專(zhuān)利名稱(chēng)：一種星敏感器在軌光行差的修正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間科學(xué)，具體說(shuō)就是一種星敏感器在軌光行差的修正方法。 背景技術(shù)：
任何恒星在天球上的位置都是確定的，因此，實(shí)現(xiàn)恒星的捕獲與跟蹤的星敏感器成為空間飛行器上用于精確測(cè)定飛行器飛行姿態(tài)的測(cè)量設(shè)備。它以可精確定位的恒星系統(tǒng)作為絕對(duì)參照系，通過(guò)對(duì)恒星的觀測(cè)、識(shí)別、計(jì)算得到空間飛行器的姿態(tài)。由于恒星的位置被定義在慣性坐標(biāo)系中，星敏感器每次的姿態(tài)估算都是敏感器相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)直接測(cè)量，這些測(cè)量值不會(huì)像基于陀螺的姿態(tài)測(cè)定系統(tǒng)那樣具有系統(tǒng)偏差和慢速漂移。星敏感器姿態(tài)的測(cè)量值可以直接使用，或用來(lái)修正陀螺漂移，而無(wú)須考慮任何偏差和漂移的校正。星敏感器的測(cè)姿精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于太陽(yáng)角計(jì)、地磁傳感器等其它測(cè)姿設(shè)備，它是目前航天應(yīng)用中測(cè)量精度最高的測(cè)姿敏感器。星敏感器是高精度儀器，但存在多種誤差源，例如安裝，熱變形等誤差以及光學(xué)系統(tǒng)成像誤差，加工裝配誤差，光軸不穩(wěn)定性，圖像傳感器噪聲、暗電流、響應(yīng)不均勻性，電子線路噪聲，標(biāo)定誤差等。因此必須進(jìn)行誤差標(biāo)定補(bǔ)償才能獲得高測(cè)角精度。星敏感器標(biāo)定采用待定系數(shù)法同時(shí)對(duì)焦距、主點(diǎn)誤差、空間量化誤差和光學(xué)系統(tǒng)畸變進(jìn)行修正，可采用實(shí)驗(yàn)室高精度轉(zhuǎn)臺(tái)和外場(chǎng)實(shí)際觀星進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定利用單星模擬器和精密轉(zhuǎn)臺(tái)，在視場(chǎng)內(nèi)均勻設(shè)置標(biāo)定網(wǎng)格由星敏感器測(cè)出各網(wǎng)格點(diǎn)的星像坐標(biāo)，同時(shí)記錄星敏感器光軸在模擬器及轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角和高度角，利用最小二乘法計(jì)算標(biāo)定系數(shù)。外場(chǎng)觀星標(biāo)定方法將地球當(dāng)作均勻轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，由精確時(shí)鐘代替刻度盤(pán)，用相對(duì)地球靜止的星敏感器對(duì)天頂進(jìn)行觀星， 把星點(diǎn)作為目標(biāo)，讓其勻速掃過(guò)視場(chǎng)，分別記錄它們每個(gè)時(shí)刻在星敏感器像平面坐標(biāo)系的位置以及其在天球慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，將不同時(shí)刻拍攝的恒星坐標(biāo)歸算到觀測(cè)起始時(shí)刻的位置，用多項(xiàng)式擬合計(jì)算待定系數(shù)。天球中，在日、月的引力作用下，地球自轉(zhuǎn)軸的空間指向并不固定，呈現(xiàn)為繞一條通過(guò)地心并與黃道面垂直的軸線緩慢而連續(xù)地運(yùn)動(dòng)，大約25800年順時(shí)針向(從北半球看) 旋轉(zhuǎn)一周，描繪出一個(gè)圓錐面，使春分點(diǎn)沿黃道以與太陽(yáng)周年視運(yùn)動(dòng)相反的方向每25800 年旋轉(zhuǎn)一周，每年西移約50. 3"。