CN114001756A - 一种小视场星敏感器外场地面寻星方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，包括步骤为：(1)在实验室建立并标定星敏感器测量坐标系与测试用转台坐标系之间的安装关系；(2)在外场安置三脚架和转台，调平转台，并在其上安装星敏感器；(3)利用转台对星敏感器进行粗指北和精指北操作，并确认指北正确；(4)根据指北结果，依据被测星敏感器的导航星表，计算导航恒星在当前转台坐标系下的方位角和高角，并结合选星条件制定观测计划；(5)根据观测计划，控制转台，使星敏感器光轴指向目标恒星方向，待恒星进入星敏感器视场，拍摄并存储星图。基于星图数据，后续可开展星敏感器的探测能力、背景抑制能力等数据分析工作，从而对星敏感器的多项性能指标进行准确评价。

Description

一种小视场星敏感器外场地面寻星方法

技术领域

本发明属于星敏感器测量技术领域，具体涉及一种小视场星敏感器外场地面寻星方法。

背景技术

星敏感器是一种高精度的姿态测量设备，通常用在卫星、飞机、舰船等平台上实现对载体的姿态测量。按照工作原理，星敏感器可以分为两类：一类是全自主匹配式星敏感器，该类型星敏感器多用在卫星平台，通过对大视场内的多颗恒星的观测和识别，实现对大气层外工作的卫星等平台姿态的全自主测量；另一类是小视场星敏感器，多采用长焦距、小视场光学成像系统，通过其他敏感器的引导信息，对小视场内的单颗恒星进行成像探测，该类星敏感器也常称为跟踪器，多与其他敏感器组合使用，实现对大气层内载体的位姿确定。这两类星敏感器在实验室完成装调、标定和测试后，一般都需要在地面开展外场观星实验，采集真实星空数据，对星敏感器的焦距、探测能力、测量精度等参数进行标定，并通过数据处理对其功能、性能指标等进行评价。大视场星敏感器属于全自主的姿态测量敏感器，因此，在地面开展外场实验，无须任何先验信息，只要朝向天空拍到星图，便可以进行全天区匹配，实现自主姿态测量。然而，小视场星敏感器的视场一般小于1°，且探测能力有限，其瞬时视场内通常只有一颗恒星，无法实现全天区匹配，因此，在地面对小视场星敏感器单机进行探测能力、测量精度等评价和检测时，需要借助地面转台等测试设备，实现光学成像系统指向目标恒星进行探测和数据采集，最终实现对小视场星敏感器的准确评价。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，该方法简单易行，可以解决小视场星敏感器在外场寻星困难的问题，进而实现对小视场星敏感器，尤其是对于小视场单星工作模式的星敏感器的探测性能等进行合理评价。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，包括步骤为：

步骤(1)、在实验室建立并标定星敏感器测量坐标系与测试用转台坐标系之间的安装关系；

步骤(2)、在外场安置三脚架和转台，调平转台，并在其上安装星敏感器；

步骤(3)、利用转台对星敏感器进行粗指北和精指北操作，并确认指北正确；

步骤(4)、根据指北结果，依据星敏感器的导航星表，计算导航恒星在当前转台坐标系下的方位角和高角，并结合选星条件制定观测计划；

步骤(5)、根据观测计划，控制转台，使星敏感器光轴指向目标恒星方向，待恒星进入星敏感器视场，拍摄并存储星图。基于此，可开展图像处理和数据分析工作，从而对星敏感器的性能指标进行准确评价。

进一步地，一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，包括如下步骤：

步骤(1)中的具体方法，包括以下子步骤：

步骤(1-1)：搭建如图2所示的实验室测试系统，调平转台三脚架，在其上安装转台并调平转台，并使得转台方位360°范围转动时，转台台面均为水平，此时转台位置置为相对零位；

步骤(1-2)：利用自准直仪、转台、长焦距平行光管、单星模拟器以及平晶，转台为外场测试用转台，建立转台方位轴与长焦距平行光管光轴之间的垂直关系，具体步骤如下：将转台俯仰轴转动90°，使得转台台面转向自准直仪方向，并将六面体平晶紧贴转台台面，用自准直仪瞄准平晶并自准直，之后锁定自准直仪；将转台俯仰轴转回零位，打开单星模拟器模拟输出单星星点，并上下左右移动长焦距平行光管，使得自准直仪与长焦距平行光管穿轴，即此时自准直仪与长焦距平行光管的光轴平行；此时，转台方位轴便与长焦距平行光管光轴垂直了；

