CN113465627A - 一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法,具体步骤为:首先根据星点位置坐标及标定系数计算每个星点在测量仪器本体系下的观测矢量,然后根据导航星号搜索该星点对应的惯性矢量并按姿态矩阵投影至仪器本体系下,从而得到导航星在本体系下的投影位置矢量。计算得到投影位置矢量相对于观测矢量的偏差,并根据测量仪器成像模型计算三轴误差角。最后由星等计算该帧星图中每一颗识别星对应的权重系数,并根据多星定姿原理综合评价该帧的测量精度。本方法相较于基于多帧分析的多项式拟合法以及基于相邻两帧分析的差分法,受航天器平台影响最小,评估结果最接近于仪器本身的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间指向测量仪器在轨精度评估方法,尤其是一种基于单星投影位置误差的精度评估方法。
背景技术
空间极高精度指向测量仪器(至少亚角秒精度)其基本原理是采用图像传感器拍摄恒星图像,经过星图处理得到航天器的三轴惯性姿态及目标指向信息。随着技术的发展,其精度指标已突破角秒进入亚角秒精度水平,部分产品甚至可达到一百至几十个毫角秒的极高精度水平。
极高精度指向测量仪器在地面测试时,受限于仪器设备以及环境(如抖动、温湿度、大气视宁度等)的影响,难以准确评估其真实的精度指标;若处于真实的轨道空间环境下,虽然可以排除地面影响因素,但是受航天器平台抖动等因素的影响,传统的仪器光轴指向精度评估方法——多项式拟合法和相邻差分法均难以评价极高精度指标。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供了一种空间极高精度指向测量仪器在轨精度评估方法,按单帧观测得到的星点信息评估指向测量仪器的三轴误差,只包含图像积分时间内的波动,受平台抖动影响很小。
本发明的技术解决方案是:一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法,包括如下步骤:
S1、根据待估测量仪器工作过程中存储的识别星点信息及姿态数据,确定当前时刻星点投影位置矢量;
S2、将所述星点投影位置矢量与恒星在测量仪器本体坐标系下的观测矢量相减,可得到每颗识别星的投影位置位置矢量偏差,根据测量仪器成像模型计算得到每颗识别星的三轴误差角;
S3、根据待估测量仪器工作过程识别星点的星等信息,计算每颗星点对应的权重系数;
S4、根据上述得到的每颗识别星点的三轴误差角及每颗星点对应的权重系数,统计该时刻测量仪器的三轴误差RMS值。
优选的,重复S1~S4,完成待估测量仪器预设连续时段内的测量精度评估。
优选的,针对预设连续时段内每一时刻的测量精度评估结果采用统计学的方式进行处理,得到三轴误差角的标准差。
优选的,通过下述方式确定当前时刻星点投影位置矢量:
(1)从待估测量仪器工作过程中存储的数据中,获取星点在仪器像面坐标系中的位置坐标、识别的星点导航星号以及卫星姿态四元数;
(2)根据待估测量仪器探头的标定系数以及步骤(1)中获取的星点在仪器像面坐标系中的位置坐标,计算入射恒星星光在仪器本体坐标系中的观测矢量;
(3)根据步骤(1)中获取的星点导航星号在仪器导航星表中搜索该星点对应在惯性坐标系中的导航矢量;
(4)根据步骤(1)中获取的卫星姿态四元数计算得到测量仪器本体相对于惯性坐标系的姿态矩阵,将步骤(3)中的星点导航矢量通过姿态转换矩阵投影至测量仪器本体坐标系下,得到星点投影位置矢量。
优选的,所述星点在像面坐标系中的位置坐标、识别的星点导航星号信息均存储在星点信息遥测数据包中,计算得到的卫星姿态四元数则存储在姿态遥测数据包中;S1~S4可实时进行或者利用下传的遥测数据包进行。
优选的,所述步骤(2)中计算入射恒星星光在仪器本体坐标系中的观测矢量Wi的具体方法是:
其中:(ui,vi)星点在像面坐标系中实测位置坐标,km,n(m=1,2,n=1,2,…,10)为测量仪器探头的标定系数。
优选的,测量仪器本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态矩阵A与星点导航矢量Vi点乘得到星点投影位置矢量Viproj:
Viproj=A·Vi;
