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

一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113465627A
CN113465627A CN202110593186.6A CN202110593186A CN113465627A CN 113465627 A CN113465627 A CN 113465627A CN 202110593186 A CN202110593186 A CN 202110593186A CN 113465627 A CN113465627 A CN 113465627A
Authority
CN
China
Prior art keywords
star
measuring instrument
star point
coordinate system
vector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110593186.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113465627B (zh
Inventor
王苗苗
武延鹏
程会艳
郑然�
王立
王艳宝
梁潇
王龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Control Engineering
Original Assignee
Beijing Institute of Control Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Control Engineering filed Critical Beijing Institute of Control Engineering
Priority to CN202110593186.6A priority Critical patent/CN113465627B/zh
Publication of CN113465627A publication Critical patent/CN113465627A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113465627B publication Critical patent/CN113465627B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Navigation (AREA)

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

一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法
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:
Figure BDA0003090306840000031
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
Figure BDA0003090306840000032
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:
Figure BDA0003090306840000041
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:
Figure BDA0003090306840000051
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:
Figure BDA0003090306840000061
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
Figure BDA0003090306840000062
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:
Figure BDA0003090306840000071
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。
6.根据权利要求4所述的评估方法,其特征在于: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:
Figure FDA0003090306830000021
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。
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。
8.根据权利要求1所述的评估方法,其特征在于: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
Figure FDA0003090306830000022
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。
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。
10.根据权利要求1所述的评估方法,其特征在于:S4中待估测量仪器的三轴误差RMS为:
Figure FDA0003090306830000031
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。
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。
CN202110593186.6A 2021-05-28 2021-05-28 一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法 Active CN113465627B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110593186.6A CN113465627B (zh) 2021-05-28 2021-05-28 一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110593186.6A CN113465627B (zh) 2021-05-28 2021-05-28 一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113465627A true CN113465627A (zh) 2021-10-01
CN113465627B CN113465627B (zh) 2024-05-31

Family

ID=77871640

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110593186.6A Active CN113465627B (zh) 2021-05-28 2021-05-28 一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113465627B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114623833A (zh) * 2022-01-28 2022-06-14 北京控制工程研究所 一种空间指向测量仪器视场标定系统和方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050161580A1 (en) * 2001-12-12 2005-07-28 Isabelle Sebbag Method of estimating the attitude of a space device with improved precision
CN1731645A (zh) * 2005-09-02 2006-02-08 清华大学 电力系统中基于软分区的电压控制方法
CN102435763A (zh) * 2011-09-16 2012-05-02 中国人民解放军国防科学技术大学 一种基于星敏感器的航天器姿态角速度测量方法
US20130013199A1 (en) * 2011-07-06 2013-01-10 Zheng You Method for measuring precision of star sensor and system using the same
CN103616028A (zh) * 2013-11-29 2014-03-05 哈尔滨工程大学 一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法
CN104280049A (zh) * 2014-10-20 2015-01-14 北京控制工程研究所 一种高精度星敏感器外场精度测试方法
US20150185009A1 (en) * 2013-12-26 2015-07-02 National University Of Defense Technology Dynamic attitude measurement method of star sensor based on gyro's precise angular correlation
CN105371870A (zh) * 2015-11-27 2016-03-02 北京空间飞行器总体设计部 一种基于星图数据的星敏感器在轨精度测量方法
CN106595645A (zh) * 2016-11-02 2017-04-26 上海航天控制技术研究所 一种基于星敏感器输出精度的导航星库制作方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050161580A1 (en) * 2001-12-12 2005-07-28 Isabelle Sebbag Method of estimating the attitude of a space device with improved precision
CN1731645A (zh) * 2005-09-02 2006-02-08 清华大学 电力系统中基于软分区的电压控制方法
US20130013199A1 (en) * 2011-07-06 2013-01-10 Zheng You Method for measuring precision of star sensor and system using the same
CN102435763A (zh) * 2011-09-16 2012-05-02 中国人民解放军国防科学技术大学 一种基于星敏感器的航天器姿态角速度测量方法
CN103616028A (zh) * 2013-11-29 2014-03-05 哈尔滨工程大学 一种基于单星敏感器的星光折射卫星自主导航方法
US20150185009A1 (en) * 2013-12-26 2015-07-02 National University Of Defense Technology Dynamic attitude measurement method of star sensor based on gyro's precise angular correlation
CN104280049A (zh) * 2014-10-20 2015-01-14 北京控制工程研究所 一种高精度星敏感器外场精度测试方法
CN105371870A (zh) * 2015-11-27 2016-03-02 北京空间飞行器总体设计部 一种基于星图数据的星敏感器在轨精度测量方法
CN106595645A (zh) * 2016-11-02 2017-04-26 上海航天控制技术研究所 一种基于星敏感器输出精度的导航星库制作方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张辉;袁家虎;刘恩海;郭昌清;: "星敏感器姿态计算精度的仿真", 中国矿业大学学报, no. 01 *
王永胜;王宏力;刘洁梁;崔祥祥;: "星敏感器误差模型及参数分析", 电光与控制, no. 02 *
郝雪涛, 张广军, 江洁: "星敏感器模型参数分析与校准方法研究", 光电工程, no. 03 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114623833A (zh) * 2022-01-28 2022-06-14 北京控制工程研究所 一种空间指向测量仪器视场标定系统和方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113465627B (zh) 2024-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Renaud et al. Simplifying the kinematic calibration of parallel mechanisms using vision-based metrology
CN111156988B (zh) 基于指向误差自动测定的空间碎片天文定位和测光方法
CN100348460C (zh) 一种基于星场的星敏感器校准方法
CN105698764B (zh) 一种光学遥感卫星影像时变系统误差建模补偿方法及系统
CN109708649B (zh) 一种遥感卫星的姿态确定方法及系统
CN102261921B (zh) 一种修正大气折射对星敏感器精度影响的方法
CN105526951B (zh) 一种星敏感器原始观测数据预处理方法及系统
CN111537003A (zh) 一种基于折射面共线的星光大气折射测量校正方法
CN109631876B (zh) 一种基于单相机导航影像的巡视探测器定位方法
CN107607127B (zh) 一种基于外场的星敏感器内部参数标定及精度快速验证系统
CN104457688B (zh) 卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置
CN111426335B (zh) 一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法
CN111798523A (zh) 星相机在轨定标定姿及遥感影像几何定位方法、系统
CN113218577A (zh) 一种星敏感器星点质心位置精度的外场测量方法
CN113465627B (zh) 一种基于单星投影的空间指向测量仪器精度评估方法
CN108225276B (zh) 一种单星成像目标运动特性反演方法及系统
CN113029132A (zh) 一种结合地面影像与恒星光行差测量的航天器导航方法
CN108594255A (zh) 一种激光测距辅助光学影像联合平差方法及系统
CN106679695B (zh) 一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法
Yuan et al. A precise calibration method for line scan cameras
CN113022898B (zh) 弱引力环境柔性附着系统状态估计方法
CN111156990B (zh) 基于指向自动测定的空间碎片实时天文定位和测光方法
RU2723199C1 (ru) Способ и система определения ориентации космического аппарата в пространстве с автономной коррекцией эффекта аберрации света
CN112013874A (zh) 一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法
CN114964316B (zh) 位置姿态校准方法及装置、测量待测目标的方法、系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant