專利名稱：一種基于星敏感器確定載體相對于地理坐標(biāo)系姿態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于星敏感器確定載體相對于地理坐標(biāo)系姿態(tài)的方法，屬于姿態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
載體的姿態(tài)參數(shù)是導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要參數(shù)，主體上大都采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來得到載體的姿態(tài)。雖然慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、精度高、數(shù)據(jù)輸出率高的優(yōu)點(diǎn)，但存在著設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，并且隨著時(shí)間累積，會(huì)出現(xiàn)漂移問題，因而往往需要其它導(dǎo)航方式的輔助修正漂移。星敏感器是一種以恒星作為觀測目標(biāo)確定載體相對于赤道慣性坐標(biāo)系絕對空間姿態(tài)的高精度姿態(tài)敏感器，具有精度高、不受電磁干擾、隱蔽性好、可靠性高、沒有時(shí)間漂移等優(yōu)點(diǎn)。赤道慣性坐標(biāo)系即&軸指向春分點(diǎn)T、&軸指向天北極的地心慣性坐標(biāo)系，星敏感器直接測得的就是相對于該慣性空間的絕對姿態(tài)。如果期望基于星敏感器確定載體相對于地理坐標(biāo)系姿態(tài)，還需要確定載體位置，并利用精密時(shí)鐘確定春分點(diǎn)的格林時(shí)角(GHAt)。 該套裝置獲得的姿態(tài)測量結(jié)果，也可以輔助完成慣導(dǎo)初始對準(zhǔn)及載體飛行過程中對陀螺的漂移修正。計(jì)時(shí)儀器制造相對容易、成本低、精度高，我國研制的銫原子鐘1500萬年不差1 秒，世界最精準(zhǔn)原子鐘3億年誤差不到1秒。天文觀測數(shù)據(jù)及擬合公式計(jì)算結(jié)果的精度，也遠(yuǎn)高于導(dǎo)航的工程實(shí)際需求。精密時(shí)間主要通過國家授時(shí)中心的授時(shí)得到，或利用GPS接收機(jī)定時(shí)功能，測得鐘差得到精密計(jì)時(shí)，最后得到格林尼治真恒星時(shí)(GAST)，也即GHAt。獲得載體的地理位置，可以利用慣導(dǎo)系統(tǒng)，或衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，或基于地面測量站遙測，或依據(jù)載體軌道動(dòng)力學(xué)解算，或航跡推算等方法。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國的GPS、我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄國的GL0NASS、歐洲的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，通過接收衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而求得載體的地理位置，以下以導(dǎo)航型GPS接收機(jī)為例敘述，所述方法適用于其它定位終端或方法?；谛敲舾衅鞔_定載體相對于地理坐標(biāo)系姿態(tài)的系列環(huán)節(jié)中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是求得赤道慣性坐標(biāo)系到地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。地球本身就是一個(gè)大轉(zhuǎn)臺(tái)，載體隨地球旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，從相對運(yùn)動(dòng)角度看，赤道慣性坐標(biāo)系&軸所指向的春分點(diǎn)T沿天赤道相對地球至東向西轉(zhuǎn)動(dòng)，GHAt可以由精密計(jì)時(shí)獲得，如圖1所示，根據(jù)GHAt就可以計(jì)算赤道慣性坐標(biāo)系到地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。GHAt也可以由GPS獲得，GPS導(dǎo)航電文中提供了一周開始時(shí)刻的格林尼治真恒星時(shí)GASTw,利用該信息可以得到該周任意時(shí)刻的GAST。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利申請?zhí)?01010215336. 1，名稱基于C⑶星敏感器的對準(zhǔn)方法，該專利涉及到了利用計(jì)時(shí)來獲得赤道慣性坐標(biāo)系到地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣， 但該方法使用的是查表法，手工查表意味著不能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，并且關(guān)于具體的實(shí)施方案描述也不夠完善，制約了工程化。本專利提供的赤道慣性坐標(biāo)系到地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣的計(jì)算方法，不需手動(dòng)輸入任何參數(shù)，利用相關(guān)公式和精密計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)化地獲取赤道慣性坐標(biāo)系到地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，再配合星敏感器、GPS設(shè)備的輸出，從而得到載體相對于地理坐標(biāo)系的姿態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
