一種基于星圖數(shù)據(jù)的星敏感器在軌精度測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于星敏感器自身星圖數(shù)據(jù)的星敏感器在軌指向精度等關(guān)鍵性 能的測(cè)量方法，屬于航天器在軌測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前普遍認(rèn)為星敏感器是可提供最高精度的航天器絕對(duì)姿態(tài)測(cè)量器件。它的工作 原理是以空間中的恒星作為參照物，通過星敏感器的探測(cè)單元對(duì)空間恒星目標(biāo)進(jìn)行成像， 對(duì)捕獲的星圖進(jìn)行質(zhì)心提取、星圖識(shí)別、星跟蹤、姿態(tài)計(jì)算等一系列處理，獲得星敏感器瞬 時(shí)視軸指向信息，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)變換，最后輸出航天器本體坐標(biāo)系的方位信息。
[0003] 星敏感器因其特殊應(yīng)用環(huán)境、基準(zhǔn)等不同于地面實(shí)驗(yàn)條件，需要開展基于在軌試 驗(yàn)數(shù)據(jù)的性能比較與考核評(píng)價(jià)，因星敏感器在軌精度測(cè)量受到星點(diǎn)位置提取誤差、主點(diǎn)位 置誤差、焦距偏差、恒星的方向矢量誤差和姿態(tài)解算算法誤差等多種因素影響，從而對(duì)測(cè)量 工作提出了新問題、新要求。由于星敏感器的精度較高，對(duì)導(dǎo)航星的位置信息等要求也比較 高，在軌驗(yàn)證一般也只是驗(yàn)證星敏感器的一些空間適應(yīng)性，對(duì)星敏感器的在軌最關(guān)鍵技術(shù) 指標(biāo)一精度的測(cè)量多是通過與航天器平臺(tái)同類數(shù)據(jù)的比對(duì)間接獲得，受限于時(shí)間對(duì)準(zhǔn)和安 裝矩陣誤差帶來的影響，測(cè)量精確性不夠高。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有專利成果的調(diào)研，尚未有對(duì)如何應(yīng) 用星敏感器自身獲取的星圖提高星敏感器在軌精度測(cè)量準(zhǔn)確性的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：解決星敏感器指向精度等在軌關(guān)鍵性能精確測(cè)量難 題，有效提高了測(cè)量準(zhǔn)確性，減少對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)的依賴和資源需求，屬于航天器測(cè)量領(lǐng)域。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：應(yīng)用星敏感器單幀星圖數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)星敏感器在軌精度的 測(cè)量，主要
【發(fā)明內(nèi)容】
如下：
[0006] 步驟1:星圖獲取及提取
[0007] 根據(jù)衛(wèi)星實(shí)時(shí)空間位置信息，推算得到準(zhǔn)確的星圖拍攝時(shí)間，然后根據(jù)星圖拍攝 時(shí)間編制星敏感器在軌程控指令，在規(guī)定時(shí)間控制星敏感器的圖像傳感器獲取位于導(dǎo)航星 表中的導(dǎo)航星星圖信息，得到滿足目標(biāo)區(qū)域要求的星圖數(shù)據(jù)；然后進(jìn)行星點(diǎn)提取，為從星圖 中區(qū)分背景像素、噪聲像素和星點(diǎn)像素，識(shí)別出星點(diǎn)信息，首先，將當(dāng)前像素灰度值與預(yù)設(shè) 的閾值進(jìn)行比較，如大于閾值則標(biāo)記為噪聲標(biāo)記或星點(diǎn)標(biāo)記，如小于閾值則標(biāo)記為背景標(biāo) 記，然后根據(jù)相鄰像素標(biāo)記就可以識(shí)別該像素屬于哪個(gè)星點(diǎn)，再對(duì)該星點(diǎn)對(duì)應(yīng)的質(zhì)心參數(shù) 組值進(jìn)行累加，如果當(dāng)前像素標(biāo)記為背景標(biāo)記或噪聲標(biāo)記，則不執(zhí)行相應(yīng)的識(shí)別和累加操 作，以此實(shí)現(xiàn)在去除噪聲的同時(shí)提取星點(diǎn)質(zhì)心，得到星點(diǎn)坐標(biāo)，最后再結(jié)合星敏感器的固有 參數(shù)，得到星點(diǎn)在星敏感器坐標(biāo)系統(tǒng)中的方向矢量
[0008] 步驟2:星圖識(shí)別處理