這種由太陽(yáng)和月球引起的地軸的長(zhǎng)期進(jìn)動(dòng)(或稱(chēng)旋進(jìn)) 稱(chēng)為日月歲差；此外，在行星的引力作用下，地球公轉(zhuǎn)軌道平面不斷地改變位置，這不僅使黃赤交角改變，還使春分點(diǎn)沿赤道產(chǎn)生一個(gè)微小的位移，其方向與日月歲差相反，這一效應(yīng)稱(chēng)為行星歲差。行星歲差使春分點(diǎn)沿赤道每年?yáng)|移約0.13"。日月歲差和行星歲差的綜合作用使天體的坐標(biāo)如赤經(jīng)、赤緯等發(fā)生變化，一年內(nèi)的變化量稱(chēng)為周年歲差。由于地球相對(duì)于月球和太陽(yáng)的位置有周期性的變化，它所受到的來(lái)自后兩者的引力作用也有相同周期的變化，使得地球自轉(zhuǎn)軸的空間指向除長(zhǎng)期的緩慢移動(dòng)(歲差)外，還疊加上各種周期的幅度較小的振動(dòng)，這稱(chēng)為章動(dòng)。章動(dòng)使得春分點(diǎn)在黃道上和黃赤交角對(duì)于各自的平均位置產(chǎn)生周期性的振蕩。因而使得天體的坐標(biāo)如赤經(jīng)、赤緯等都發(fā)生變化。由于受“歲差”、“章動(dòng)”因素的影響，恒星的視位置和平位置有較大差別，因此必須對(duì)基本星表進(jìn)行修正才能進(jìn)一步提高星敏感器的數(shù)據(jù)精度，對(duì)于“歲差”、“章動(dòng)”的修正可以采用采用伍拉德根據(jù)剛體地球模型等公式。光的有限速度率和星敏感器(與衛(wèi)星)繞地球軌道運(yùn)動(dòng)，而地球又繞太陽(yáng)的軌道運(yùn)動(dòng)引起的恒星位置的視移位。在一年內(nèi)，恒星似乎圍繞它的平均位置走出一個(gè)小橢圓。這個(gè)現(xiàn)象在17 年由詹姆斯·布拉德雷發(fā)現(xiàn)，并被他用來(lái)測(cè)量光的速率。在同一瞬間，運(yùn)動(dòng)中的觀測(cè)者所觀測(cè)到的天體視方向與靜止的觀測(cè)者所觀測(cè)到天體的真方向之差(稱(chēng)為光行差)。由于光行差位移的存在，在高精度衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)中，必須加以修正由于光行差導(dǎo)致的星敏感器姿態(tài)漂移。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種星敏感器在軌光行差的修正方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的步驟如下步驟一根據(jù)公式a = arcsinff sin/^l計(jì)算衛(wèi)星的周年光行差常數(shù)；式中α是光
U ；
行差誤差傾角，μ為星光視方向與地球運(yùn)動(dòng)方向的夾角，V是地球公轉(zhuǎn)線速度，c是光速；步驟二 利用星載設(shè)備，測(cè)量衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的線速度；步驟三利用星載慣性器件，測(cè)量衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系下的三軸姿態(tài)，然后計(jì)算衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)；步驟四根據(jù)衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)，以及星敏感器像空間坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系之間的關(guān)系，計(jì)算星敏感器在慣性坐標(biāo)系下的光軸指向；步驟五根據(jù)星敏感器像空間坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系之間的關(guān)系，計(jì)算垂直于星敏感器光軸指向在慣性坐標(biāo)系下的線速度；步驟六計(jì)算垂直于星敏感器光軸指向的周日光行差常數(shù)；步驟七根據(jù)獲取的星敏感器視場(chǎng)內(nèi)所有正確識(shí)別的恒星在慣性坐標(biāo)系下的赤經(jīng