專利名稱：一種三探頭星敏感器姿態(tài)的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間技術(shù)，具體說就是一種三探頭星敏感器姿態(tài)的確定方法。
背景技術(shù)：
星敏感器是感受恒星的輻射并測量衛(wèi)星相對于該恒星方位的一種光學(xué)姿態(tài)敏感器。由于恒星的張角非常小，且星光在慣性坐標(biāo)系中的方向是精確已知的，所以星敏感器的測量精度很高，比太陽敏感器高一個數(shù)量級。但是由于星光非常微弱，所以信號檢測比較困難，其成像需要使用高靈敏度的圖像傳感器，比如析像管或電荷耦合器件(CCD，ChargeCoupled Device)。天空中恒星數(shù)量很多，它一方面帶來可供選擇的目標(biāo)星較多和應(yīng)用方便的優(yōu)點，但也帶來了對檢測到的恒星進(jìn)行識別的困難，因而需要配備數(shù)據(jù)存儲和處理能力較強的星載數(shù)字計算機。為了減小外界雜散光的影響，常常在星敏感器的鏡頭前加一個遮光罩。來自恒星的平行光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后在像面陣上聚焦成像，按能量中心法可確定星像的中心位置(其精度可達(dá)角秒)。根據(jù)聚焦幾何關(guān)系進(jìn)一步求出星光矢量在星敏感器坐標(biāo)系中的方向，再由星敏感器安裝矩陣求得星光矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中的觀測矢量。星敏感器能同時感測多顆恒星(通常是6等以上的恒星)，經(jīng)過星圖識別后作為三軸姿態(tài)測量基準(zhǔn)的恒星一般在3顆以上。利用多矢量定姿法可求出衛(wèi)星相對于慣性空間(天球坐標(biāo)系)的三軸姿態(tài)。當(dāng)給定飛行器的軌道根數(shù)后，可通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求得飛行器相對于軌道坐標(biāo)系的姿態(tài)。星敏感器的姿態(tài)確定精度是由恒星位置的測量精度確定的。但恒星位置的測量精度與探頭角大小之間是矛盾的，為了進(jìn)一步提高星敏感器的姿態(tài)精度，許多設(shè)計者減少星敏感器的探頭。對于單探頭星敏感器而言，滾動角的誤差一般是偏航角和俯仰角誤差的5-10倍。因此，降低星敏感器探頭也不可能把滾動角的精度提高到偏航角和俯仰角的精度。而且小探頭的星敏感器探頭中可捕獲的導(dǎo)航星數(shù)量比較少，導(dǎo)致星敏感器星探測能力的降低，不利于星圖識別和飛行器的動態(tài)性能；不能保證在每一時刻探頭中都能同時拍到足夠的導(dǎo)航星。這樣會限制星敏感器的星探測能力和造成姿態(tài)確定精度的下降。為解決航天器高動態(tài)飛行條件下星敏感器測量精度和星探測能力的問題，可以采用三個探頭星敏感器方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三探頭星敏感器姿態(tài)的確定方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的方法步驟如下步驟一分別讀取第一獲取探頭的姿態(tài)Q1和曝光時刻& ；第二獲取探頭的姿態(tài)Q2和曝光時刻t2 ；第三獲取探頭的姿態(tài)Q3和曝光時刻t3 ；取&、&和t3的最大值；、
如果最大;計算 A t2 = t1-t2, A t3 = ；步驟二 利用Q2、A2和公式(11)
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.^3J Ul3」Ul3_計算第二獲取探頭在^時刻姿態(tài)Q' 2，利用Q3、At3和公式(11)計算第三獲取探頭在^時刻姿態(tài)Q' 3 ；步驟三利用Q1計算第一獲取探頭在h時刻的光軸指向S1，利用Q' 2計算第二獲取探頭在h時刻的光軸指向S, 2，利用Q' 3計算第三獲取探頭在h時刻的光軸指向
S' 3；步驟四第一獲取探頭光軸指向的像空間坐標(biāo)V1是(0，0，I)，利用
'UrA ("Fl \wn'公式(5)Ur = Ury ,Vr = Vry Wr = Wry(5)
凡」 Ir」把第二獲取探頭光軸指向的像空間坐標(biāo)V2 (0，0，I)轉(zhuǎn)換到第一獲取探頭坐標(biāo)系下的像空間坐標(biāo)V' 2，利用公式(5)
-叫 |X]Ur = Ury ,Vr = Vry Wr = Wry(5)
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Lr rz」L /r _J把第三獲取探頭光軸指向的像空間坐標(biāo)V3 (0，0，I)轉(zhuǎn)換到第一獲取探頭坐標(biāo)系下的像空間坐標(biāo)V' 3；步驟五利用VV' 2、V 3以及S^S' 2、S' 3，利用公式(8)
^ nb = CnftFr< Fh = CbrFr(8)
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^br ^nb^nr ^nb nr計算三探頭的姿態(tài)Q，并輸出時間h和姿態(tài)Q ；如果t2最大；計算 A h = ^t1, A t3 = t2-t3 ；步驟六利用Q1^ At1和公式(11)
