一種基于星圖數(shù)據(jù)的星敏感器在軌精度測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于星敏感器自身星圖數(shù)據(jù)的星敏感器在軌指向精度等關(guān)鍵性 能的測量方法，屬于航天器在軌測量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前普遍認為星敏感器是可提供最高精度的航天器絕對姿態(tài)測量器件。它的工作 原理是以空間中的恒星作為參照物，通過星敏感器的探測單元對空間恒星目標進行成像， 對捕獲的星圖進行質(zhì)心提取、星圖識別、星跟蹤、姿態(tài)計算等一系列處理，獲得星敏感器瞬 時視軸指向信息，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標變換，最后輸出航天器本體坐標系的方位信息。
[0003] 星敏感器因其特殊應(yīng)用環(huán)境、基準等不同于地面實驗條件，需要開展基于在軌試 驗數(shù)據(jù)的性能比較與考核評價，因星敏感器在軌精度測量受到星點位置提取誤差、主點位 置誤差、焦距偏差、恒星的方向矢量誤差和姿態(tài)解算算法誤差等多種因素影響，從而對測量 工作提出了新問題、新要求。由于星敏感器的精度較高，對導航星的位置信息等要求也比較 高，在軌驗證一般也只是驗證星敏感器的一些空間適應(yīng)性，對星敏感器的在軌最關(guān)鍵技術(shù) 指標一精度的測量多是通過與航天器平臺同類數(shù)據(jù)的比對間接獲得，受限于時間對準和安 裝矩陣誤差帶來的影響，測量精確性不夠高。根據(jù)對現(xiàn)有專利成果的調(diào)研，尚未有對如何應(yīng) 用星敏感器自身獲取的星圖提高星敏感器在軌精度測量準確性的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：解決星敏感器指向精度等在軌關(guān)鍵性能精確測量難 題，有效提高了測量準確性，減少對平臺數(shù)據(jù)的依賴和資源需求，屬于航天器測量領(lǐng)域。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：應(yīng)用星敏感器單幀星圖數(shù)據(jù)實現(xiàn)星敏感器在軌精度的 測量，主要
【發(fā)明內(nèi)容】
如下：
[0006] 步驟1:星圖獲取及提取
[0007] 根據(jù)衛(wèi)星實時空間位置信息，推算得到準確的星圖拍攝時間，然后根據(jù)星圖拍攝 時間編制星敏感器在軌程控指令，在規(guī)定時間控制星敏感器的圖像傳感器獲取位于導航星 表中的導航星星圖信息，得到滿足目標區(qū)域要求的星圖數(shù)據(jù)；然后進行星點提取，為從星圖 中區(qū)分背景像素、噪聲像素和星點像素，識別出星點信息，首先，將當前像素灰度值與預設(shè) 的閾值進行比較，如大于閾值則標記為噪聲標記或星點標記，如小于閾值則標記為背景標 記，然后根據(jù)相鄰像素標記就可以識別該像素屬于哪個星點，再對該星點對應(yīng)的質(zhì)心參數(shù) 組值進行累加，如果當前像素標記為背景標記或噪聲標記，則不執(zhí)行相應(yīng)的識別和累加操 作，以此實現(xiàn)在去除噪聲的同時提取星點質(zhì)心，得到星點坐標，最后再結(jié)合星敏感器的固有 參數(shù)，得到星點在星敏感器坐標系統(tǒng)中的方向矢量
[0008] 步驟2:星圖識別處理
[0009] 利用基于k矢量和導航星域相結(jié)合的4主星星圖識別方法綜合實現(xiàn)了全天自主模 式快速識別和跟蹤模式下的主星星圖識別能力，識別出當前在星敏感器坐標系統(tǒng)的方向矢 量^的星像點所對應(yīng)導航星表中的導航星si，通過篩選導航星，進而獲得在星敏感器坐標 系統(tǒng)中的方向矢量K的星點在天球坐標系中的方向矢量Vi;
[0010] 步驟3:基于單幀星圖數(shù)據(jù)的星敏感器在軌精度計算方法
[0011] 在理想情況下Wl、星敏感器姿態(tài)矩陣A以及Vl滿足如下關(guān)系為wAvi。利用 QUEST(四元數(shù)估計算法）及相關(guān)算法對星敏感器姿態(tài)矩陣A進行求解，通過求解使得星點 理論星點位置與實際測量誤差最小化的目標函數(shù)J(Aq)，獲得最優(yōu)姿態(tài)矩陣Aq。
[0012] 再根據(jù)姿態(tài)矩陣A和\，反算出每顆導航星在圖像傳感器上理論星點位置。
[0013] 最后通過計算理論星點位置與實際測量的星點位置的誤差，對所有識別出的星點 的實際測量星點位置與理論星點位置誤差取平均值，并將誤差平均值轉(zhuǎn)換為等效的角度 值，等效的角度值即表示星敏感器的在軌指向精度。
[0014] 在步驟3后還增步驟4,對基于單幀星圖數(shù)據(jù)的星敏感器在軌精度計算結(jié)果的一 致性驗證，驗證方法為：
