专利名称：星敏感器的三轴精度表述与测量方法
技术领域：
本发明属于姿态传感器技术领域，尤其涉及一种星敏感器的三轴精度表述与测量方法。
背景技术：
星敏感器以精度高、功耗低、体积小等优点成为目前航天器最具竞争力的姿态敏感器件。目前，星敏感器的定姿精度已经可以达到10"，某些型号的星敏感器精度甚至可以达到I"水平，高精度是星敏感器得以迅速发展和广泛应用的关键因素。随着星敏感器精度越来越高，对精度表述与测量方法也提出了更高的要求。传统的测试方法主要基于星模拟器及精密转台，需要转台的位置精度比星敏感器的测量精度再高一个数量级，即达到亚角秒的量级水平，这种设备价格昂贵，操作过程复杂。同时，实验室通过转台标定时，以星模拟器作为测量基准，但实现光谱范围、星等和位置精度皆满足要求的全天球星模拟器难度很大，星模拟器与真实星空的导航星还有较大差距，还不能完全模拟真实星空情况，使实验室测试的真实性和准确性难以得到人们的信服。因此，找到一个易实现的、能满足精度要求的星敏感器精度表述与测量方法就显得十分重要和迫切。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本发明需要提供一种星敏感器的三轴精度表述与测量方法，所述三轴精度表述与测量方法能够同时很容易实现对星敏感器的滚转精度和指向精度的测量、解决传统的测试方法操作复杂，需要价格昂贵的精密转台和星模拟器的困扰，同时测量结果较转台式测量方法更具有准确性和真实性，且测试精度能满足星敏感器的要求。根据本发明的一方面，提供了一种星敏感器的三轴精度表述与测量方法，包括如下步骤I)根据实际拍摄时刻(T+At)和导航星在(T+At)时刻地固坐标系(Vtkf)下的方向矢量获得的最优姿态矩阵(Αα(Τ+At))来确定星敏感器的三轴指向矢量P (T+At)
权利要求
1.一种星敏感器的三轴精度表述与测量方法，包括如下步骤.1)根据实际拍摄时刻(T+At)和导航星在(T+At)时刻地固坐标系(Vtkf)下的方向矢量获得的最优姿态矩阵(Aq(T+At))来确定星敏感器的三轴指向矢量P (T+At)
2.根据权利要求I所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，所述步骤(I)进一步包括(11)将星敏感器固定在地球上，且使得星敏感器的滚转轴指向天顶，所述星敏感器可输入时间参数且存储有导航星表和导航星的视运动参数；(12)向所述星敏感器输入测试开始时间相对于J2000.O时刻的当前时刻(T)；(13)根据星敏感器中的导航星在J2000.O坐标系下的赤经和赤纬(α, δ)以及在两个方向上的视运动参数(α '，δ ')来确定导航星在当前时刻(T)在J2000.0直角坐标系下的方向矢量；(14)将导航星在当前时刻(T)在J2000.O直角坐标系下的方向矢量转换为历元黄道坐标系下的方向矢量；(15)将历元黄道坐标系下的方向矢量转变成当前时刻(T)下的天球坐标系下的方向矢量(vCRFT);以及(16)根据实际拍摄时刻(T+At)将导航星在当前时刻(T)从天球坐标系下的方向矢量 (Vceft)变到实际拍摄时刻(T+At)在地固坐标系下的方向矢量(Vtkf)，并基于所述地固坐标系下的方向矢量(Vtkf)，获得所述星敏感器的最优姿态矩阵(Aq(T+At))。
3.根据权利要求2所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，所述步骤(13)中，在所述当前时刻⑴下，导航星在J2000. O直角坐标系下的方向矢量(Vaiw2ciJ为cos(a + aT)cos(5 + δ ) vcrfj2ooo = sm(a + a'T)cos(0 + 0'T) sm(S + ST)
4.根据权利要求2所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，所述步骤(14)中， 历元黄道坐标系下的方向矢量(Vekf)基于所述导航星在J2000.0直角坐标系下的方向矢量且将所述J2000. O坐标系绕着所述J2000. O坐标系的X轴逆时针方向转动 23° 26' 21"的变换之后获得vEEF — Rx (23 26 21 )VcRFJ2000。
5.根据权利要求2所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，所述步骤(15)中，将导航星在历元黄道坐标系下的方向矢量(Vekf)转变成当前时刻(T)下的天球坐标系下的方向矢量(Vcrft)通过下述获得将历元黄道坐标下的方向矢量(Vekf)绕其Z轴顺时针方向转动50. 29" XT ;接着绕第一次转动后的坐标系的X轴顺时针方向转动23° 26' 21"；接着绕第二次旋转后的坐标系的X轴逆时针方向旋转εΑ;接着绕第三次旋转后的坐标系的Z轴顺时针方向旋转Δρ;以及接着绕第四次旋转后的坐标系的X轴顺时针方向旋转εΑ+Λ ε，以获得含有章动项的当前时刻(T)的天球坐标系下的方向矢量(Vckft)，其中Δρ，Δ ε分别表示黄经章动和斜章动。