[0009] 利用基于k矢量和導(dǎo)航星域相結(jié)合的4主星星圖識(shí)別方法綜合實(shí)現(xiàn)了全天自主模 式快速識(shí)別和跟蹤模式下的主星星圖識(shí)別能力，識(shí)別出當(dāng)前在星敏感器坐標(biāo)系統(tǒng)的方向矢 量^的星像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)導(dǎo)航星表中的導(dǎo)航星si，通過篩選導(dǎo)航星，進(jìn)而獲得在星敏感器坐標(biāo) 系統(tǒng)中的方向矢量K的星點(diǎn)在天球坐標(biāo)系中的方向矢量Vi;
[0010] 步驟3:基于單幀星圖數(shù)據(jù)的星敏感器在軌精度計(jì)算方法
[0011] 在理想情況下Wl、星敏感器姿態(tài)矩陣A以及Vl滿足如下關(guān)系為wAvi。利用 QUEST(四元數(shù)估計(jì)算法）及相關(guān)算法對(duì)星敏感器姿態(tài)矩陣A進(jìn)行求解，通過求解使得星點(diǎn) 理論星點(diǎn)位置與實(shí)際測(cè)量誤差最小化的目標(biāo)函數(shù)J(Aq)，獲得最優(yōu)姿態(tài)矩陣Aq。
[0012] 再根據(jù)姿態(tài)矩陣A和\，反算出每顆導(dǎo)航星在圖像傳感器上理論星點(diǎn)位置。
[0013] 最后通過計(jì)算理論星點(diǎn)位置與實(shí)際測(cè)量的星點(diǎn)位置的誤差，對(duì)所有識(shí)別出的星點(diǎn) 的實(shí)際測(cè)量星點(diǎn)位置與理論星點(diǎn)位置誤差取平均值，并將誤差平均值轉(zhuǎn)換為等效的角度 值，等效的角度值即表示星敏感器的在軌指向精度。
[0014] 在步驟3后還增步驟4,對(duì)基于單幀星圖數(shù)據(jù)的星敏感器在軌精度計(jì)算結(jié)果的一 致性驗(yàn)證，驗(yàn)證方法為：
[0015] (1)確定導(dǎo)航星在基準(zhǔn)時(shí)刻T的J2000. 0直角坐標(biāo)系下的方向矢量；在地面測(cè)試 階段，將同樣的星敏感器固定在地面，存儲(chǔ)星圖并使其滾轉(zhuǎn)軸指向天頂。根據(jù)星敏感器獲取 的導(dǎo)航星在J2000. 0坐標(biāo)系下的赤經(jīng)和赤煒以及相應(yīng)的視運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定基準(zhǔn)時(shí)刻T導(dǎo)航星 的方向矢量；
[0016] (2)推算導(dǎo)航星在基準(zhǔn)時(shí)刻T在消除歲差和章動(dòng)影響的天球坐標(biāo)系下的方向矢 量；根據(jù)星敏感器實(shí)際拍攝時(shí)刻（T+△ 和地球的歲差、章動(dòng)及自轉(zhuǎn)，獲得精度測(cè)試轉(zhuǎn)換矩 陣和將J2000. 0坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為歷元黃道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得基準(zhǔn)時(shí)刻T下的消除章動(dòng)影響的天球坐標(biāo)系下的方向矢量；Atl為相對(duì)于基準(zhǔn)時(shí)刻T的實(shí)際時(shí)間；
[0017] (3)獲取導(dǎo)航星在實(shí)際拍攝時(shí)刻（T+Atl)地固坐標(biāo)系下的方向矢量，基準(zhǔn)時(shí)刻T 天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到實(shí)際拍攝時(shí)刻（T+Ati)的地固坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，是通過將天球坐標(biāo)系繞天球 坐標(biāo)系的Z軸以Ω= 7. 292115X10 5rad/s逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)獲得；
[0018] (4)建立星敏感器的最優(yōu)姿態(tài)矩陣，再應(yīng)用QUEST方法使實(shí)際拍攝時(shí)刻（T+Atl) 星點(diǎn)理論星點(diǎn)位置與實(shí)際測(cè)量誤差最小化的目標(biāo)函數(shù)J(Aq (T+△ )達(dá)到最小值而得到星 敏感器的最優(yōu)姿態(tài)矩陣；
[0019] (5)計(jì)算星敏感器三軸矢量及指向和滾轉(zhuǎn)精度，最后根據(jù)星敏感器最優(yōu)姿態(tài)矩陣 得到精度測(cè)試矩陣，再根據(jù)精度測(cè)試矩陣確定實(shí)際拍攝時(shí)刻的星敏感器三軸矢量，進(jìn)而得 到指向精度和滾轉(zhuǎn)精度。
