和星点质心定位的精度降低，严重影响星敏感器的姿态测量精度。因此，如何提高星敏感器在近地面白天条件下的姿态测量精度，已经成为星敏感器研究领域中的重点内容。
目前，国内外的许多研究机构都已经提出了提高近地面白天条件下星敏感器姿态测量精度的方法。这些方法主要可以分为两类：一类是通过采用小视场星敏感器降低星敏感器视场内天空背景辐射的能量，从而减小天空背景噪声对星点质心定位和姿态测量精度的影响。然而这类方法中星敏感器视场内的平均可用星数量较少，同样会影响星敏感器的姿态测量精度，甚至会导致无法解算出星敏感器的姿态。另一类是通过采用图像处理算法对天空背景噪声进行处理提高图像的信噪比，从而提高星敏感器的星点质心定位和姿态测量精度。然而由于天空背景噪声的能量较高，并且几乎分布于整个视场，因此采用图像处理算法对噪声进行处理时容易对星点的能量造成破坏，影响星点质心定位的精度，进而影响姿态测量的精度。
发明内容
基于此，本发明提供一种近地面白天星敏感器的高精度姿态测量方法，通过采用三视场星敏感器进行数据融合，并基于三视场星敏感器融合后的数据进行姿态测量，有利于提高星敏感器的姿态测量精度，改善近地面白天条件下星敏感器姿态测量精度较低的问题。
一种近地面白天星敏感器的高精度姿态测量方法，包括以下步骤：
S1、根据星敏感器的姿态测量模型，分别建立三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵之间的关系，并对三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据合并；
S2、根据三视场星敏感器之间的安装矩阵，建立三视场星敏感器的姿态矩阵之间的坐标系转换关系；
S3、根据三视场星敏感器的数据合并结果和三视场星敏感器的姿态矩阵之间的坐标系转换关系，将三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据融合；以及
S4、基于三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵融合后的数据，进行姿态测量。
在本发明的一实施例中，所述步骤S1包括步骤：S11、建立星敏感器姿态测量模型，所述星敏感器姿态测量模型包括天球坐标系oc-xcyczc和星敏感器坐标系os-xsyszs，其中矢量u为恒星在天球坐标系中的参考矢量，矢量w为恒星在星敏感器坐标系中的观测矢量。
在本发明的一实施例中，所述三视场星敏感器由星敏感器A、星敏感器B以及星敏感器C之间刚性连接构成，即所述三视场星敏感器为A，B，C三视场星敏感器，所述步骤S1还包括步骤：S12、定义矩阵A为从矢量w到矢量u的旋转矩阵，则A，B，C三视场星敏感器中参考矢量，观测矢量和姿态矩阵之间的关系分别如下：
ua＝Aawa
ub＝Abwb
uc＝Acwc
其中，ua，ub，uc分别为A，B，C三视场星敏感器的参考矢量，wa，wb，wc分别为A，B，C三视场星敏感器的观测矢量，Aa，Ab，Ac分别为A，B，C三视场星敏感器的姿态矩阵。
在本发明的一实施例中，所述步骤S1还包括步骤：S13、将A，B，C三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据合并后，得到
[ua ub uc]＝[Aawa Abwb Acwc]
其中，ua，ub，uc分别为A，B，C三视场星敏感器的参考矢量，wa，wb，wc分别为A，B，C三视场星敏感器的观测矢量，Aa，Ab，Ac分别为A，B，C三视场星敏感器的姿态矩阵。
在本发明的一实施例中，所述步骤S2包括步骤：S21、通过A，B，C三视场星敏感器的安装矩阵，建立A，B，C三视场星敏感器的姿态矩阵Aa，Ab，Ac之间的坐标系转换关系为
Figure BDA0002691100800000041
其中，
Figure BDA0002691100800000042
为星敏感器A和星敏感器B之间的安装矩阵，
Figure BDA0002691100800000043
为星敏感器B和星敏感器C之间的安装矩阵，Aa，Ab，Ac分别为A，B，C三视场星敏感器的姿态矩阵。
在本发明的一实施例中，在所述步骤S21中，其中A,B,C三视场星敏感器的安装矩阵通过标定安装角得到。
