本發(fā)明屬于光機電一體化技術領域，具體涉及一種測量星敏感器測量坐標系與棱鏡坐標系關系的方法。

背景技術：

在星敏感器的使用過程中，因為其棱鏡坐標系與棱鏡坐標系偏差關系的不明確導致了相對于航天器三軸姿態(tài)的測量精度偏差，需要通過在軌重新標定修正才能消除偏差，引發(fā)了在軌數(shù)據(jù)偏差大、在軌修正復雜等一系列問題。使得用戶使用產(chǎn)品過程中，不易確認誤差源是來源于星敏感器本身的誤差，還是裝星帶來的誤差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種測量星敏感器測量坐標系與其棱鏡坐標系關系的方法，能夠精確測量星敏感器測量坐標系與其棱鏡坐標系的關系，克服因棱鏡坐標系與其棱鏡坐標系偏差關系不明確帶來的相對于航天器三軸姿態(tài)的測量精度偏差，能使得星敏感器直接安裝即可進行高精度測量。

本發(fā)明的技術方案是：一種測量星敏感器測量坐標系與棱鏡坐標系關系的方法，涉及的設備包括光星模擬器、三軸轉臺、經(jīng)緯儀；其中星敏感器測量坐標系與棱鏡坐標系三軸指向同向；步驟如下：

1)模擬星敏感器裝星方式，將星敏感器安裝到三軸轉臺上，使轉臺安裝面與光星模擬器光軸垂直；

2)使用光星模擬器模擬星點光線矢量照射星敏感器，調整三軸轉臺，使得光星模擬器光線矢量掃過星敏感器整個視場，找到星敏感器的測量坐標系的坐標原點以及測量坐標系的X軸和Y軸；

3)使用一臺經(jīng)緯儀測量得到星敏感器的棱鏡坐標系Z軸相對于測量坐標系Z軸的偏差；

4)同時使用兩臺經(jīng)緯儀測量得到星敏感器的棱鏡坐標系X軸相對于測量坐標系X軸的偏差，以及星敏感器的棱鏡坐標系Y軸相對于測量坐標系Y軸的偏差，從而完成星敏感器測量坐標系與棱鏡坐標系關系之間關系的測量。

所述的步驟3)具體包含以下步驟：

3.1)使光星模擬器光軸與星敏感器的測量坐標系的Z軸同向，在找到星敏感器的測量坐標系X軸的基礎上，將經(jīng)緯儀的自準直光線打到星敏感器的棱鏡上，使得經(jīng)緯儀的測量十字叉絲與棱鏡的X軸、Z軸正交；

3.2)調整三軸轉臺，使得星敏感器輸出星點矢量在測量坐標系上的光斑灰度質心坐標成一水平直線；

3.3)再次使經(jīng)緯儀的測量十字叉絲打到星敏感器的棱鏡上，讀出測量偏差數(shù)據(jù)，即星敏感器棱鏡坐標系Z棱鏡相對于星敏感器測量坐標系Z探測器的偏差。

所述的步驟4)具體包含以下步驟：

4.1)布置經(jīng)緯儀，使經(jīng)緯儀A的自準直光線與星敏感器上的探測器濾光片垂直，使經(jīng)緯儀B的自準直光線能夠打到星敏感器的棱鏡上；

4.2)通過經(jīng)緯儀A和經(jīng)緯儀B測量得到偏差數(shù)據(jù)。

所述的步驟4.2)中測量得到偏差數(shù)據(jù)的具體過程為：將經(jīng)緯儀A和經(jīng)緯儀B進行對瞄，以經(jīng)緯儀A的度數(shù)為基準，設置經(jīng)緯儀B的度數(shù)，再通過經(jīng)緯儀B讀出測量偏差數(shù)據(jù)，即星敏感器棱鏡坐標系X棱鏡相對于星敏感器測量坐標系X探測器的偏差，以及星敏感器棱鏡坐標系Y棱鏡相對于星敏感器測量坐標系Y探測器的偏差。

所述測量星敏感器棱鏡坐標系X棱鏡相對于星敏感器測量坐標系X探測器的偏差的過程具體包含以下步驟：

4.2.1.1)在找到星敏感器的測量坐標系X軸的基礎上，將經(jīng)緯儀A的測量十字叉絲與測量坐標系的X軸和Y軸正交；

4.2.1.2)將經(jīng)緯儀A和經(jīng)緯儀B對瞄，以經(jīng)緯儀A的度數(shù)為基準，將經(jīng)緯儀B的度數(shù)設置為經(jīng)緯儀A的度數(shù)；