6.根据权利要求5所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，所述导航星在天球坐标系下的方向矢量(Wkft)通过下述公式获得Vcrft=RxC- (εΑ +As) )RZ(-Ap) Rx(Sa)Rx(-23° 26' 21" )Rz(-50.29" XT)Rx(23° 26' 21" )vCKFJ2_，其中 Rx、Rz 为坐标变换基。
7.根据权利要求6所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，根据IAU2000B章动模型，ε Α与黄经章动(Νφ )和斜章动(Λ ε )分别为ε Α = ε Q-46. 84024" t_0. 00059" t2+0. 001813" t377Αφ=Αφρ +^[(An+Ai2t) Sinciri +A13 Cosal] i=l 77As=Asp +H[(Ai4+Ai5t) Sinciri +A16 Cosal] i=l其中，Δ外=-0.135m(〃)，Λ ε p = 0. 388m(" )，ε。= 84381. 448"，t 为从 J2000. 0 开始的儒略世纪数并基于当前时刻(T)获得；幅角a i为幅角的线性组合
8.根据权利要求2所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，在所述步骤(16)进一步包括(161)根据实际拍摄时刻(T+At)将导航星矢量从当前时刻⑴天球坐标系转到实际拍摄时刻(T+At)的地固坐标系下的方向矢量(Vtkf)；(162)根据所述地固坐标系下的方向矢量(Vtkf)通过QUEST方法求解星敏感器的最优姿态矩阵(Atl (Τ+ Δ t)) ο
9.根据权利要求8所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，在所述步骤(161) 中，导航星在地固坐标系下的方向矢量(Vtkf)通过将所述导航星在天球坐标系下的方向矢量(Vceft)绕天球坐标系的Z轴以Ω = 7. 292115X 10_5rad/s逆时针旋转获得Vtrf Rz ( Q 八 ) Vcrfto
10.根据权利要求8所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，在所述步骤(162) 中，所述最优姿态矩阵(Aq(T+At))通过使得下面的目标函数J(Aq(T+At))达到最小值而获得
11.根据权利要求I所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，在步骤3)中， 利用最小二乘法，获得星敏感器X轴、Y轴和Z轴的最优矢量Ptjpt (Τ+Λ t)，使ρ_(Τ+Λ t) 的三个行向量[pxQpt(T+At), Pyopt (Τ+Δ t), PZopt (Τ+Δ )]分别与不同时刻(Τ+Δ )的 [ρχ (Τ+Ati), pyCT+Ati)，ρζ(Τ+Λ\)]向量夹角的平方和最小，并对所述三个行向量进行归一化。
12.根据权利要求I所述的三轴精度表述与测量方法，其特征在于，所述星敏感器的3σ滚转精度为3 σ χ或3 σ γ，3 σ指向精度为3 σ ζ。
全文摘要
本发明公开了一种星敏感器的三轴精度表述与测量方法，包括1)根据实际拍摄时刻(T+Δt)和导航星在(T+Δt)时刻地固坐标系(vTRF)下的方向矢量获得的最优姿态矩阵(Aq(T+Δt))来确定星敏感器的三轴指向矢量p(T+Δt)；2)将获得的星敏感器三轴指向矢量p(T+Δt)用行向量表示为p(T+Δt)＝[px(T+Δt)，py(T+Δt)，pz(T+Δt)]；3)根据星敏感器三轴指向矢量的行向量，获得三轴的最优矢量popt(T+Δt)；4)根据星敏感器三轴最优指向矢量popt(T+Δt)和不同时刻(T+Δti)的三轴指向矢量p(T+Δti)，得到余弦矩阵C；5)根据余弦矩阵C，进一步获得(T+Δti)时刻星敏感器三个最优指向矢量与三轴矢量各自的夹角(αi，βi，εi)；6)根据αi，βi，εi，得到所述星敏感器的滚转精度和指向精度。
文档编号G01C25/00GK102607597SQ20121005954
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者孙婷, 尤政, 邢飞 申请人:清华大学