其中,测量仪器本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态矩阵A通过QUEST算法计算。
优选的,根据测量仪器成像模型,每颗识别星的三轴误差角计算公式如下:
Δθix=ΔWiy
Δθiy=ΔWix
其中:ΔWix、ΔWiy分别为投影位置矢量偏差在测量仪器本体系X、Y轴上的分量;(ui,vi)是星点在像面坐标系中实测位置坐标,(uiproj,viproj)是星点在像面坐标系中的投影位置坐标。
优选的,S3中每颗星点对应的权重系数计算方法是:随机生成至少10000组惯性姿态指向,并根据仪器设计参数和导航星表,统计所有指向下测量仪器视场中星点的星等的概率分布;则每个识别星点对应的权重系数ai为该星点的星等概率。
优选的,S4中待估测量仪器的三轴误差RMS为:
式中,第i颗识别星的X轴误差角为Δθix,Y轴误差角为Δθiy,Z轴误差角Δθiz,N为识别星的总数量,ai为识别星对应的权重系数。
优选的,所述的待估测量仪器为空间指向测量仪器,尤其适用于亚角秒及以上极高精度指向测量仪器。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明通过仪器工作时实时采集的星点信息对其测量精度进行评估,不需要额外传输遥测数据。同时本发明能够进行单台仪器精度评估,不同于夹角法需要至少两台仪器的评估方式。可对各类星敏感器\星相机\指向测量敏感器在轨精度测试结果进行评估;
(2)本发明根据仪器在轨实时计算的星点位置、能量及对应的导航星号等信息,计算单星投影位置误差及对应的权重系数,以单帧评估方式得到测量仪器本身的测量精度。不包含传统的差分法、拟合法评估结果中的平台影响量,不需要对平台稳定性进行专门的建模和补偿,适用于粗精度平台下极高精度指向测量精度的有效评估;本方法相较于基于多帧分析的多项式拟合法以及基于相邻两帧分析的差分法,受航天器平台影响最小,评估结果最接近于仪器本身的测量精度。
(3)基于姿态计算算法设计,对于当前帧的N颗识别星计算其对应的权重系数,使得最终的评估结果更加科学。
附图说明
图1为单星投影位置误差示意图;
图2为本发明实现流程图;
图3为三轴误差示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
图1为本发明空间极高精度测量仪器成像模型。测量仪器通过拍摄恒星星图并进行星点提取、匹配识别、姿态确定等步骤处理得到航天器的三轴惯性姿态及目标指向信息。本发明方法所述的精度评估可在轨实时进行,也可利用在轨下传的遥测数据包进行。
如图2所示,本发明提出了一种空间极高精度指向测量仪器在轨精度评估方法,步骤如下:
(1)测量仪器在轨工作过程中,通过观测恒星进行匹配识别,实时存储不同时刻拍摄的星图中提取的星点在仪器像面坐标系中的位置坐标、星点能量信息、识别的星点导航星号以及计算得到卫星姿态四元数。其中星点信息(星点在像面坐标系中的位置坐标、星点能量信息、识别的星点导航星号信息)均存储在星点信息遥测包中,姿态四元数则存储在姿态数据遥测包中;
(2)根据测量仪器探头的标定系数以及步骤(1)中获取的星点在仪器像面坐标系中的位置坐标,计算入射恒星星光在仪器本体坐标系中的观测矢量Wi,具体计算公式为:
其中:(ui,vi)星点在像面坐标系中实测位置坐标,km,n(m=1,2,n=1,2,…,10)为测量仪器探头的标定系数。
(3)根据步骤(1)中获取的星点导航星号在仪器导航星表中搜索该星点对应在惯性坐标系中的导航矢量Vi;
(4)根据步骤(1)中获取的卫星姿态四元数,按照QUEST算法计算计算得到测量仪器本体相对于惯性坐标系的姿态矩阵A,将步骤(3)中的星点导航矢量Vi通过姿态转换矩阵投影至测量仪器本体坐标系下,得到星点投影位置矢量。具体方法是:姿态矩阵A与星点导航矢量Vi点乘得到星点投影位置矢量Viproj:
Viproj=A·Vi
(5)将步骤(4)中得到的星点投影位置矢量Viproj与步骤(2)中得到的恒星在测量仪器本体坐标系下的观测矢量Wi相减,可得到每颗识别星的投影位置位置矢量偏差:
其中:ΔWix、ΔWiy、ΔWiz分别为投影位置矢量偏差在测量仪器本体系三轴坐标轴上的分量。根据图1中测量仪器成像模型,三个轴的误差角计算公式如下:
