专利名称：一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法，属于姿态测量技术领域。
背景技术：
载体的姿态参数是导航系统中的重要参数，主体上大都采用惯性导航系统来得到载体的姿态。虽然惯性导航系统具有技术成熟、精度高、数据输出率高的优点，但存在着设备复杂、价格昂贵等缺点，并且随着时间累积，会出现漂移问题，因而往往需要其它导航方式的辅助修正漂移。星敏感器是一种以恒星作为观测目标确定载体相对于赤道惯性坐标系绝对空间姿态的高精度姿态敏感器，具有精度高、不受电磁干扰、隐蔽性好、可靠性高、没有时间漂移等优点。赤道惯性坐标系即&轴指向春分点T、&轴指向天北极的地心惯性坐标系，星敏感器直接测得的就是相对于该惯性空间的绝对姿态。如果期望基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态，还需要确定载体位置，并利用精密时钟确定春分点的格林时角(GHAt)。 该套装置获得的姿态测量结果，也可以辅助完成惯导初始对准及载体飞行过程中对陀螺的漂移修正。计时仪器制造相对容易、成本低、精度高，我国研制的铯原子钟1500万年不差1 秒，世界最精准原子钟3亿年误差不到1秒。天文观测数据及拟合公式计算结果的精度，也远高于导航的工程实际需求。精密时间主要通过国家授时中心的授时得到，或利用GPS接收机定时功能，测得钟差得到精密计时，最后得到格林尼治真恒星时(GAST)，也即GHAt。获得载体的地理位置，可以利用惯导系统，或卫星导航系统，或基于地面测量站遥测，或依据载体轨道动力学解算，或航迹推算等方法。卫星导航系统包括美国的GPS、我国的北斗卫星导航系统、俄国的GL0NASS、欧洲的Galileo卫星导航系统，通过接收卫星的发射信号并进行数据处理，从而求得载体的地理位置，以下以导航型GPS接收机为例叙述，所述方法适用于其它定位终端或方法。基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的系列环节中，关键环节就是求得赤道惯性坐标系到地球坐标系的转换矩阵。地球本身就是一个大转台，载体随地球旋转而旋转，从相对运动角度看，赤道惯性坐标系&轴所指向的春分点T沿天赤道相对地球至东向西转动，GHAt可以由精密计时获得，如图1所示，根据GHAt就可以计算赤道惯性坐标系到地球坐标系的转换矩阵。GHAt也可以由GPS获得，GPS导航电文中提供了一周开始时刻的格林尼治真恒星时GASTw,利用该信息可以得到该周任意时刻的GAST。经文献检索发现，中国发明专利申请号201010215336. 1，名称基于C⑶星敏感器的对准方法，该专利涉及到了利用计时来获得赤道惯性坐标系到地球坐标系的转换矩阵， 但该方法使用的是查表法，手工查表意味着不能实现完全自动化，并且关于具体的实施方案描述也不够完善，制约了工程化。本专利提供的赤道惯性坐标系到地球坐标系的转换矩阵的计算方法，不需手动输入任何参数，利用相关公式和精密计时实现实时自动化地获取赤道惯性坐标系到地球坐标系的转换矩阵，再配合星敏感器、GPS设备的输出，从而得到载体相对于地理坐标系的姿态。
发明内容
1.目的本发明的目的是提供一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法，它充分利用了星敏感器、计时仪器高精度的特点，利用外界测量的载体位置信息，自动实时地得到载体相对于地理坐标系的姿态信息，方便工程应用。2.技术方案本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明提供一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法，它包括如下步骤步骤一依靠精密计时和格林尼治恒星时精确公式，或直接利用GPS授时及电文解算方式，获得测量时刻的GHAt，如图1所示，从而求取从赤道惯性坐标系i系到WGS-84坐标系w系的转换矩阵Cwi;步骤二 由外界信息或定位测量设备获得载体的精确地理坐标，求取从w系到地理坐标系t系的转换矩阵Ctw ；步骤三依靠星敏感器，获得从i系到星敏感器坐标系s系的转换矩阵Csi。步骤四上述三个步骤给出姿态信息后，解算得到载体坐标系b系相对于地理坐标系t系的姿态矩阵C6i = 0^^^6，其中Csb为星敏感器的安装矩阵，在实验室内测定， 视为已知常量矩阵，i系、W系、t系、b系空间位置关系示意图，参见图2。其中，步骤一中的基于精密计时技术的高精度转换矩阵Cwi的电算化方法，是本发明的核心技术。主要围绕2个最主要的公式开展应用推导，第一个是地球自转角ERA (Earth Rotation Angle),用 θ 表示，θ = 2 π (0· 7790572732640+1. 00273781191135448TU)式中，Tu = (UT1儒略日-2451545. 0)，即当前观测历元与J2000. 0标准历元的儒
略日间隔。第二个公式则为格林尼治真恒星时GAST的求解公式GAST = 0.14506 + Θ + 4611.5739966/1+1.3966772k2 -0.00009344^3 +0.00001882^4
+A^cos^-^jkC'k sinak -0.000000877sin Ω其中，参数t为地球时TT的儒略世纪数，其它参数意义见(五)中详述。GAST即为此时刻的春分点的格林时角GHAt。电算化编程计时环节的高精度实时输出，需要保证公式所涉及全部参数的高度准确性，世界时UTl和地球时TT之间的偏差Δ TT的推算值，可以从USNO (United States Naval Observatory，美国海军天文台)网站获取。步骤一中，利用GPS授时功能及电文解算法，则更为简单，GPS导航电文中提供了一周开始时刻的格林尼治真恒星时GASTw,则该周任意时刻的格林尼治真恒星时GAST = GASTw+ ietoe, toe为一周开始时刻至测量时刻的累积原子时秒数。3.优点及功效本发明基于星敏感器而不依赖惯性测量组合，实时确定载体相对于地理坐标系姿态。它充分利用了计时仪器制造相对容易、成本低、精度远高于最高端的姿态测量仪器的特点，并利用了真恒星时的计算公式获得GHAT，载体姿态实现了实时自动输