1.目的本發(fā)明的目的是提供一種基于星敏感器確定載體相對于地理坐標(biāo)系姿態(tài)的方法，它充分利用了星敏感器、計(jì)時(shí)儀器高精度的特點(diǎn)，利用外界測量的載體位置信息，自動(dòng)實(shí)時(shí)地得到載體相對于地理坐標(biāo)系的姿態(tài)信息，方便工程應(yīng)用。2.技術(shù)方案本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供一種基于星敏感器確定載體相對于地理坐標(biāo)系姿態(tài)的方法，它包括如下步驟步驟一依靠精密計(jì)時(shí)和格林尼治恒星時(shí)精確公式，或直接利用GPS授時(shí)及電文解算方式，獲得測量時(shí)刻的GHAt，如圖1所示，從而求取從赤道慣性坐標(biāo)系i系到WGS-84坐標(biāo)系w系的轉(zhuǎn)換矩陣Cwi;步驟二 由外界信息或定位測量設(shè)備獲得載體的精確地理坐標(biāo)，求取從w系到地理坐標(biāo)系t系的轉(zhuǎn)換矩陣Ctw ；步驟三依靠星敏感器，獲得從i系到星敏感器坐標(biāo)系s系的轉(zhuǎn)換矩陣Csi。步驟四上述三個(gè)步驟給出姿態(tài)信息后，解算得到載體坐標(biāo)系b系相對于地理坐標(biāo)系t系的姿態(tài)矩陣C6i = 0^^^6，其中Csb為星敏感器的安裝矩陣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定， 視為已知常量矩陣，i系、W系、t系、b系空間位置關(guān)系示意圖，參見圖2。其中，步驟一中的基于精密計(jì)時(shí)技術(shù)的高精度轉(zhuǎn)換矩陣Cwi的電算化方法，是本發(fā)明的核心技術(shù)。主要圍繞2個(gè)最主要的公式開展應(yīng)用推導(dǎo)，第一個(gè)是地球自轉(zhuǎn)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)，即當(dāng)前觀測歷元與J2000. 0標(biāo)準(zhǔn)歷元的儒
略日間隔。第二個(gè)公式則為格林尼治真恒星時(shí)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，參數(shù)t為地球時(shí)TT的儒略世紀(jì)數(shù)，其它參數(shù)意義見(五)中詳述。GAST即為此時(shí)刻的春分點(diǎn)的格林時(shí)角GHAt。電算化編程計(jì)時(shí)環(huán)節(jié)的高精度實(shí)時(shí)輸出，需要保證公式所涉及全部參數(shù)的高度準(zhǔn)確性，世界時(shí)UTl和地球時(shí)TT之間的偏差Δ TT的推算值，可以從USNO (United States Naval Observatory，美國海軍天文臺(tái))網(wǎng)站獲取。步驟一中，利用GPS授時(shí)功能及電文解算法，則更為簡單，GPS導(dǎo)航電文中提供了一周開始時(shí)刻的格林尼治真恒星時(shí)GASTw,則該周任意時(shí)刻的格林尼治真恒星時(shí)GAST = GASTw+ ietoe, toe為一周開始時(shí)刻至測量時(shí)刻的累積原子時(shí)秒數(shù)。3.優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明基于星敏感器而不依賴慣性測量組合，實(shí)時(shí)確定載體相對于地理坐標(biāo)系姿態(tài)。它充分利用了計(jì)時(shí)儀器制造相對容易、成本低、精度遠(yuǎn)高于最高端的姿態(tài)測量儀器的特點(diǎn)，并利用了真恒星時(shí)的計(jì)算公式獲得GHAT，載體姿態(tài)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自動(dòng)輸
出ο


圖1春分點(diǎn)格林時(shí)角示意2i系、w系、t系、b系、s系空間位置關(guān)系示意3載體相對地理坐標(biāo)系的姿態(tài)建立流程示意4 2006年度GAST誤差仿真曲線示意5 2011年度GAST誤差仿真曲線示意6 WGS-84坐標(biāo)系w系到地理坐標(biāo)系t系的歐拉角轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步描述本發(fā)明所述方法的姿態(tài)建立流程圖如圖3所示。該姿態(tài)測量方法包括以下步驟步驟一計(jì)算赤道慣性坐標(biāo)系i系到WGS-84坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Cwi計(jì)算姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣Cwi的關(guān)鍵就是求解GAST即GHAt。具體實(shí)施步驟如下(1)求地球自轉(zhuǎn)角θ利用GPS定時(shí)型接收機(jī)輸出得到世界時(shí)UT1，可以計(jì)算得到重要參量——地球自轉(zhuǎn)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)，即當(dāng)前觀測歷元與J2000. 0標(biāo)準(zhǔn)歷元的儒