步骤(1-3)：将星敏感器安装在转台上，并使其光轴对准平行光管，并对单星模拟器星点成像，调整结构件及工装，确保星点成像在探测器靶面中心像素附近位置(x_c，y_c)，则星敏感器光轴方向与光管光轴平行，即：与转台回转轴垂直。至此，星敏感器光轴方向与转台回转轴、方位轴均垂直，建立了基本安装关系。

步骤(2)中的具体方法与步骤(1)类似，只是步骤(2)用北极星方向代替步骤(1)中的用单星模拟器和平行光管模拟的无穷远的恒星，即：

步骤(2-1)：在外场安置三脚架并调平；

步骤(2-2)：在其上安装转台并调平转台，使得转台高角为0°、方位360°范围转动时，转台台面均为水平；

步骤(2-3)：采用与步骤(1-1)完全一致的方式将星敏感器安装在转台上。

步骤(3)中的具体方法，包括以下子步骤：

步骤(3-1)：首先计算测站在t₁时刻北极星的高角E₁和方位角，所述测站的经度、纬度已知，t₁时刻可以是当前时刻，也可以是需要的任意时刻；北极星的高角是从地平开始起算的度数，地平为0°，天顶为90°；北极星的方位角从真北方向开始度量，北偏西方向的角度为正，北偏东方向的角度为负，该值表示了视北方向和真北方向的方位偏差；

步骤(3-2)：按照测站当地的坐标系的大致位置，控制转台，使得星敏感器指向北极星所在天区的方向，指北的方法包括：夜空目视北极星找北，或者借助其他传感器找北，或者利用手机等简易设备找北方式；

步骤(3-3)：将转台高角设置为E₁，然后再在北极星附近较大范围缓慢转动转台方位，寻找北极星，北极星会进入星敏感器视场；对于视场非常小的星敏感器，比如视场在角分级，可能会因为装调误差超过了半视场的范围，导致此步骤观测不到北极星，此时需要将高角分别设置为：

其中FOV代表星敏感器的瞬时视场，n取2或者3，然后再在北极星所在天区方向较大范围进行方位扫描找北极星；依此向外扩大范围寻找，直到北极星进入星敏感器的视场，粗指北完成；

步骤(3-4)：继续微调控制转台，将北极星星像点移动到视场中心区域位置(x_c，y_c)，并记录此时的时刻t₂，即指北时刻、转台高角Et₂和方位角At₂；

步骤(3-5)：计算t₂时刻北极星的视位置对应的高角E₂和方位角A₂。注意：方位角A₂可能为正，或为负；

步骤(3-6)：计算t₂时刻视北校正后的角度：Et₀＝Et₂-E₂；At₀＝At₂-A₂；控制转台转动，使其高角为Et₀，方位角为At₀，即：让转台带动星敏感器，使其方位转到真北方向；高角转到理论水平方向；此即为转台的相对零位，可以在此处将转台位置清零，或者标记为相对零位；至此，转台处于北西天测站坐标系的零位，精指北完成。

步骤(4)中的具体方法，包括以下子步骤：

步骤(4-1)：建立星敏感器的导航星表。该星表可以是可见光波段的星表，也可以是短波红外波段的星表，星表每一行代表一颗恒星，主要包括序号、恒星星号、赤经、赤经自行、赤纬、赤纬自行、光谱型信息；

步骤(4-2)：计算指定t时刻的导航恒星在测站坐标系下的方位角和高角；

步骤(4-3)：根据星等约束、高角约束、方位角约束、太阳角(即恒星方向与太阳方向的夹角)约束、月亮角(即恒星方向与月亮方向的夹角)约束等选星条件，对导航恒星进行筛选并形成观测计划，观测计划每一行信息主要包括：观测时刻、恒星星号、星等、光谱型、高角、方位角、太阳角、月亮角。

步骤(5)根据观测计划，控制转台，使星敏感器光轴提前指向目标恒星方向，到观测计划给定的时刻，恒星会进入星敏感器视场，拍摄并存储星图；后续可开展图像处理和数据分析工作，从而对星敏感器的性能指标进行准确评价。

综上所述，本发明方法提出了一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，为小视场星敏感器的探测能力、探测精度等性能评估提供了一种可行的外场实验寻星方法。