4.2.1.3)使經(jīng)緯儀B的測量十字叉絲打到星敏感器的棱鏡上，讀出測量偏差數(shù)據(jù)，即星敏感器棱鏡坐標系X棱鏡相對于星敏感器測量坐標系X探測器的偏差。

所述測量星敏感器棱鏡坐標系Y棱鏡相對于星敏感器測量坐標系Y探測器的偏差的過程具體包含以下步驟：

4.2.2.1)在找到星敏感器的測量坐標系Y軸的基礎上，將經(jīng)緯儀A的測量十字叉絲與測量坐標系的X軸和Y軸正交；

4.2.2.2)將經(jīng)緯儀A和經(jīng)緯儀B對瞄，以經(jīng)緯儀A的度數(shù)為基準，將經(jīng)緯儀B的度數(shù)設置為經(jīng)緯儀A的度數(shù)；

4.2.2.3)使經(jīng)緯儀B的測量十字叉絲打到星敏感器的棱鏡上，讀出測量偏差數(shù)據(jù)，即星敏感器棱鏡坐標系Y棱鏡相對于星敏感器測量坐標系Y探測器的偏差。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

本發(fā)明通過光線測量的方式，將探測器濾光片的測量坐標系與棱鏡坐標系關聯(lián)起來，在地面完成坐標系關系測量，測量出來坐標系間的偏差可以直接提供整星裝星使用，并提供給姿軌控系統(tǒng)直接進行在軌測量坐標系修正，可靠性高、可信度高、可實施性高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測量對象星敏感器示意圖；

圖2是本發(fā)明測量Z_探測器Z_棱鏡關系示意圖；

圖3是本發(fā)明測量對象星敏感器成像示意圖；

圖4是本發(fā)明測量X_探測器X_棱鏡關系示意圖；

圖5是本發(fā)明測量Y_探測器Y_棱鏡關系示意圖；

圖6是星敏感器的棱鏡坐標系與測量坐標系的關系示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，是本發(fā)明測試對象示意圖，星敏感器包括：棱鏡、探測器及殼體。O_探測器為測量坐標系的原點，X_探測器為測量坐標系的X軸，Y_探測器為測量坐標系的Y軸，Z_探測器為測量坐標系的Z軸，O_棱鏡為棱鏡坐標系的原點，X_棱鏡為棱鏡坐標系的X軸，Y_棱鏡為棱鏡坐標系的Y軸，Z_棱鏡為棱鏡坐標系的Z軸，測量坐標系和棱鏡坐標系的3軸指向均一致，Z_探測器為星敏感器的探測器光軸，星敏感器的測量坐標系和棱鏡坐標系均滿足右手法則。星敏感器安裝于航天器或轉臺的面為平行于X_探測器O_探測器Y_探測器面的底面。如圖2所示，測試時將星敏感器安裝在高精度三軸轉臺的轉臺安裝面上，具體步驟如下所示：

步驟一、安裝星敏感器使得轉臺安裝面與光星模擬器光軸垂直。調整經(jīng)緯儀A，使得經(jīng)緯儀測量十字叉絲兩軸方向與棱鏡兩軸方向正交。

步驟二、在光星模擬器的照射下，星敏感器輸出光斑灰度質心坐標。通過調整轉臺滾動軸，轉動轉臺偏航方向(轉臺外框)，調整轉臺滾動軸，使得星敏感器輸出坐標成一水平線，坐標跳動范圍在0.1個像素內為止。如圖3所示，星敏感器測量精度較高，0.1個像素表征了約0.00125度的偏差，此偏差已滿足使用要求，在誤差可接受范圍內。

步驟三、再次使用經(jīng)緯儀測量十字叉絲打到星敏感器棱鏡上，讀出數(shù)據(jù)，即星敏感器棱鏡坐標系Z_棱鏡相對于星敏感器測量坐標系Z_探測器的偏差；具體為：

3.1)使光星模擬器光軸與星敏感器的測量坐標系的Z軸同向，在找到星敏感器的測量坐標系X軸的基礎上，將經(jīng)緯儀的自準直光線打到星敏感器的棱鏡上，使得經(jīng)緯儀的測量十字叉絲與棱鏡的X軸、Z軸正交；

3.2)調整高精度三軸轉臺，使得星敏感器輸出星點矢量在測量坐標系上的光斑灰度質心坐標成一水平直線；

3.3)再次使經(jīng)緯儀的測量十字叉絲打到星敏感器的棱鏡上，讀出測量偏差數(shù)據(jù)，即星敏感器棱鏡坐標系Z棱鏡相對于星敏感器測量坐標系Z探測器的偏差。

