CN116734890A - 一种星敏感器与光学望远镜在轨定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星敏感器与光学望远镜在轨定标方法，包括以下步骤：步骤一、基于光学望远镜VT获得J2000坐标系下光轴指向，计算VT相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵；并且基于星敏感器测量J2000坐标系下姿态四元数，计算星敏感器相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵；步骤二、计算星敏感器在VT坐标系中的安装矩阵和安装角度；步骤三、重复步骤一和步骤二多次后获得多个安装矩阵和安装角度，再分别计算多个安装角度的平均值；步骤四、在轨更新星敏感器定标矩阵。利用光学望远镜超高的定姿精度，通过多次测量的方法提高定标精度，在轨更新星敏感器定标矩阵，以解决上述背景技术中提出的问题。
Description
技术领域
本发明涉及星敏感器领域，尤其涉及到一种星敏感器与光学望远镜在轨定标方法。
背景技术
卫星进行深空任务观测时，需要载荷即光学望远镜长期实现对目标的绝对指向，因此需要卫星姿态测量系统提供高精度姿态信息。由于卫星发射期间经过主动段高量级的振动，以及在轨运行期间长期高低温循环，星敏感器测量基准与载荷望远镜基准发生了巨大变化，往往达到几角分，远远超出望远镜指向精度要求，需要对星敏感器进行标定。以往的星敏感器标定大多采用地面处理的方法，将星敏感器的图像下传到地面，与星表中星点位置进行标定处理后给出姿态四元数及标定矩阵，再上传到星上完成标定，精度达到几角秒。至今未见利用星上高精度载荷望远镜，在轨完成星敏感器与望远镜定标的方法。
以往卫星姿态测量系统多使用星敏感器作为绝对姿态敏感器，单台星敏感器在轨测量精度约为5角秒，双星敏数据融合后可达到2角秒。由于卫星发射过程中经过振动，在轨运行过程中星敏感器安装基准发生热弹性形变，仅使用星敏感器无法确定航天器及光学望远镜高精度的真实指向，也无法确定星敏感器与载荷之间的偏差。如今深空探测航天器对姿态确定、载荷指向提出了越来越高的要求，已经达到亚角秒定姿的要求。因此，传统姿态测量系统仅仅使用星敏感器已经无法满足科学任务要求，需要利用星上载荷与星敏感器在轨定标，提高绝对定姿精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星敏感器与光学望远镜在轨定标方法，利用光学望远镜超高的定姿精度，通过多次测量的方法提高定标精度，在轨更新星敏感器定标矩阵，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述发明目的，本发明提供一种星敏感器与光学望远镜在轨定标方法，包括以下步骤：
步骤一、基于光学望远镜VT获得J2000坐标系下光轴指向，计算VT相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵；并且基于星敏感器测量J2000坐标系下姿态四元数，计算星敏感器相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵；
步骤二、计算星敏感器在VT坐标系中的安装矩阵和安装角度；
步骤三、重复步骤一和步骤二多次后获得多个安装矩阵和安装角度，再分别计算多个安装角度的平均值；
步骤四、在轨更新星敏感器定标矩阵。
进一步的，步骤一中所述基于光学望远镜VT获得J2000坐标系下光轴指向方位俯仰旋转角为计算VT相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵姿态矩阵/>
为光轴指向方位俯仰旋转角/>绕x轴旋转角度/>的旋转矩阵：
Ry(-δ)为光轴指向方位俯仰旋转角绕y轴旋转角度-δ的旋转矩阵：
Rz(α)为光轴指向方位俯仰旋转角绕z轴旋转角度α的旋转矩阵：
所述星敏感器测量J2000坐标系下姿态四元数计算星敏感器相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵/>
进一步的，步骤二中所述计算星敏感器在VT坐标系中的安装矩阵和安装角度
星敏感器在VT坐标系中的安装矩阵：
星敏感器在VT坐标系中的安装角度：
进一步的，重复步骤一和步骤二n次后获得多个安装矩阵和安装角度 再分别计算n个安装角度的平均值：
进一步的，步骤四所述在轨更新星敏感器定标矩阵：将带入公式(1)计算修正定标矩阵/>
式中，为平均安装角，/>分别为绕x轴、y轴、z轴旋转的旋转矩阵，计算方法同式(2)、式(3)、式(4)。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：利用光学望远镜超高的定姿精度，校正星敏感器与载荷之间的误差，通过多次测量的方法提高定标精度，该方法定标精度可以达到角秒，大大提高了星敏感器的绝对定姿精度。另外在轨更新星敏感器定标矩阵，提高了更新的灵活性和实时性。
附图说明