本发明优点在于：

(1)本发明提出的小视场星敏感器外场地面寻星方法可以辅助星敏感器或者其他望远系统观测恒星在外场开展功能和性能测试，方法简单易行、准确可靠；

(2)本发明提出的小视场星敏感器外场地面寻星方法，也可用于大视场匹配式星敏感器进行外场绝对精度评价时的理论指向确定，为绝对精度评价时理论姿态地获取提供了可操作的实验方法。

(3)本发明提出小视场星敏感器外场地面寻星方法的关键在于精密指北方法，该方法不仅可用于工作在可见光波段的夜空星敏感器，也可用于工作在大气层内的舰船、飞机等多种平台的全天时小视场星敏感器。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明提供的星敏感器实验室测试系统示意图；

图3为本发明的一个实施例的观测计划软件界面图；

图4为本发明的计算序号为499号的恒星的观测计划示意图；

图5为依据本发明方法，观测到的序号为499号的恒星星图。

图中：1为自准直仪，2为转台，3为光学平台，4为长焦距平行光管，5为单星模拟器，6为星敏感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细阐述，具体实验过程如下：

第一步：搭建实验室测试标定系统；

利用自准直经纬仪1，建立二维转台2(包含控制箱)与平行光管4内回转面的垂直关系，星敏感器基准面安装在内回转面上后，调正星敏感器6位置，使得单星模拟器5发出的星点经平行光管4后垂直入射星敏感器6探测器面阵。将此刻二维转台2位置记为相对零位，记为：E＝0°，A＝0°；平行光管4和单星模拟器5组成无穷远单星模拟；

第二步：搭建外场实验测试系统；

a)在外场安置三脚架并调平；

b)在其上安装转台并调平转台，使得转台高角为0°、方位360°范围转动时，转台台面均为水平；

c)采用与实验室完全一致的方式将星敏感器安装在转台上；

第三步：星敏感器指北；

a)星敏感器上电，开启星敏感器上位机软件；转台上电，控制转台转动，使得星敏感器图像采集软件正常工作；

b)计算测站在t₁时刻北极星的视位置，以及北极星的高角E₁和方位角A₁，所述测站经度、纬度已知，t₁时刻可以是当前时刻，也可以是需要的任意时刻；北极星的高角是从地平开始起算的度数，地平为0°，天顶为90°；北极星的方位角从真北方向开始度量，北偏西方向的角度为正，北偏东方向的角度为负，该值表示了视北和真北方向的偏差。例如：在丽江高美古观测站观测北极星，测站经纬度为：东经100.031°，北纬26.7006°，计算2021年8月29日19:00:00的高角为E₁＝26.0817°，方位角为A₁＝0.2245°。

视位置计算方法大致如下：将北京时间t₁转换为世界时T₁＝t₁-8h；那么观测时刻T₁对应的儒略世纪数T为从世界时T₀＝2000年1月1日12时算起的日数除以36525，即：

其中：JD代表T₁时刻的儒略日数。之后，再对2000年年首平赤经和平赤纬进行岁差和自行修正，得到恒星平位置；在此基础上再进行章动修正，便可获得观测瞬间恒星的真位置；最后对真位置进行光行差和视差修正得到最终的恒星视位置(α_视，δ_视)；如果测站经度为λ，可以得到恒星对应测站的时角t_时角为：

t_时角＝S+λ-α_视 (2)

其中：S是真恒星时，即真春分点的时角。恒星在东北天测量坐标系中的理论方位角A₀和理论俯仰角E₀由下式确定：

其中：

为测站的纬度。按照几何关系，将A₀转换到北西天测站坐标系下的方位角即可。

c)将转台高角设置为E₁，然后于t₁时刻，在北极星附近较大范围转动转台方位，寻找北极星，直到北极星出现在视场内；若未观测到北极星，说明高角误差超过了半视场的范围，需要将高角分别设置为观测时刻理论值的上下，如高角可置为

