CN113086255B

CN113086255B - 卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法及系统

Info

Publication number: CN113086255B
Application number: CN202110282384.0A
Authority: CN
Inventors: 王田野; 陈晓; 林两魁; 孙星; 吕旺; 周徐斌; 张小柯
Original assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Current assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2041-03-16
Also published as: CN113086255A

Abstract

本发明提供了一种卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法及系统，包括：步骤S1：根据地球模拟平台控制信息，以地球模拟卫星平台；步骤S2：根据卫星平台模拟结果信息，以地球的自转模拟卫星平台的姿态角速度；步骤S3：通过地面上的相机观测恒星评估地球的自转角速度，获取卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证结果信息。本发明为了实现对高精度卫星稳定度的评估，提出了利用光学相机对惯性空间中恒星成像的方法；本发明提出了一种地面恒星观测试验方法，用于验证星上评估算法的准确性。

Description

卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法及系统

技术领域

本发明涉及空间飞行器总体技术领域，具体地，涉及一种卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法及系统。

背景技术

姿态稳定度是卫星平台的重要指标，直接关系到卫星在轨任务的成败。近年来，随着我国遥感卫星的不断发展，用户对卫星的定量化应用要求也越来越高。作为卫星平台的核心指标，卫星姿态稳定度的要求也越来越高。

常规的卫星姿态稳定度评估方法是采用星敏感器和陀螺。但随着卫星姿态稳定度指标要求不断提高，传统的陀螺和星敏感器渐渐不能满足甚高精度姿态稳定度和指向精度的评估需求。因此，有必要研究新的评估方法，以第三方视角对姿态稳定度指标进行精确评估。

为此，提出了一种基于光学相机恒星观测的评估方法。为了确保卫星在轨任务顺利开展，本专利涉及了一种地面试验的方法，在地面验证评估算法的可行性。

文献《利用恒星对天文观测系统光轴平行性检校》，针对具有成像光谱仪的天文观测系统，将恒星作为点光源，利用天文跟踪系统完成对恒星星象及相应光谱数据的同步采集。该文章重点介绍了利用恒星标定光学仪器光轴之间的平行性偏差的方法，未涉及到卫星稳定度评估的相关试验内容。

文献《TDI CCD相机的卫星姿态稳定度确定》讨论了卫星平台振动与TDI CCD成像质量的相关性，推导了卫星平台姿态稳定度和像移的关系公式，并未涉及到具体的试验方法。

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卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法及系统。

根据本发明提供的一种卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法，包括：

步骤S1：根据地球模拟平台控制信息，以地球模拟卫星平台，获取卫星平台模拟结果信息；

步骤S2：根据卫星平台模拟结果信息，以地球的自转模拟卫星平台的姿态角速度，获取卫星平台的姿态角速度模拟结果信息；

步骤S3：根据卫星平台的姿态角速度模拟结果信息，通过地面上的相机观测恒星评估地球的自转角速度，获取卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证结果信息。

优选地，所述步骤S2包括：

步骤S2.1：将试验时相机的光轴垂直于水平面，指向星空。

步骤S2.2：利用地球自转的特性参数，等待恒星进入相机视场，获取恒星进入相机视场状态信息。

测试地点应选择空气洁净度较好、光污染较少的地方，时间必须选择在晴朗的夜晚。为了避免振动对观星试验的影响，尽量远离车流量大的公路。

优选地，所述步骤S2还包括：

步骤S2.3：为了提高恒星观测效率，需结合试验地点的经纬度信息预测恒星出现在相机视场内的时间，获取恒星出现在相机视场内的时间预测结果信息。

优选地，所述步骤S3包括：

步骤S3.1：选择以下任意一种或者多种试验设备：星载相机；相机支架；水平调节机构；水平仪；地测设备。

根据本发明提供的一种卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证系统，包括：

模块M1：根据地球模拟平台控制信息，以地球模拟卫星平台，获取卫星平台模拟结果信息；

模块M2：根据卫星平台模拟结果信息，以地球的自转模拟卫星平台的姿态角速度，获取卫星平台的姿态角速度模拟结果信息；

模块M3：根据卫星平台的姿态角速度模拟结果信息，通过地面上的相机观测恒星评估地球的自转角速度，获取卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证结果信息。

优选地，所述模块M2包括：

模块M2.1：将试验时相机的光轴垂直于水平面，指向星空。

模块M2.2：利用地球自转的特性参数，等待恒星进入相机视场，获取恒星进入相机视场状态信息。

优选地，所述模块M2还包括：

模块M2.3：为了提高恒星观测效率，需结合试验地点的经纬度信息预测恒星出现在相机视场内的时间，获取恒星出现在相机视场内的时间预测结果信息。

优选地，所述模块M3包括：

模块M3.1：选择以下任意一种或者多种试验设备：星载相机；相机支架；水平调节机构；水平仪；地测设备。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明为了实现对高精度卫星稳定度的评估，提出了利用光学相机对惯性空间中恒星成像的方法；