出ο
图1春分点格林时角示意2i系、w系、t系、b系、s系空间位置关系示意3载体相对地理坐标系的姿态建立流程示意4 2006年度GAST误差仿真曲线示意5 2011年度GAST误差仿真曲线示意6 WGS-84坐标系w系到地理坐标系t系的欧拉角转换关系示意图
具体实施例方式为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述本发明所述方法的姿态建立流程图如图3所示。该姿态测量方法包括以下步骤步骤一计算赤道惯性坐标系i系到WGS-84坐标系的转换矩阵Cwi计算姿态转换矩阵Cwi的关键就是求解GAST即GHAt。具体实施步骤如下(1)求地球自转角θ利用GPS定时型接收机输出得到世界时UT1，可以计算得到重要参量——地球自转角 ERA (Earth Rotation Angle)，用 θ 表示，θ = 2 π (0. 7790572732640+1. 00273781191135448TU) (1)其中，Tu = (UT1儒略日-2451545. 0)，即当前观测历元与J2000. 0标准历元的儒
略日间隔。(2) UTl换算为地球时TTTT = UTl+Δ TT (2)其中，ΔΤΤ可以从USNO(UnitedStatesNavalObservatory，美国海军天文台)网站获取，在一个形式为deltat.preds的数据文件中给出。目前，该网站对ΔΤΤ的值已预测到 2019年，如表1所示，该表格采用一定的形式装订到运行程序中。表1截止至2019年得Δ TT的预测值
权利要求
1.一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法，其特征在于该方法具体步骤如下步骤一依靠精密计时和格林尼治恒星时精确公式，或直接利用GPS授时及电文解算方式，获得测量时刻的春分点格林时角，从而求取从赤道惯性坐标系i系到WGS-84坐标系 w系的转换矩阵Cwi ；步骤二 由外界信息或定位测量设备获得载体的精确地理坐标，求取从w系到地理坐标系t系的转换矩阵Ctw ；步骤三依靠星敏感器，获得从i系到星敏感器坐标系s系的转换矩阵Csi ； 步骤四上述三个步骤给出姿态信息后，解算得载体坐标系b系相对于t系的姿态矩阵 Qi=Q^QQK，其中Csb为星敏感器的安装矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法， 其特征在于将自转的地球作为一个大转台，自动化电算程序利用IERS(国际地球自转和参考系服务)网站及USNO(United States Naval Observatory，美国海军天文台)网站提供的参数，通过计时及时间制式转换，得到格林尼治真恒星时GAST，即春分点格林时角 GHAt，格林尼治真恒星时GAST的求解公式一般形式为GAST = 0.14506" +Θ + 4611.5739966'V + 1.39667721V2 -0.00009344" t3 + 0.00001882" t4 + Αψ cos εΑ-Ζ kC'k >mak -0.00000087、sin Ω二分差附加项0.00000087、ιηΩ冲，累加项取33项，则具体形式为GAST = 0.14506" +Θ + 4611.5739966、+ 1.39667721'V2 —0.00009344'y +0.00001882V4 + Δ ycos。33-Yj(Cll sin at + C12 cosat)~0.00000087Vsin Ω!=1针对工程应用精度要求较低情况，为提高电算化程序计算速度，二分差附加项累加项可取更少的项数，或可以直接略去二分差附加项，则简化形式为 GAST = 0. 14506" + θ+4611. 5739966" t+1. 39667721 “ t2-0. 00009344" t3+0. 00001882" t4+A ψ cos ε A 参数t为地球时TT的儒略世纪数，θ为地球自转角，如下为θ的两个常用公式形式 θ =231 (UTlJulian day fraction+0. 779057273264+0. 00273781191135448TU) θ = 2 π (0. 7790572732640+1. 00273781191135448TU)或者，利用GPS授时功能及电文解算法得到GAST，则更为简单，GPS导航电文中提供了一周开始时刻的格林尼治真恒星时GASTw,则该周任意时刻的格林尼治真恒星时GAST = GASTw+ ietoe, toe为一周开始时刻至测量时刻的累积原子时秒数；最后得到从i系到w系的实时转换矩阵Cwi，完成Cwi的实时精确解算。
全文摘要
本发明提供一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法，属于姿态测量技术领域。首先，依靠精密计时和格林尼治恒星时公式，或通过GPS授时，获得测量时刻春分点格林时角，求取从赤道惯性坐标系i系到WGS-84坐标系w系的转换矩阵Cwi；然后，依靠外界信息或定位设备获得载体地理坐标，求取从w系到地理坐标系t系的转换矩阵Ctw；接着，星敏感器获得从i系到星敏感器坐标系s系的转换矩阵Csi；最后利用上述三个姿态阵，解算得载体坐标系b系相对于t系的姿态矩阵Csb为星敏感器的安装常数矩阵。本发明基于计时仪器获得春分点格林时角，电算化程序实现了载体相对于地理坐标系的姿态信息的实时解算。
文档编号G01C21/20GK102426017SQ20111034337
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者武文卿, 王海涌, 陆婷婷, 韩潮 申请人:北京航空航天大学