在本发明的一实施例中，所述步骤S3包括步骤：S31、根据A，B，C三视场星敏感器的数据合并结果和姿态矩阵之间的坐标系转换关系，将A，B，C三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据融合，得到
Figure BDA0002691100800000044
其中，ua，ub，uc分别为A，B，C三视场星敏感器的参考矢量，wa，wb，wc分别为A，B，C三视场星敏感器的观测矢量，
Figure BDA0002691100800000045
为星敏感器A和星敏感器B之间的安装矩阵，
Figure BDA0002691100800000046
为星敏感器B和星敏感器C之间的安装矩阵，
Figure BDA0002691100800000047
为数据融合后星敏感器C的姿态矩阵。
在本发明的一实施例中，所述步骤S4包括步骤：S41、基于数据融合后星敏感器C的姿态矩阵，通过Euler-q姿态解算算法或QUEST姿态解算算法计算星敏感器C相对于惯性坐标系的姿态角。
在本发明的一实施例中，所述近地面白天星敏感器高精度姿态测量方法进一步包括步骤：S5、对数据融合后三视场星敏感器的姿态测量精度进行评价。
在本发明的一实施例中，所述步骤S5包括步骤：S51、基于星敏感器姿态的等效角误差定义，对数据融合后星敏感器C的姿态测量精度进行评价：
Figure BDA0002691100800000048
其中，Erattitude为星敏感器姿态的等效角误差，θpixel为星敏感器的像元角分辨率，Ercentroid为星点的质心定位误差，
Figure BDA0002691100800000051
为星敏感器视场内的平均可用星数量。
本发明在单视场星敏感器的基础上设计三视场星敏感器的结构模型，并采用三视场星敏感器融合后的数据进行姿态测量，相比于现有的单视场星敏感器来讲，视场内的平均可用星数量增加3倍，而且不会对星点的能量造成破坏和影响星点质心定位的精度。由星敏感器姿态的等效角误差定义可知，在星敏感器的像元角分辨率和星点的质心定位误差确定的情况下，视场内的平均可用星数量越多，姿态的等效角误差越小，即星敏感器的姿态测量的精度越高，因此本发明采用三视场星敏感器进行姿态测量的方法有利于提高星敏感器在近地面白天条件下姿态测量的精度。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
图1为根据本发明的一优选实施例的所述近地面白天星敏感器高精度姿态测量方法的流程框图。
图2为根据本发明的上述优选实施例的所述近地面白天星敏感器高精度姿态测量方法中星敏感器的姿态测量模型。
图3为根据本发明的上述优选实施例的所述近地面白天星敏感器高精度姿态测量方法中三视场星敏感器的结构模型。
图4为根据本发明的上述优选实施例的所述近地面白天星敏感器高精度姿态测量方法中星敏感器的视场数量N与姿态等效角误差减小倍数n之间的关系曲线图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图4所示，根据本发明的一优选实施例的近地面白天星敏感器高精度姿态测量方法的具体步骤被阐明。具体地，如图1所示，所述近地面白天星敏感器高精度姿态测量方法包括以下步骤：
S1、根据星敏感器的姿态测量模型，分别建立三视场星敏感器10的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵之间的关系，并对三视场星敏感器10的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据合并；
S2、根据三视场星敏感器10之间的安装矩阵，建立三视场星敏感器10的姿态矩阵之间的坐标系转换关系；
S3、根据三视场星敏感器10的数据合并结果和三视场星敏感器10的姿态矩阵之间的坐标系转换关系，将三视场星敏感器10的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据融合；以及
S4、基于三视场星敏感器10的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵融合后的数据，进行姿态测量。