2、本发明提出了一种地面恒星观测试验方法，用于验证星上评估算法的准确性；

3、本发明以地球模拟卫星平台，星载相机放置在地面，等效于安装在卫星平台。地球通过自转模拟了卫星平台的姿态角速度，通过地面上的相机观测恒星评估地球的自转角速度，验证星上评估算法的正确性；

4、本发明提出的试验方法，可在地面验证星上评估算法的准确性，确保卫星任务顺利完成。

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是本发明中恒星观测试验原理示意图。

图2是本发明中恒星观测试验实施方案图。

图3是本发明中恒星在相机探测器上的轨迹示意图。

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。

本发明提出一种用于卫星稳定度评估的地面恒星观测试验方法，可在地面验证星上评估算法的准确性。

本发明包括以下内容：试验方法总体思路；试验时机选择方法；地面恒星观测的预报方法；地面恒星观测试验流程。

本发明的具体实施方式如下：

1、试验方法总体思路

卫星在轨对星成像过程可描述如下：卫星在惯性空间中保持姿态恒定，相机对空间中的恒星进行连续观测，根据恒星观测结果评估卫星平台的指向精度和稳定度。

在地面试验中，以地球模拟卫星平台，恒星放置在地面相当于安装在卫星平台，定义当地东北天坐标系为本体系，则地球在惯性空间的转动相当于卫星本体的姿态运动，惯性姿态可由当地时间计算得出。由于地球(模拟卫星平台)的自转角速度已知，可用来比对相机的指向稳定度评估结果。

2、试验时机选择方法

由于试验需要对天空成像，测试地点应选择空气洁净度较好、光污染较少的地方，时间必须选择在晴朗的夜晚。为了避免振动对观星试验的影响，尽量远离车流量大的公路。

3、恒星预测方法

在地面试验时，用地球模拟卫星平台，但地球无法像卫星平台可以自由机动，自主捕获目标恒星。因此，只能采取被动等待的方式，利用地球的自转，等待恒星进入相机的视场。

为了提高试验效率，需提前预测恒星进入相机视场的时刻，本专利提出了一种恒星预测方法，根据试验的地理位置信息，结合相机的视场，计算相机观测到恒星的时间。

首先，建立试验当地坐标系相对惯性坐标系的转换关系。表达式为：

上式中，A_{i_g}为惯性坐标系到当地东北天坐标系的转换矩阵；lat为试验地点的纬度信息；θ为恒星时角，恒星时角的表达式如下：

θ＝(18.69737456+878999.96591714·T0)·π/12+lon·π/180

上式中，lon为试验地点的经度信息；T0为儒略世纪数，表达式如下：

T0＝t/86400/36525

上式中，t为当前时刻相对J2000.0的秒计数。

然后，计算相机光轴在惯性坐标系的分量，表达式如下：

上式中，A_{i_g}为惯性坐标系到当地东北天坐标系的转换矩阵；r_i为相机光轴矢量在惯性坐标系的分量。

最后，计算该天区的恒星矢量与相机光轴矢量的夹角，若存在恒星与相机光轴的夹角小于相机的视场角，则表明该时刻相机可观测到恒星。

4、试验流程

恒星观测试验设备涉及星载相机、相机支架、水平调节机构、水平仪以及地测设备。其中水平仪用于测量相机支架的水平度；水平调节机构根据水平仪测量结果进行调节，确保相机支架水平，使相机光轴与水平面垂直。

根据预测出的恒星观测时机，提前完成试验状态设置。调节好水平后，相机开机，对天空中的恒星连续成像，记录恒星运动的轨迹。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。

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

1.一种卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S2.1：将试验时相机的光轴垂直于水平面，指向星空。

3.根据权利要求2所述的卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

4.根据权利要求3所述的卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

步骤S2.3：结合试验地点的经纬度信息预测恒星出现在相机视场内的时间，获取恒星出现在相机视场内的时间预测结果信息。

5.根据权利要求1所述的卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S3.1：选择以下试验设备：

-星载相机；

-相机支架；

-水平调节机构；

-水平仪；

-地测设备。

6.一种卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证系统，其特征在于，所述模块M2包括：

模块M2.1：将试验时相机的光轴垂直于水平面，指向星空。

8.根据权利要求7所述的卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证系统，其特征在于，所述模块M2还包括：

9.根据权利要求8所述的卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证系统，其特征在于，所述模块M2还包括：

模块M2.3：结合试验地点的经纬度信息预测恒星出现在相机视场内的时间，获取恒星出现在相机视场内的时间预测结果信息。

10.根据权利要求6所述的卫星利用观测恒星评估在轨稳定度的地面验证系统，其特征在于，所述模块M3包括：

模块M3.1：选择以下试验设备：

-星载相机；

-相机支架；

-水平调节机构；

-水平仪；

-地测设备。