其中n取2或者3，然后再大范围进行方位扫描找星；依此向外扩大范围寻找，直到北极星进入星敏感器的视场，完成星敏感器的粗指北；

d)控制转台，使得北极星星像点移动到视场中心像素位置，并记录此时的时刻t₂，即为指北时刻、此时转台高角Et₂和方位角At₂；t₂时刻2021年8月29日19:20:00的北极星的高角为E₂＝26.1016°，方位角为A₂＝0.2839°。

e)计算t₂时刻的角度：Et₀＝Et₂-E₂；At₀＝At₂-A₂；控制转台转动，使其高角为Et₀，方位角为At₀，即：让转台带动星敏，使其方位转到真北方向；高角放到水平方向；此即为转台的相对零位，可以在此处将转台位置清零，或者标记为相对零位；此时，转台处于测站北西天测站坐标系的零位。

第四步：制定观测计划；

a)建立星敏感器的导航星表。若选取2MASS短波红外H波段星表，其中星表中按照星等排序的前3颗恒星的信息如表1所示。

表1 2MASS短波红外H波段星表

SAO星号	H星等顺序	赤经	赤经自行	赤纬	赤纬自行	H波段星等	谱型
								113271	1	88.793	0.0285	7.407064	0.01	-4.007	M0
249066	2	69.19001	-0.138	-62.0774	-0.084	-3.732	M7
								184415	3	247.3519	-0.009	-26.432	-0.021	-3.725	+++

b)计算指定t时刻的导航恒星在北西天测站坐标系下的方位角和高角；

c)根据星等约束、高角约束、方位角约束、太阳角(即：恒星方向与太阳方向的夹角)约束、月亮角(即：恒星方向与月亮方向的夹角)约束等选星条件，制定观测计划，观测计划每一行信息主要包括：观测时刻、恒星星号、星等、光谱型、高角、方位角、太阳角、月亮角等。举例：观测时刻为2021年8月29日19:22:03时刻，选星约束条件为：太阳角30°～90°，星等取2.0～2.2，高角约束为30°～60°；方位角约束为30°～70°，按此条件筛选出此时刻可观测的恒星见图3所示，

第五步：指向恒星并拍图；

根据观测计划，控制转台，使星敏感器光轴提前指向目标恒星方向，按照观测计划指定时刻，恒星进入星敏感器视场，拍摄星图。基于此，可开展图像处理和数据分析工作，从而对星敏感器的性能指标进行准确评价。举例：计算序号为499号的恒星的观测计划如图4所示。利用前文步骤观测到499号恒星图像如图5所示。

Claims (6)

1.一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，其特征在于：包括步骤为：

步骤(1)、在实验室建立并标定星敏感器(6)测量坐标系与测试用转台坐标系之间的安装关系；

步骤(2)、在外场安置三脚架和转台(2)，调平转台(2)，并在其上安装星敏感器(6)；

步骤(3)、利用转台(2)对星敏感器(6)进行粗指北和精指北操作，并确认指北正确；

步骤(4)、根据指北结果，依据星敏感器(6)的导航星表，计算导航恒星在当前转台坐标系下的方位角和高角，并结合选星条件制定观测计划；

步骤(5)、根据观测计划，控制转台(2)，使星敏感器(6)光轴指向目标恒星方向，待恒星进入星敏感器(6)视场，拍摄并存储星图。

2.根据权利要求1所述的一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，其特征在于：步骤(1)搭建实验室测试标定系统，在实验室建立星敏感器测量坐标系与转台坐标系之间的安装关系，具体步骤为：

步骤(1-1)：搭建实验室测试系统，调平三脚架，在其上安装转台(2)并对转台(2)调平，并使得转台(2)方位360°范围转动时，转台(2)台面均为水平，此时转台(2)位置置为相对零位；

步骤(1-2)：利用自准直仪(1)、转台(2)、长焦距平行光管(4)、单星模拟器(5)以及平晶，转台(2)为外场测试用转台，建立转台(2)方位轴与长焦距平行光管(4)光轴之间的垂直关系，具体步骤如下：将转台(2)俯仰轴转动90°，使得转台(2)台面转向自准直仪(1)方向，并将六面体平晶紧贴转台(2)台面，用自准直仪(1)瞄准平晶并自准直，之后锁定自准直仪(1)；将转台(2)俯仰轴转回零位，打开单星模拟器(5)模拟输出单星星点，并上下左右移动长焦距平行光管(4)，使得自准直仪(1)与长焦距平行光管(4)穿轴，即此时自准直仪(1)与长焦距平行光管(4)的光轴平行；此时，转台(2)方位轴便与长焦距平行光管(4)光轴垂直了；