进一步地，如图2所示，所述星敏感器的姿态测量模型被阐明，所述步骤S1包括步骤：S11、建立星敏感器姿态测量模型，所述星敏感器姿态测量模型包括天球坐标系oc-xcyczc和星敏感器坐标系os-xsyszs，其中矢量u为恒星在天球坐标系中的参考矢量，矢量w为恒星在星敏感器坐标系中的观测矢量。
可以理解的是，如图3所示，所述三视场星敏感器10由星敏感器A、星敏感器B以及星敏感器C之间刚性连接构成，即所述三视场星敏感器10为A,B,C三视场星敏感器10，具体地，所述三视场星敏感器10包括星敏感器主体11、设置于星敏感器主体11底部的图像处理板12、以及分别设置于所述星敏感器主体11的侧壁111的星敏感器A、星敏感器B以及星敏感器C，所述星敏感器A的成像板13、所述星敏感器B的成像板13以及所述星敏感器C的成像板13均通过柔性线14连接于所述图像处理板12。更具体地，其中所述星敏器主体具有三个所述侧壁111，所述星敏感器A、所述星敏感器B以及所述星敏感器C分别被设置于对应的所述侧壁111，所述图像处理板12呈三角形结构。
值得一提的是，其中根据所述星敏感器姿态测量模型分别建立三视场星敏感器10参考矢量，观测矢量和姿态矩阵之间的关系的具体步骤为：S12、定义矩阵A为从矢量w到矢量u的旋转矩阵，则A，B，C三视场星敏感器10中参考矢量，观测矢量和姿态矩阵之间的关系分别如下：
ua＝Aawa
ub＝Abwb
uc＝Acwc
其中，ua，ub，uc分别为A，B，C三视场星敏感器10的参考矢量，wa，wb，wc分别为A，B，C三视场星敏感器10的观测矢量，Aa，Ab，Ac分别为A，B，C三视场星敏感器10的姿态矩阵。
进一步地，将三视场星敏感器10的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据合并的具体步骤为：S13、将A，B，C三视场星敏感器10的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据合并后，得到
[ua ub uc]＝[Aawa Abwb Acwc]
其中，ua，ub，uc分别为A，B，C三视场星敏感器10的参考矢量，wa，wb，wc分别为A，B，C三视场星敏感器10的观测矢量，Aa，Ab，Ac分别为A，B，C三视场星敏感器10的姿态矩阵。
继续如图3所示，由于A,B,C三视场星敏感器10之间为刚性连接，因此A,B,C三视场星敏感器10的姿态矩阵Aa，Ab，Ac之间可以通过安装矩阵进行坐标系转换，即根据A,B,C三视场星敏感器10的安装矩阵可以得到A,B,C三视场星敏感器10的姿态矩阵Aa，Ab，Ac之间的坐标系转换关系，具体的转换步骤为：定义星敏感器A和星敏感器B之间的安装矩阵为
Figure BDA0002691100800000081
星敏感器B和星敏感器C之间的安装矩阵为
Figure BDA0002691100800000091
则A，B，C三视场星敏感器10的姿态矩阵Aa，Ab，Ac之间的关系为
Figure BDA0002691100800000092
其中，
Figure BDA0002691100800000093
为星敏感器A和星敏感器B之间的安装矩阵，
Figure BDA0002691100800000094
为星敏感器B和星敏感器C之间的安装矩阵，Aa，Ab，Ac分别为A，B，C三视场星敏感器10的姿态矩阵。
换句话说，所述步骤S2包括步骤：S21、通过A，B，C三视场星敏感器10的安装矩阵，建立A，B，C三视场星敏感器10的姿态矩阵Aa，Ab，Ac之间的坐标系转换关系为
Figure BDA0002691100800000095
其中，
Figure BDA0002691100800000096
为星敏感器A和星敏感器B之间的安装矩阵，
Figure BDA0002691100800000097
为星敏感器B和星敏感器C之间的安装矩阵，Aa，Ab，Ac分别为A，B，C三视场星敏感器10的姿态矩阵。
值得一提的是，其中A，B，C三视场星敏感器10的安装矩阵可以通过标定安装角得到。
进一步地，所述步骤S3包括步骤：S31、根据A，B，C三视场星敏感器10的数据合并结果和姿态矩阵之间的坐标系转换关系，将A，B，C三视场星敏感器10的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据融合，得到