)和赤緯以及星敏感器光軸指向，計(jì)算星敏感器視場(chǎng)內(nèi)恒星指向與光軸指向的夾角；步驟八根據(jù)星敏感器視場(chǎng)內(nèi)恒星指向與光軸指向的夾角和步驟六的結(jié)果，計(jì)算該恒星的光行差；步驟九根據(jù)步驟八、步驟一以及太陽(yáng)本動(dòng)光行差，計(jì)算所有因素造成的光行差合成；步驟十將步驟九得到的光行差合成分解到星敏感器像空間坐標(biāo)系下的X軸方向分量和Y軸方向的分量，這兩個(gè)分量就是光行差對(duì)恒星在星敏感器像空間坐標(biāo)系下χ軸方向的偏差ΔΧ和Y軸方向偏差ΔΥ;步驟^^一 把獲得的恒星星像坐標(biāo)X和Y，減去X軸方向的偏差Δ X和Y軸方向偏差ΔΥ;步驟十二 對(duì)視場(chǎng)內(nèi)所有識(shí)別成功恒星星像坐標(biāo)重復(fù)步驟七到步驟十一；步驟十三利用所有成功識(shí)別恒星星像減去由于光行差帶來(lái)的偏差ΔΧ和ΔΥ，計(jì)算姿態(tài)四元數(shù)；步驟十四步驟十三得到的姿態(tài)四元數(shù)就是消除光行差后的姿態(tài)，把該姿態(tài)輸入到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中。
本發(fā)明一種星敏感器在軌光行差的修正方法，推導(dǎo)出了消除星敏感器周日光行差、周年光行差以及太陽(yáng)本動(dòng)光行差的數(shù)學(xué)模型；采用該模型消除光行差后，能進(jìn)一步為飛行器(衛(wèi)星)提供高精度的姿態(tài)信息；為無(wú)陀螺的飛行器采用姿態(tài)來(lái)計(jì)算角速度，能進(jìn)一步提高計(jì)算角速度的精度。


圖1為恒星的光行差示意圖；圖2為周年光行差示意圖；圖3為本發(fā)明的一種修正星敏感器光行差工作流程圖；圖4為一種光行差驗(yàn)證系統(tǒng)半物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方框圖；圖5為修正光行差前三軸姿態(tài)誤差實(shí)時(shí)曲線圖；圖6為修正光行差后三軸姿態(tài)誤差實(shí)時(shí)曲線圖；圖7為修正光行差前三軸姿態(tài)誤差離線曲線圖；圖8為修正光行差后三軸姿態(tài)誤差離線曲線圖；圖9為本發(fā)明的實(shí)施方式方框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1 結(jié)合圖3，一種星敏感器在軌光行差的修正方法，步驟如下步驟一根據(jù)公式a = arcsinj^sin/^計(jì)算衛(wèi)星的周年光行差常數(shù)；式中α是光
行差誤差傾角，μ為星光視方向與地球運(yùn)動(dòng)方向的夾角，V是地球公轉(zhuǎn)線速度，c是光速；步驟二 利用星載設(shè)備，測(cè)量衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的線速度；步驟三利用星載慣性器件，測(cè)量衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系下的三軸姿態(tài)，然后計(jì)算衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)；步驟四根據(jù)衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)，以及星敏感器像空間坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系之間的關(guān)系，計(jì)算星敏感器在慣性坐標(biāo)系下的光軸指向；步驟五根據(jù)星敏感器像空間坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系之間的關(guān)系，計(jì)算垂直于星敏感器光軸指向在慣性坐標(biāo)系下的線速度；步驟六計(jì)算垂直于星敏感器光軸指向的周日光行差常數(shù)；步驟七根據(jù)獲取的星敏感器視場(chǎng)內(nèi)所有正確識(shí)別的恒星在慣性坐標(biāo)系下的