步骤(1-3)：将星敏感器(6)安装在转台(2)上，并使其光轴对准长焦距平行光管(4)，并对单星模拟器(5)星点成像，调整结构件及工装，确保星点成像在探测器靶面中心像素附近位置(x_c，y_c)，则星敏感器(6)光轴方向与长焦距平行光管(4)光轴平行，即：与转台(2)回转轴垂直，至此，星敏感器(6)光轴方向与转台(2)回转轴、方位轴均垂直，建立了基本安装关系。

3.根据权利要求2所述的一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，其特征在于：步骤(2)中的具体方法，包括以下子步骤：

步骤(2-1)：在外场安置三脚架并调平；

步骤(2-2)：在其上安装转台(2)并调平转台(2)，使得转台(2)方位360°范围转动时，转台(2)台面均为水平；

步骤(2-3)：采用与步骤(1-1)实验室完全一致的方式将星敏感器(6)安装在转台(2)上。

4.根据权利要求1所述的一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，其特征在于：步骤(3)中的具体方法，包括以下子步骤：

步骤(3-1)：首先计算测站在t₁时刻北极星的视位置，即北极星的高角E₁和方位角，所述测站经度、纬度已知，t₁时刻可以是当前时刻，也可以是需要的任意时刻；北极星的高角是从地平开始起算的度数，地平为0°，天顶为90°；北极星的方位角从真北方向开始度量，北偏西方向的角度为正，北偏东方向的角度为负，该值表示了视北方向和真北方向的方位偏差；

步骤(3-2)：按照测站当地北向的大致位置，控制转台，使得星敏感器指向北极星所在天区的方向，指北的方法包括：夜空目视北极星找北，或者借助其他传感器找北，或者利用手机等简易设备找北方式；

步骤(3-3)：将转台高角设置为E₁，然后在北极星附近较大范围缓慢转动转台方位，寻找北极星，北极星会进入星敏感器视场；对于视场非常小的星敏感器，比如视场在角分级，可能会因为装调误差超过了半视场的范围，导致此步骤观测不到北极星，此时需要将高角分别设置为：

其中FOV代表星敏感器的瞬时视场，n取2或者3，然后再在北极星所在天区方向较大范围进行方位扫描找北极星；依此向外扩大范围寻找，直到北极星进入星敏感器的视场，粗指北完成；

步骤(3-4)：继续微调控制转台，将北极星星像点移动到视场中心区域位置(x_c，y_c)，并记录此时的时刻t₂，即指北时刻、转台高角Et₂和方位角At₂；

步骤(3-5)：计算t₂时刻北极星视位置对应的高角E₂和方位角A₂，注意：方位角A₂可能为正，或为负；

步骤(3-6)：计算t₂时刻视北校正后的角度：Et₀＝Et₂-E₂；At₀＝At₂-A₂；控制转台转动，使其高角为Et₀，方位角为At₀，即：让转台带动星敏感器，使其方位转到真北方向；高角转到理论水平方向；在此处将转台位置清零，或者标记为相对零位；至此，转台处于测站坐标系的零位，精指北完成，测站坐标系定义为北西天坐标系。

5.根据权利要求1所述的一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，其特征在于：步骤(4)中的具体方法，包括以下子步骤：

步骤(4-1)：建立星敏感器的导航星表，该星表可以是可见光波段的星表，也可以是短波红外波段的星表，星表每一行代表一颗恒星，包括序号、恒星星号、赤经、赤经自行、赤纬、赤纬自行、光谱型信息；

步骤(4-2)：计算指定任意t时刻的导航恒星在测站坐标系下的方位角和高角；

步骤(4-3)：根据星等约束、高角约束、方位角约束、太阳角(即恒星方向与太阳方向的夹角)约束、月亮角(即恒星方向与月亮方向的夹角)约束等选星条件，对导航恒星进行筛选并形成观测计划，观测计划每一行信息主要包括：观测时刻、恒星星号、星等、光谱型、高角、方位角、太阳角、月亮角。

6.根据权利要求1所述的一种小视场星敏感器外场地面寻星方法，其特征在于：步骤(5)中的具体方法为：根据观测计划，控制转台，使星敏感器光轴提前指向目标恒星方向，到观测计划给定的时刻，恒星会进入星敏感器视场，拍摄并存储星图；后续可开展图像处理和数据分析工作，从而对星敏感器的性能指标进行准确评价。

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