Figure BDA0002691100800000098
其中，ua，ub，uc分别为A，B，C三视场星敏感器10的参考矢量，wa，wb，wc分别为A，B，C三视场星敏感器10的观测矢量，
Figure BDA0002691100800000099
为星敏感器A和星敏感器B之间的安装矩阵，
Figure BDA00026911008000000910
为星敏感器B和星敏感器C之间的安装矩阵，
Figure BDA00026911008000000911
为数据融合后星敏感器C的姿态矩阵。
在得到数据融合后星敏感器C的姿态矩阵
Figure BDA0002691100800000101
后，可以进一步通过Euler-q姿态解算算法或QUEST姿态解算算法计算星敏感器C相对于惯性坐标系的姿态角。即所述步骤S4包括步骤：S41、基于数据融合后星敏感器C的姿态矩阵，通过Euler-q姿态解算算法或QUEST姿态解算算法计算星敏感器C相对于惯性坐标系的姿态角。
特别地，本发明的所述近地面白天星敏感器高精度姿态测量方法还包括对姿态测量精度的评价步骤，具体地，所述近地面白天星敏感器的高精度姿态测量方法进一步包括步骤：S5、对数据融合后三视场星敏感器10的姿态测量精度进行评价。
更具体地，所述步骤S5包括步骤：S51、基于星敏感器姿态的等效角误差定义，对数据融合后星敏感器C的姿态测量精度进行评价：
Figure BDA0002691100800000102
其中，Erattitude为星敏感器姿态的等效角误差，θpixel为星敏感器的像元角分辨率，Ercentroid为星点的质心定位误差，
Figure BDA0002691100800000103
为星敏感器视场内的平均可用星数量。
可以理解的是，由星敏感器姿态的等效角误差定义可知，在星敏感器的像元角分辨率和星点的质心定位误差确定的情况下，视场内的平均可用星数量越多，姿态的等效角误差越小，即姿态测量的精度越高。在视场不重叠的条件下，当采用N视场星敏感器进行姿态测量时，理论上姿态的等效角误差将会减小
Figure BDA0002691100800000104
倍。
如图4所示，通过仿真分析得到星敏感器的视场数量N与姿态等效角误差减小倍数n之间的关系曲线被阐明。由图4中的仿真结果可以看出，当星敏感器的视场数量N≤3时，随着视场数量的增加，姿态等效角误差的减小幅度更大，因此从应用成本、系统复杂度的角度考虑，本发明选择星敏感器的视场数量N＝3。
本发明通过仿真分析对三视场星敏感器10的姿态测量精度进行评价，得出结果：相较于分别通过A,B,C三个星敏感器单视场姿态测量得到的姿态Aa，Ab，Ac，通过A，B，C三个星敏感器三视场测姿得到的姿态
Figure BDA0002691100800000111
所对应的等效角误差减小了
Figure BDA0002691100800000112
倍。也就是说，通过本发明的所述近地面白天星敏感器高精度姿态测量方法进行姿态测量，能够有效地提高星敏感器姿态测量的精度，以此，本发明提供了一种能够增加视场内的平均可用星数量的，而且不会对星点的能量造成破坏和影响星点质心定位精度的姿态测量方法，即本发明提供了一种近地面白天星敏感器的高精度姿态测量方法。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种近地面白天星敏感器的高精度姿态测量方法，其特征在于，包括步骤：
S1、根据星敏感器的姿态测量模型，分别建立三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵之间的关系，并对三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据合并；
S2、根据三视场星敏感器之间的安装矩阵，建立三视场星敏感器的姿态矩阵之间的坐标系转换关系；
S3、根据三视场星敏感器的数据合并结果和三视场星敏感器的姿态矩阵之间的坐标系转换关系，将三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据融合；