赤經(jīng)和赤緯以及星敏感器光軸指向，計(jì)算星敏感器視場(chǎng)內(nèi)恒星指向與光軸指向的夾角；步驟八根據(jù)星敏感器視場(chǎng)內(nèi)恒星指向與光軸指向的夾角和步驟六的結(jié)果，計(jì)算該恒星的光行差；步驟九根據(jù)步驟八、步驟一以及太陽(yáng)本動(dòng)光行差，計(jì)算所有因素造成的光行差合成；步驟十將步驟九得到的光行差合成分解到星敏感器像空間坐標(biāo)系下的X軸方向分量和γ軸方向的分量，這兩個(gè)分量就是光行差對(duì)恒星在星敏感器像空間坐標(biāo)系下χ軸方向的偏差ΔΧ和Y軸方向偏差ΔΥ;
步驟^^一 把獲得的恒星星像坐標(biāo)X和Y，減去X軸方向的偏差Δ X和Y軸方向偏差ΔΥ;步驟十二 對(duì)視場(chǎng)內(nèi)所有識(shí)別成功恒星星像坐標(biāo)重復(fù)步驟七到步驟十一；步驟十三利用所有成功識(shí)別恒星星像減去由于光行差帶來(lái)的偏差ΔΧ和ΔΥ，計(jì)算姿態(tài)四元數(shù)；步驟十四步驟十三得到的姿態(tài)四元數(shù)就是消除光行差后的姿態(tài)，把該姿態(tài)輸入到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中。實(shí)施例2 結(jié)合圖1、圖2、圖4-圖8，光行差定義為由于星敏感器隨著飛行器的運(yùn)動(dòng)和光的有限速度，而引起的恒星位置在星敏感器運(yùn)動(dòng)方向上的明顯移位。當(dāng)恒星入射光和星敏感器的運(yùn)動(dòng)方相垂直時(shí)，光行差誤差最大。光行差示意圖如圖1所示。地球相對(duì)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)造成光行差計(jì)算過(guò)程如下恒星發(fā)出的光線在運(yùn)動(dòng)的地球參照系上看，也會(huì)出現(xiàn)向著地球前進(jìn)傾斜的現(xiàn)象(視方向)，光行差誤差傾角定義為α。α由光速c與地球公轉(zhuǎn)線速度V決定，公式如下tga = —(1)
c上式中，c為光速，c = 299792km/s ；V為地球公轉(zhuǎn)線速度，V = 29. 8km/s。對(duì)星敏感器而言，恒星光行差包括四部分星敏感器繞地心運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光行差、地球周年光行差、太陽(yáng)本動(dòng)光行差和銀河系自傳光行差；①星敏感器周日光行差星敏感器周日光行差是由于星敏感器繞地球中心自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，它的大小與星敏感器繞地球中心自轉(zhuǎn)時(shí)與星敏感器指向速度方向的線速度Vx有關(guān)。假設(shè)光速為C，星敏感器指向速度方向的線速度為Vx，那么星敏感器周日光行差常數(shù)為k=Ll(2)
C②周年光行差由于衛(wèi)星與地球一起繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，因此衛(wèi)星繞太陽(yáng)產(chǎn)生的周年光行差與地球繞太陽(yáng)產(chǎn)生的周年光行差一致。假設(shè)地球公轉(zhuǎn)線速度為V(如圖2)，由于運(yùn)動(dòng)的相對(duì)原理，若以地球作為參考系，恒星M的光線除了以速度c前行以外，還獲得一個(gè)速度-V，其中速度-V是與地球公轉(zhuǎn)線速度大小相等、方向相反的相對(duì)速度。于是c與-V的合成方向是MM’，而星敏感器實(shí)際觀測(cè)的M方向是ES’(ES’//MM’)，不是ES，兩個(gè)方向的夾角就是周年光行差。ES’ 是天體得視方向，S’是它的視位置。按照正弦定理有
權(quán)利要求