Δθix=ΔWiy
Δθiy=ΔWix
其中(ui,vi)是星点在像面坐标系中实测位置坐标,(uiproj,viproj)是星点在像面坐标系中的投影位置坐标。
(6)根据步骤(1)中获取的星点的能量信息,计算每颗星点对应的权重系数ai;所有星点对应的权重系数和应为1,其计算方法是:随机生成10000组惯性姿态指向,并根据仪器设计参数和导航星表,统计所有指向下测量仪器视场中星点的星等的概率分布。则每个识别星点对应的权重系数ai为该星点的星等概率。
(7)测量仪器采用多星多矢量定姿,因此采用多星信息评估测量精度。根据步骤(5)中得到的三轴误差角及步骤(6)中得到的每颗星点对应的权重系数,统计评估该时刻测量仪器的三轴误差RMS值:
N为识别星的总数量,ai为每个星点对应的权重系数。
(8)重复以上步骤,完成测量仪器一个连续时段内的测量精度评估。采用统计学的方式进行处理,得到三轴误差角的标准差。如图3为某典型极高精度测量仪器的测量精度曲线。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (11)
1.一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法,其特征在于包括如下步骤:
S1、根据待估测量仪器工作过程中存储的识别星点信息及姿态数据,确定当前时刻星点投影位置矢量;
S2、将所述星点投影位置矢量与恒星在测量仪器本体坐标系下的观测矢量相减,得到每颗识别星的投影位置矢量偏差,根据测量仪器成像模型计算得到每颗识别星的三轴误差角;
S3、根据待估测量仪器工作过程识别星点的星等信息,计算每颗星点对应的权重系数;
S4、根据上述得到的每颗识别星点的三轴误差角及每颗星点对应的权重系数,统计该时刻测量仪器的三轴误差RMS值。
2.根据权利要求1所述的评估方法,其特征在于:重复S1~S4,完成待估测量仪器预设连续时段内的测量精度评估。
3.根据权利要求2所述的评估方法,其特征在于:针对预设连续时段内每一时刻的测量精度评估结果采用统计学的方式进行处理,得到三轴误差角的标准差。
4.根据权利要求1所述的评估方法,其特征在于:通过下述方式确定当前时刻星点投影位置矢量:
(1)从待估测量仪器工作过程中存储的数据中,获取星点在仪器像面坐标系中的位置坐标、识别的星点导航星号以及卫星姿态四元数;
(2)根据待估测量仪器探头的标定系数以及步骤(1)中获取的星点在仪器像面坐标系中的位置坐标,计算入射恒星星光在仪器本体坐标系中的观测矢量;
(3)根据步骤(1)中获取的星点导航星号在仪器导航星表中搜索该星点对应在惯性坐标系中的导航矢量;
(4)根据步骤(1)中获取的卫星姿态四元数计算得到测量仪器本体相对于惯性坐标系的姿态矩阵,将步骤(3)中的星点导航矢量通过姿态转换矩阵投影至测量仪器本体坐标系下,得到星点投影位置矢量。
5.根据权利要求4所述的评估方法,其特征在于:所述星点在像面坐标系中的位置坐标、识别的星点导航星号信息均存储在星点信息遥测数据包中,计算得到的卫星姿态四元数则存储在姿态遥测数据包中;S1~S4可实时进行或者利用下传的遥测数据包进行。
7.根据权利要求4所述的评估方法,其特征在于:测量仪器本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态矩阵A与星点导航矢量Vi点乘得到星点投影位置矢量Viproj:
Viproj=A·Vi;
其中,测量仪器本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态矩阵A通过QUEST算法计算。
9.根据权利要求1所述的评估方法,其特征在于:S3中每颗星点对应的权重系数计算方法是:随机生成至少10000组惯性姿态指向,并根据仪器设计参数和导航星表,统计所有指向下测量仪器视场中星点的星等的概率分布;则每个识别星点对应的权重系数ai为该星点的星等概率。
11.根据权利要求1所述的评估方法,其特征在于:所述的待估测量仪器为空间指向测量仪器,尤其适用于亚角秒及以上极高精度指向测量仪器。
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