所述三视场星敏感器由星敏感器A、星敏感器B以及星敏感器C之间刚性连接构成，即所述三视场星敏感器为A，B，C三视场星敏感器，所述步骤S3包括步骤：S31、根据A，B，C三视场星敏感器的数据合并结果和姿态矩阵之间的坐标系转换关系，将A，B，C三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据融合，得到
Figure FDA0003695696690000011
其中，ua，ub，uc分别为A，B，C三视场星敏感器的参考矢量，wa，wb，wc分别为A，B，C三视场星敏感器的观测矢量，
Figure FDA0003695696690000012
为星敏感器A和星敏感器B之间的安装矩阵，
Figure FDA0003695696690000013
为星敏感器B和星敏感器C之间的安装矩阵，
Figure FDA0003695696690000014
为数据融合后星敏感器C的姿态矩阵；以及
S4、基于三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵融合后的数据，进行姿态测量；
所述步骤S4包括步骤：S41、基于数据融合后星敏感器C的姿态矩阵，通过Euler-q姿态解算算法或QUEST姿态解算算法计算星敏感器C相对于惯性坐标系的姿态角；
S5、对数据融合后三视场星敏感器的姿态测量精度进行评价；
所述步骤S5包括步骤：S51、基于星敏感器姿态的等效角误差定义，对数据融合后星敏感器C的姿态测量精度进行评价：
Figure FDA0003695696690000021
其中，Erattitude为星敏感器姿态的等效角误差，θpixel为星敏感器的像元角分辨率，Ercentroid为星点的质心定位误差，
Figure FDA0003695696690000022
为星敏感器视场内的平均可用星数量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括步骤：S11、建立星敏感器姿态测量模型，所述星敏感器姿态测量模型包括天球坐标系oc-xcyczc和星敏感器坐标系os-xsyszs，其中矢量u为恒星在天球坐标系中的参考矢量，矢量w为恒星在星敏感器坐标系中的观测矢量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括步骤：S12、定义矩阵A为从矢量w到矢量u的旋转矩阵，则A，B，C三视场星敏感器中参考矢量，观测矢量和姿态矩阵之间的关系分别如下：
ua＝Aawa
ub＝Abwb
uc＝Acwc
其中，ua，ub，uc分别为A，B，C三视场星敏感器的参考矢量，wa，wb，wc分别为A，B，C三视场星敏感器的观测矢量，Aa，Ab，Ac分别为A，B，C三视场星敏感器的姿态矩阵。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括步骤：S13、将A，B，C三视场星敏感器的参考矢量，观测矢量和姿态矩阵进行数据合并后，得到
[ua ub uc]＝[Aawa Abwb Acwc]
其中，ua，ub，uc分别为A，B，C三视场星敏感器的参考矢量，wa，wb，wc分别为A，B，C三视场星敏感器的观测矢量，Aa，Ab，Ac分别为A，B，C三视场星敏感器的姿态矩阵。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括步骤：S21、通过A，B，C三视场星敏感器的安装矩阵，建立A，B，C三视场星敏感器的姿态矩阵Aa，Ab，Ac之间的坐标系转换关系为
Figure FDA0003695696690000031
其中，
Figure FDA0003695696690000032
为星敏感器A和星敏感器B之间的安装矩阵，
Figure FDA0003695696690000033
为星敏感器B和星敏感器C之间的安装矩阵，Aa，Ab，Ac分别为A，B，C三视场星敏感器的姿态矩阵。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤S21中，其中A,B,C三视场星敏感器的安装矩阵通过标定安装角得到。
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