步驟四、如圖4所示，在找到星敏感器X_探測器軸的基礎上，即星敏感器輸出Y坐標成一水平線。沿轉臺偏航方向轉動轉臺90度，使用兩臺經(jīng)緯儀進行測試。首先將經(jīng)緯儀A調整與星敏感器濾光片兩軸(X、Y軸)正交。調整經(jīng)緯儀B，使得其測量十字叉絲打到星敏感器棱鏡上。第二，將經(jīng)緯儀A、經(jīng)緯儀B進行對瞄，使得兩個經(jīng)緯儀測量十字叉絲分別在被對瞄經(jīng)緯儀目鏡上完全重合。以經(jīng)緯儀A的度數(shù)為基準，設置經(jīng)緯儀B的值。最后，將經(jīng)緯儀二旋轉至初始位置，此時經(jīng)緯儀B的十字叉絲將會再次打到星敏感器棱鏡上，讀出經(jīng)緯儀B的測量數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)即為星敏感器棱鏡坐標系X_棱鏡相對于星敏感器測量坐標系X_探測器的偏差。

步驟五、如圖5所示，在找到星敏感器Y_探測器軸的基礎上，即星敏感器輸出X坐標成一水平線。沿轉臺偏航方向轉動轉臺90度，同樣使用兩臺經(jīng)緯儀進行測試。首先將經(jīng)緯儀A調整與星敏感器濾光片兩軸(X、Y軸)正交。調整經(jīng)緯儀B，使得其測量十字叉絲打到星敏感器棱鏡上。第二，將經(jīng)緯儀A、經(jīng)緯儀B進行對瞄，使得兩個經(jīng)緯儀測量十字叉絲分別在被對瞄經(jīng)緯儀目鏡上完全重合。以經(jīng)緯儀A的度數(shù)為基準，設置經(jīng)緯儀B的值。最后，將經(jīng)緯儀二旋轉至初始位置，此時經(jīng)緯儀B的十字叉絲將會再次打到星敏感器棱鏡上，讀出經(jīng)緯儀B的測量數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)即為星敏感器棱鏡坐標系Y_棱鏡相對于星敏感器測量坐標系Y_探測器的偏差。

以下是星敏感器測試實例：

1、測試星敏感器棱鏡相對于星敏感器探測器的Z向轉動偏差情況：

1)將星敏感器Y軸朝下，經(jīng)緯儀正對星敏感器+X方向，星敏感器擺放坐標系方向與光星模擬器如圖2所示：

2)將經(jīng)緯儀對準星敏感器棱鏡，再將星敏感器繞Y軸旋轉180度，使光星模擬器光線在探測器表面形成Y坐標相等的直線，這樣就保證探測器的X軸與經(jīng)緯儀找平，此時再用經(jīng)緯儀向棱鏡打光，測得星敏感器棱鏡相對于星敏感器探測器繞Z軸順時針轉動了4角分33角秒。即ψ＝-4'33″。

2、測試棱鏡相對于探測器的X向轉動偏差情況(用兩臺經(jīng)緯儀測)：

1)兩臺經(jīng)緯儀呈90°夾角放置如圖4所示；

2)將經(jīng)緯儀A對探測器玻璃蓋片，然后將經(jīng)緯儀A與經(jīng)緯儀B儀互瞄對準，將經(jīng)緯儀B對棱鏡打光，測得星敏感器棱鏡相對于探測器繞X軸逆時針旋轉了10角秒。即

3、測試棱鏡相對于探測器的Y向轉動偏差情況(用兩臺經(jīng)緯儀測)：

1)將星敏感器沿Z向順時針轉動90°；

2)將經(jīng)緯儀A對探測器玻璃蓋片，然后將經(jīng)緯儀A與經(jīng)緯儀B互瞄對準，再將第二臺經(jīng)緯儀對棱鏡打光，測得棱鏡相對于探測器繞Y軸順時針旋轉了27角秒。即θ＝-27″測試結果，定義棱鏡坐標系為X_棱鏡Y_棱鏡Z_棱鏡，可知棱鏡坐標系與探測器坐標系的關系如圖6所示：

其中X′Y′Z′為第一次旋轉后的坐標指向；

其中X″Y″Z″為第二次旋轉后的坐標指向。

則由星敏感器探測器坐標系轉至星敏感器棱鏡的轉換矩陣為：

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。