图1为星敏感器与光学望远镜在轨定标方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，利用光学望远镜(VT)超高的定姿精度(精度达到1角秒)，校正星敏感器与载荷之间的误差，需要首先基于光学望远镜VT获得J2000坐标系下光轴指向，计算VT相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵，并且基于星敏感器测量J2000坐标系下姿态四元数，计算星敏感器相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵，然后，计算星敏感器在VT坐标系中的安装矩阵和安装角度；重复前面的步骤多次后获得多个安装矩阵和安装角度，再分别计算多个安装角度的平均值及其对应的安装矩阵；最后在轨更新星敏感器定标矩阵。
以下是具体计算过程。
(1)基于光学望远镜VT获得J2000坐标系下光轴指向方位俯仰旋转角为计算VT相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵姿态矩阵/>和四元数/>(精度达到1角秒)：
为光轴指向方位俯仰旋转角/>绕x轴旋转角度/>的旋转矩阵，计算方法如下：
Ry(-δ)为光轴指向方位俯仰旋转角绕y轴旋转角度-δ的旋转矩阵，计算方法如下：
Rz(α)为光轴指向方位俯仰旋转角绕z轴旋转角度α的旋转矩阵，计算方法如下：
“·”为矩阵乘法，3×3矩阵计算方法如下：
若已知
则
(2)星敏感器测量J2000坐标系下姿态四元数(精度约3角秒)，计算星敏感器相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵/>
(3)计算星敏感器在VT坐标系中的安装矩阵和安装角度/>
星敏感器在VT坐标系中的安装矩阵：
其中为/>的逆矩阵，计算方法如下：
为3×3矩阵,记为：
式中
星敏感器在VT坐标系中的安装角度：
其中为3×3矩阵,记为：
(4)n次测量获得n组数据并求数学平均
(5)平均安装角带入公式(1)计算修正定标矩阵/>
式中
为平均安装角，/>分别为绕x轴、y轴、z轴旋转的旋转矩阵，计算方法同式(2)、式(3)、式(4)。
由此得到的星敏感器与VT之间定标精度约为角秒。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种星敏感器与光学望远镜在轨定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于光学望远镜VT获得J2000坐标系下光轴指向，计算VT相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵；并且基于星敏感器测量J2000坐标系下姿态四元数，计算星敏感器相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵；
步骤二、计算星敏感器在VT坐标系中的安装矩阵和安装角度；
步骤三、重复步骤一和步骤二多次后获得多个安装矩阵和安装角度，再分别计算多个安装角度的平均值；
步骤四、在轨更新星敏感器定标矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种星敏感器与光学望远镜在轨定标方法，其特征在于，步骤一中所述基于光学望远镜VT获得J2000坐标系下光轴指向方位俯仰旋转角为计算VT相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵姿态矩阵/>
为光轴指向方位俯仰旋转角/>绕x轴旋转角度/>的旋转矩阵：
Ry(-δ)为光轴指向方位俯仰旋转角绕y轴旋转角度-δ的旋转矩阵：
Rz(α)为光轴指向方位俯仰旋转角绕z轴旋转角度α的旋转矩阵：
所述星敏感器测量J2000坐标系下姿态四元数计算星敏感器相对于J2000坐标系下的卫星姿态矩阵/>
3.根据权利要求2所述的一种星敏感器与光学望远镜在轨定标方法，其特征在于，步骤二中所述计算星敏感器在VT坐标系中的安装矩阵和安装角度/>
星敏感器在VT坐标系中的安装矩阵：
星敏感器在VT坐标系中的安装角度：
4.根据权利要求3所述的一种星敏感器与光学望远镜在轨定标方法，其特征在于，重复步骤一和步骤二n次后获得多个安装矩阵和安装角度再分别计算n个安装角度的平均值：
5.根据权利要求4所述的一种星敏感器与光学望远镜在轨定标方法，其特征在于，步骤四所述在轨更新星敏感器定标矩阵：将带入公式(1)计算修正定标矩阵/>
式中，为平均安装角，/>分别为绕x轴、y轴、z轴旋转的旋转矩阵，计算方法同式(2)、式(3)、式(4)。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117570999A (zh) * | 2023-11-17 | 2024-02-20 | 中国科学院微小卫星创新研究院 | 多个星敏感器的姿态融合方法、系统及计算机可读介质 |
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2023
- 2023-06-07 CN CN202310668105.3A patent/CN116734890A/zh active Pending
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| CN117570999B (zh) * | 2023-11-17 | 2024-06-18 | 中国科学院微小卫星创新研究院 | 多个星敏感器的姿态融合方法、系统及计算机可读介质 |
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