1. 一種星敏感器在軌光行差的修正方法，其特征在于步驟如下步驟一根據(jù)公式僅二虹⑵丨?。?！^^^！/^計(jì)算衛(wèi)星的周年光行差常數(shù)；式中^是光行差Vc )誤差傾角，μ為星光視方向與地球運(yùn)動(dòng)方向的夾角，ν是地球公轉(zhuǎn)線速度，c是光速； 步驟二 利用星載設(shè)備，測(cè)量衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的線速度；步驟三利用星載慣性器件，測(cè)量衛(wèi)星在軌道坐標(biāo)系下的三軸姿態(tài)，然后計(jì)算衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)；步驟四根據(jù)衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)，以及星敏感器像空間坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系之間的關(guān)系，計(jì)算星敏感器在慣性坐標(biāo)系下的光軸指向；步驟五根據(jù)星敏感器像空間坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系之間的關(guān)系，計(jì)算垂直于星敏感器光軸指向在慣性坐標(biāo)系下的線速度；步驟六計(jì)算垂直于星敏感器光軸指向的周日光行差常數(shù)；步驟七根據(jù)獲取的星敏感器視場(chǎng)內(nèi)所有正確識(shí)別的恒星在慣性坐標(biāo)系下的赤經(jīng)和赤緯以及星敏感器光軸指向，計(jì)算星敏感器視場(chǎng)內(nèi)恒星指向與光軸指向的夾角；步驟八根據(jù)星敏感器視場(chǎng)內(nèi)恒星指向與光軸指向的夾角和步驟六的結(jié)果，計(jì)算該恒星的光行差；步驟九根據(jù)步驟八、步驟一以及太陽(yáng)本動(dòng)光行差，計(jì)算所有因素造成的光行差合成； 步驟十將步驟九得到的光行差合成分解到星敏感器像空間坐標(biāo)系下的χ軸方向分量和Y軸方向的分量，這兩個(gè)分量就是光行差對(duì)恒星在星敏感器像空間坐標(biāo)系下X軸方向的偏差ΔΧ和Y軸方向偏差Δ Y ；步驟十一把獲得的恒星星像坐標(biāo)X和Y，減去X軸方向的偏差Δ χ和γ軸方向偏差ΔΥ；步驟十二 對(duì)視場(chǎng)內(nèi)所有識(shí)別成功恒星星像坐標(biāo)重復(fù)步驟七到步驟十一； 步驟十三利用所有成功識(shí)別恒星星像減去由于光行差帶來(lái)的偏差ΔΧ和ΔΥ，計(jì)算姿態(tài)四元數(shù)；步驟十四步驟十三得到的姿態(tài)四元數(shù)就是消除光行差后的姿態(tài)，把該姿態(tài)輸入到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種星敏感器在軌光行差的修正方法。步驟包括根據(jù)公式計(jì)算衛(wèi)星的周年光行差常數(shù)；利用星載設(shè)備，測(cè)量衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的線速度；計(jì)算衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)；計(jì)算星敏感器在慣性坐標(biāo)系下的光軸指向；計(jì)算垂直于星敏感器光軸指向在慣性坐標(biāo)系下的線速度；計(jì)算垂直于星敏感器光軸指向的周日光行差常數(shù)；計(jì)算星敏感器視場(chǎng)內(nèi)恒星指向與光軸指向的夾角；計(jì)算所有因素造成的光行差合成；計(jì)算姿態(tài)四元數(shù)。本發(fā)明推導(dǎo)出了消除星敏感器周日光行差、周年光行差以及太陽(yáng)本動(dòng)光行差的數(shù)學(xué)模型，采用該模型消除光行差后，能進(jìn)一步為飛行器提供高精度的姿態(tài)信息，為無(wú)陀螺的飛行器采用姿態(tài)來(lái)計(jì)算角速度，能進(jìn)一步提高計(jì)算角速度的精度。
文檔編號(hào)G01C21/02GK102252673SQ20111014830
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者奚伯齊, 李葆華, 溫奇詠, 陳希軍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)