[0020] 在步驟1前構(gòu)建導(dǎo)航星表，導(dǎo)航星表包含導(dǎo)航星在導(dǎo)航星表中的編號(hào)和導(dǎo)航星在 慣性空間的方向矢量，根據(jù)直角坐標(biāo)與球面坐標(biāo)的關(guān)系，得到每顆恒星在天球直角坐標(biāo)系 下的方向矢量，建立恒星方向矢量庫(kù)；再根據(jù)星敏感器的探測(cè)能力和分辨精度從星庫(kù)中選 出滿足星敏感器成像條件的恒星組成導(dǎo)航星，構(gòu)成導(dǎo)航星表，導(dǎo)航星表在地面一次性固化 在星敏感器的存儲(chǔ)器中。
[0021] 所述步驟1中的衛(wèi)星實(shí)時(shí)空間位置信息獲得為：依托衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與管理分系統(tǒng) 的分包預(yù)處理模塊和工程值解碼模塊完成對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)遙測(cè)信息的接收、處理，獲得衛(wèi)星軌 道瞬態(tài)信息，再結(jié)合軌道分析工具實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)，確定衛(wèi)星實(shí)時(shí)空間位置信息。
[0022]所述步驟1的推算得到準(zhǔn)確的星圖拍攝時(shí)間過程為：因星敏感器光軸指向與衛(wèi)星 本體姿態(tài)相對(duì)關(guān)系已知，根據(jù)衛(wèi)星本體實(shí)時(shí)空間位置信息即可知道星敏感器探測(cè)單元的實(shí) 時(shí)指向目標(biāo)天區(qū)，通過選定星敏感器探測(cè)單元的成像目標(biāo)天區(qū)即可反算出星敏感器的星圖 拍攝時(shí)間。
[0023] 所述步驟2的利用基于k矢量和導(dǎo)航星域相結(jié)合的4主星星圖識(shí)別算法綜合實(shí)現(xiàn) 了全天自主模式快速識(shí)別和跟蹤模式下的主星星圖識(shí)別能力，快速識(shí)別出當(dāng)前在星敏感器 坐標(biāo)平面上方向矢量Wl的星點(diǎn)所對(duì)應(yīng)導(dǎo)航星表中的導(dǎo)航星si在天球坐標(biāo)系中的方向矢量 \，具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0024] (1)基于k矢量和導(dǎo)航星域相結(jié)合的快速自主星圖識(shí)別
[0025] 首先根據(jù)建立的導(dǎo)航星表，對(duì)全天球的導(dǎo)航星按照星對(duì)角距歸類，建立對(duì)應(yīng)導(dǎo)航 星的k矢量和k矢量查找表，再利用星敏感器視場(chǎng)中的4顆星構(gòu)成6組星對(duì)角距，將其中的 5組星對(duì)角距所對(duì)應(yīng)k矢量查找表域的星對(duì)組進(jìn)行導(dǎo)航星表域，即導(dǎo)航星域的變換，再根據(jù) 另外1組星對(duì)角距所對(duì)應(yīng)的k矢量查找表域的值對(duì)其它5組導(dǎo)航星域的值進(jìn)行索引比較， 最后直接找到滿足條件的4顆導(dǎo)航星，完成星圖識(shí)別，獲得4顆在星敏感器坐標(biāo)系統(tǒng)中的方 向矢量Wl的星點(diǎn)所對(duì)應(yīng)導(dǎo)航星表中的導(dǎo)航星si在天球坐標(biāo)系中的方向矢量v1;
[0026] 其中導(dǎo)航星域定義為：給定一組星對(duì)角距的范圍M，在導(dǎo)航星表中組成Μ的每個(gè)導(dǎo) 航星的出現(xiàn)次數(shù)稱為導(dǎo)航星域的值，導(dǎo)航星域就是統(tǒng)計(jì)相應(yīng)導(dǎo)航星出現(xiàn)的次數(shù)；
[0027] (2)跟蹤模式下的4主星星圖識(shí)別
[0028] 利用識(shí)別出的4顆主星作為初始信息進(jìn)行有初指向的局部星圖識(shí)別，計(jì)算星敏感 器的姿態(tài)并獲取運(yùn)動(dòng)角速度，結(jié)合前面兩步得到的先驗(yàn)信息，預(yù)測(cè)下一采樣時(shí)刻的姿態(tài)和 星點(diǎn)位置，進(jìn)入快速預(yù)測(cè)跟蹤模式識(shí)別，快速識(shí)別出下一采樣時(shí)刻的4顆在星敏感器坐標(biāo) 系統(tǒng)中的方向矢量Wl的星點(diǎn)所對(duì)應(yīng)導(dǎo)航星表中的導(dǎo)航星Sl在天球坐標(biāo)系中的方向矢量Vl， 實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)時(shí)性。
[0029] 所述步驟3的求解使得星點(diǎn)理論星點(diǎn)位置與實(shí)際測(cè)量誤差最小化的目標(biāo)函數(shù) J(A