略日間隔。(2) UTl換算為地球時(shí)TTTT = UTl+Δ TT (2)其中，ΔΤΤ可以從USNO(UnitedStatesNavalObservatory，美國海軍天文臺(tái))網(wǎng)站獲取，在一個(gè)形式為deltat.preds的數(shù)據(jù)文件中給出。目前，該網(wǎng)站對ΔΤΤ的值已預(yù)測到 2019年，如表1所示，該表格采用一定的形式裝訂到運(yùn)行程序中。表1截止至2019年得Δ TT的預(yù)測值
權(quán)利要求
1.一種基于星敏感器確定載體相對于地理坐標(biāo)系姿態(tài)的方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一依靠精密計(jì)時(shí)和格林尼治恒星時(shí)精確公式，或直接利用GPS授時(shí)及電文解算方式，獲得測量時(shí)刻的春分點(diǎn)格林時(shí)角，從而求取從赤道慣性坐標(biāo)系i系到WGS-84坐標(biāo)系 w系的轉(zhuǎn)換矩陣Cwi ；步驟二 由外界信息或定位測量設(shè)備獲得載體的精確地理坐標(biāo)，求取從w系到地理坐標(biāo)系t系的轉(zhuǎn)換矩陣Ctw ；步驟三依靠星敏感器，獲得從i系到星敏感器坐標(biāo)系s系的轉(zhuǎn)換矩陣Csi ； 步驟四上述三個(gè)步驟給出姿態(tài)信息后，解算得載體坐標(biāo)系b系相對于t系的姿態(tài)矩陣 Qi=Q^QQK，其中Csb為星敏感器的安裝矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于星敏感器確定載體相對于地理坐標(biāo)系姿態(tài)的方法， 其特征在于將自轉(zhuǎn)的地球作為一個(gè)大轉(zhuǎn)臺(tái)，自動(dòng)化電算程序利用IERS(國際地球自轉(zhuǎn)和參考系服務(wù))網(wǎng)站及USNO(United States Naval Observatory，美國海軍天文臺(tái))網(wǎng)站提供的參數(shù)，通過計(jì)時(shí)及時(shí)間制式轉(zhuǎn)換，得到格林尼治真恒星時(shí)GAST，即春分點(diǎn)格林時(shí)角 GHAt，格林尼治真恒星時(shí)GAST的求解公式一般形式為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二分差附加項(xiàng)0.00000087、ιηΩ沖，累加項(xiàng)取33項(xiàng)，則具體形式為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針對工程應(yīng)用精度要求較低情況，為提高電算化程序計(jì)算速度，二分差附加項(xiàng)累加項(xiàng)可取更少的項(xiàng)數(shù)，或可以直接略去二分差附加項(xiàng)，則簡化形式為 GAST = 0. 14506" + θ+4611. 5739966" t+1. 39667721 “ t2-0. 00009344" t3+0. 00001882" t4+A ψ cos ε A 參數(shù)t為地球時(shí)TT的儒略世紀(jì)數(shù)，θ為地球自轉(zhuǎn)角，如下為θ的兩個(gè)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授時(shí)功能及電文解算法得到GAST，則更為簡單，GPS導(dǎo)航電文中提供了一周開始時(shí)刻的格林尼治真恒星時(shí)GASTw,則該周任意時(shí)刻的格林尼治真恒星時(shí)GAST = GASTw+ ietoe, toe為一周開始時(shí)刻至測量時(shí)刻的累積原子時(shí)秒數(shù)；最后得到從i系到w系的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換矩陣Cwi，完成Cwi的實(shí)時(shí)精確解算。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于星敏感器確定載體相對于地理坐標(biāo)系姿態(tài)的方法，屬于姿態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域。首先，依靠精密計(jì)時(shí)和格林尼治恒星時(shí)公式，或通過GPS授時(shí)，獲得測量時(shí)刻春分點(diǎn)格林時(shí)角，求取從赤道慣性坐標(biāo)系i系到WGS-84坐標(biāo)系w系的轉(zhuǎn)換矩陣Cwi；然后，依靠外界信息或定位設(shè)備獲得載體地理坐標(biāo)，求取從w系到地理坐標(biāo)系t系的轉(zhuǎn)換矩陣Ctw；接著，星敏感器獲得從i系到星敏感器坐標(biāo)系s系的轉(zhuǎn)換矩陣Csi；最后利用上述三個(gè)姿態(tài)陣，解算得載體坐標(biāo)系b系相對于t系的姿態(tài)矩陣Csb為星敏感器的安裝常數(shù)矩陣。本發(fā)明基于計(jì)時(shí)儀器獲得春分點(diǎn)格林時(shí)角，電算化程序?qū)崿F(xiàn)了載體相對于地理坐標(biāo)系的姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)解算。
文檔編號(hào)G01C21/20GK102426017SQ20111034337
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者武文卿, 王海涌, 陸婷婷, 韓潮 申請人:北京航空航天大學(xué)