[0015] (1)確定導航星在基準時刻T的J2000. 0直角坐標系下的方向矢量；在地面測試 階段，將同樣的星敏感器固定在地面，存儲星圖并使其滾轉(zhuǎn)軸指向天頂。根據(jù)星敏感器獲取 的導航星在J2000. 0坐標系下的赤經(jīng)和赤煒以及相應(yīng)的視運動參數(shù)確定基準時刻T導航星 的方向矢量；
[0016] (2)推算導航星在基準時刻T在消除歲差和章動影響的天球坐標系下的方向矢 量；根據(jù)星敏感器實際拍攝時刻（T+△ 和地球的歲差、章動及自轉(zhuǎn)，獲得精度測試轉(zhuǎn)換矩 陣和將J2000. 0坐標轉(zhuǎn)換為歷元黃道坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣；再通過坐標轉(zhuǎn)換獲得基準時刻T下的消除章動影響的天球坐標系下的方向矢量；Atl為相對于基準時刻T的實際時間；
[0017] (3)獲取導航星在實際拍攝時刻（T+Atl)地固坐標系下的方向矢量，基準時刻T 天球坐標系轉(zhuǎn)到實際拍攝時刻（T+Ati)的地固坐標系的轉(zhuǎn)換，是通過將天球坐標系繞天球 坐標系的Z軸以Ω= 7. 292115X10 5rad/s逆時針旋轉(zhuǎn)獲得；
[0018] (4)建立星敏感器的最優(yōu)姿態(tài)矩陣，再應(yīng)用QUEST方法使實際拍攝時刻（T+Atl) 星點理論星點位置與實際測量誤差最小化的目標函數(shù)J(Aq (T+△ )達到最小值而得到星 敏感器的最優(yōu)姿態(tài)矩陣；
[0019] (5)計算星敏感器三軸矢量及指向和滾轉(zhuǎn)精度，最后根據(jù)星敏感器最優(yōu)姿態(tài)矩陣 得到精度測試矩陣，再根據(jù)精度測試矩陣確定實際拍攝時刻的星敏感器三軸矢量，進而得 到指向精度和滾轉(zhuǎn)精度。
[0020] 在步驟1前構(gòu)建導航星表，導航星表包含導航星在導航星表中的編號和導航星在 慣性空間的方向矢量，根據(jù)直角坐標與球面坐標的關(guān)系，得到每顆恒星在天球直角坐標系 下的方向矢量，建立恒星方向矢量庫；再根據(jù)星敏感器的探測能力和分辨精度從星庫中選 出滿足星敏感器成像條件的恒星組成導航星，構(gòu)成導航星表，導航星表在地面一次性固化 在星敏感器的存儲器中。
[0021] 所述步驟1中的衛(wèi)星實時空間位置信息獲得為：依托衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與管理分系統(tǒng) 的分包預處理模塊和工程值解碼模塊完成對衛(wèi)星平臺遙測信息的接收、處理，獲得衛(wèi)星軌 道瞬態(tài)信息，再結(jié)合軌道分析工具實現(xiàn)衛(wèi)星軌道預測，確定衛(wèi)星實時空間位置信息。
[0022]所述步驟1的推算得到準確的星圖拍攝時間過程為：因星敏感器光軸指向與衛(wèi)星 本體姿態(tài)相對關(guān)系已知，根據(jù)衛(wèi)星本體實時空間位置信息即可知道星敏感器探測單元的實 時指向目標天區(qū)，通過選定星敏感器探測單元的成像目標天區(qū)即可反算出星敏感器的星圖 拍攝時間。
[0023] 所述步驟2的利用基于k矢量和導航星域相結(jié)合的4主星星圖識別算法綜合實現(xiàn) 了全天自主模式快速識別和跟蹤模式下的主星星圖識別能力，快速識別出當前在星敏感器 坐標平面上方向矢量Wl的星點所對應(yīng)導航星表中的導航星si在天球坐標系中的方向矢量 \，具體實現(xiàn)如下：
[0024] (1)基于k矢量和導航星域相結(jié)合的快速自主星圖識別
[0025] 首先根據(jù)建立的導航星表，對全天球的導航星按照星對角距歸類，建立對應(yīng)導航 星的k矢量和k矢量查找表，再利用星敏感器視場中的4顆星構(gòu)成6組星對角距，將其中的 5組星對角距所對應(yīng)k矢量查找表域的星對組進行導航星表域，即導航星域的變換，再根據(jù) 另外1組星對角距所對應(yīng)的k矢量查找表域的值對其它5組導航星域的值進行索引比較， 最后直接找到滿足條件的4顆導航星，完成星圖識別，獲得4顆在星敏感器坐標系統(tǒng)中的方 向矢量Wl的星點所對應(yīng)導航星表中的導航星si在天球坐標系中的方向矢量v1;
[0026] 其中導航星域定義為：給定一組星對角距的范圍M，在導航星表中組成Μ的每個導 航星的出現(xiàn)次數(shù)稱為導航星域的值，導航星域就是統(tǒng)計相應(yīng)導航星出現(xiàn)的次數(shù)；
[0027] (2)跟蹤模式下的4主星星圖識別
[0028] 利用識別出的4顆主星作為初始信息進行有初指向的局部星圖識別，計算星敏感 器的姿態(tài)并獲取運動角速度，結(jié)合前面兩步得到的先驗信息，預測下一采樣時刻的姿態(tài)和 星點位置，進入快速預測跟蹤模式識別，快速識別出下一采樣時刻的4顆在星敏感器坐標 系統(tǒng)中的方向矢量Wl的星點所對應(yīng)導航星表中的導航星Sl在天球坐標系中的方向矢量Vl， 實現(xiàn)更好的實時性。
[0029] 所述步驟3的求解使得星點理論星點位置與實際測量誤差最小化的目標函數(shù) J(A