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步驟八第一獲取探頭光軸指向的像空間坐標(biāo)V1是(0，0，1)，利用公式(5)把第二獲取探頭光軸指向的像空間坐標(biāo)V2 (0，0，I)轉(zhuǎn)換到第一獲取探頭坐標(biāo)系下的像空間坐標(biāo)V' 2，利用公式(5)把第三獲取探頭光軸指向的像空間坐標(biāo)V3(0，0，I)轉(zhuǎn)換到第一獲取探頭坐標(biāo)系下的像空間坐標(biāo)V' 3；利用VpV' 2、V' 3以及S' 1>S2,S/ 3，利用公式(8)計算三探頭的姿態(tài)Q，并輸出時間t2和姿態(tài)Q ；如果t3最大；計算 A =A t2 = t3-t2利用Qp At1和公式(11)計算第一獲取探頭在t3時刻姿態(tài)Q'工,利用02、^1:2和公式(11)計算第二獲取探頭在t3時刻姿態(tài)Q' 2利用Q' i計算第一獲取探頭在&時刻的光軸指向S' i，利用Q' 2計算第二獲取探頭在t3時刻的光軸指向S' 2，利用Q3計算第三獲取探頭在t3時刻的光軸指向S3第一獲取探頭光軸指向的像空間坐標(biāo)％是(0，0，1)，利用公式(5)把第二獲取探頭光軸指向的像空間坐標(biāo)V2(0，0，1)轉(zhuǎn)換到第一獲取探頭坐標(biāo)系下的像空間坐標(biāo)V' 2，利用公式(5)把第三獲取探頭光軸指向的像空間坐標(biāo)V3(0，0，1)轉(zhuǎn)換到第一獲取探頭坐標(biāo)系下的像空間坐標(biāo)V' 3步驟九利用V1J' 2、V' 3以及S' i、S' 2、S3，利用公式(8)計算三探頭的姿態(tài)Q，并輸出時間t3和姿態(tài)Q。本發(fā)明一種三探頭星敏感器姿態(tài)的確定方法，數(shù)據(jù)處理模塊定周期地給兩個探頭模塊進(jìn)行校時，彌補了星敏感器長時間運行后，兩個成像探頭模塊之間時間差增大的缺點；彌補了單個成像探頭模塊星敏感器滾動軸姿態(tài)精度差的缺點；即使某個成像探頭模塊實效，在保證姿態(tài)精度的基礎(chǔ)上，另兩個成像探頭模塊仍然能輸出姿態(tài)，提高了數(shù)據(jù)可靠性。


圖I為三探頭星敏感器姿態(tài)計算流程圖；圖2為三探頭星敏感器原理圖；圖3為采用探頭I星圖計算三軸姿態(tài)誤差曲線；圖4為三探頭星敏感器測試結(jié)果。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實施例I :結(jié)合圖I、圖2，本發(fā)明一種三探頭星敏感器姿態(tài)的確定方法，步驟如下方法步驟如下步驟一分別讀取第一獲取探頭的姿態(tài)Q1和曝光時刻& ；
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第二獲取探頭的姿態(tài)Q2和曝光時刻t2 ；第三獲取探頭的姿態(tài)Q3和曝光時刻t3 ；取tp t2和t3的最大值；
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S' 3；步驟四第一獲取探頭光軸指向的像空間坐標(biāo)V1是(0，0，I)，利用公式(5)
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CntA = CnrFr‘ Fb = CbrFr(8)
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^br " ^nb^nr — ^nb^nr計算三探頭的姿態(tài)Q，并輸出時間h和姿態(tài)Q ；如果t2最大；計算 A = I^t1, A t3 = t2-t3 ；步驟六利用Q1^ At1和公式(11)
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X"Fn = Yn(2)
Zn,空間飛行器的體坐標(biāo)系為Fb，空間參考坐標(biāo)系為匕，它們的坐標(biāo)基分別為
Xl p/Fb = Yb ,Fr = Yr(3)
」k _其中，Xb、Yb、Zb為Fb單位矢量，\、Yr, Zr為匕單位矢量。Xn、Yn、Zn是測得的三個矢量，它們與Fn和F1^坐標(biāo)系的描述為Xn =UlFb =U FrYn = VTbFb = VrrFr(4)z =WbrFb=W^Fr其中，Ub、Vb、Ur、Vr、Wb、Wb分別為Xn、Yn、Zn在Fb和Fr的坐標(biāo)列陣(方向余弦)，寫成展開式為
權(quán)利要求
1.一種三探頭星敏感器姿態(tài)的確定方法，其特征在于步驟如下 步驟一分別讀取 第一獲取探頭的姿態(tài)Q1和曝光時刻h ； 第二獲取探頭的姿態(tài)Q2和曝光時刻t2 ； 第三獲取探頭的姿態(tài)Q3和曝光時刻t3 ； 取tp t2和t3的最大值； 如果 ti 最大；計算 A t2 = trt2, At3 = ti-tg ； 步驟二 利用Q2、At2和公式(11)
全文摘要
本發(fā)明公開一種三探頭星敏感器姿態(tài)的確定方法，數(shù)據(jù)處理模塊定周期地給兩個探頭模塊進(jìn)行校時，彌補了星敏感器長時間運行后，兩個成像探頭模塊之間時間差增大的缺點；彌補了單個成像探頭模塊星敏感器滾動軸姿態(tài)精度差的缺點；即使某個成像探頭模塊失效，在保證姿態(tài)精度的基礎(chǔ)上，另兩個成像探頭模塊仍然能輸出姿態(tài)，提高了數(shù)據(jù)可靠性。
文檔編號G01C25/00GK102749089SQ201210241969
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者李葆華, 王常虹, 陳希軍, 陳才敏 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)