雙星敏感器載體安裝矩陣動態(tài)標定方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙星敏感器安裝矩陣動態(tài)標定的方法。屬于天文導航領域。
【背景技術】
[0002] 星敏感器以恒星為參照物，由探測單元在某一時刻對天空完成星圖捕獲，經(jīng)過數(shù) 據(jù)處理單元對星圖進行恒星質(zhì)心提取、星圖識別、恒星跟蹤、姿態(tài)計算等一系列處理，最終 獲得星敏感器相對慣性空間的高精度姿態(tài)信息，是一種高精度的姿態(tài)測量裝置。
[0003] 目前星敏感器廣泛應用于航空航天飛行器姿態(tài)測量，隨著高精度大視場星敏感器 技術的成熟，星敏感器已經(jīng)能夠完成船體姿態(tài)測量。
[0004] 星敏感器在使用之前，需要對其與載體之間的安裝矩陣進行標定，標定精度越高， 其獲取的載體姿態(tài)數(shù)據(jù)精度越高。
[0005] 關于傳統(tǒng)的安裝矩陣獲取方法，一般是通過靜態(tài)方法測量星敏感器的安裝角，每 次對一個星敏感器的安裝矩陣進行單獨標定。該方法存在兩方面問題：一是在沿星敏感器 光軸方向旋轉(zhuǎn)角標定精度比較低；二是標定需要載體處于靜態(tài)條件獲取安裝矩陣的條件較 為嚴格。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術提供一種雙星敏感器載體安裝 矩陣動態(tài)標定方法，該方法通過獲取星敏感器之間相對安裝矩陣，在動態(tài)條件下完成星敏 感器與載體間安裝矩陣的標定。
[0007] 本發(fā)明解決上述問題所采用的技術方案為：一種雙星敏感器與載體間安裝矩陣動 態(tài)標定方法，所述方法包括以下步驟： 步驟一、標定雙星敏感器之間相對安裝矩陣 1、獲取恒星在星敏感器坐標系下的觀測矢量1?和恒星在地心慣性坐標系下的參考矢
f為星敏感器焦距，為圖像傳感器的主點位置(像元數(shù))，（?.為第i顆恒星 像中心像素坐標，D為圖像傳感器像元尺寸，％和A為第i顆恒星在地心慣性坐標系（i系） 下的赤經(jīng)、赤煒分別。€為地心慣性系到星敏感器坐標系（s系）的轉(zhuǎn)換矩陣。
[0009] 2、求取雙星敏感應器之間相對安裝矩陣 對星敏感器A1、A2的觀測量與參考量，可列出如下公式：

其中分別為當?shù)氐乩碜鴺讼档叫敲舾衅鰽U A2坐標系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。
[0010] 令星敏感器Al、A2之間的相對安裝矩陣為·，表示由A2坐標系到Al坐標系的旋 轉(zhuǎn)矩陣。對于A2坐標系下觀測量，其在Al坐標系下的值E li可由下式計算：
對（6)式右邊繼續(xù)展開，并將（5)式代入其中可得：
對Al坐標系下的兩個星敏感器的觀測向量冗1S進行點乘可得到
觀察（8)式，右邊為已知，左邊為已知，可由包含 < 的（6)式計算，多個點構(gòu)成 聯(lián)立方程組，根據(jù)約束最小二乘即可求得式^。
[0011] 步驟二、標定雙星敏感器與載體間安裝矩陣 雙星敏感器與載體之間的安裝矩陣標定就是求P或，以巧1為例給出計算方法如 下： 1、 載體配置了捷聯(lián)慣導，通過三軸陀螺解算得到載體坐標系到當?shù)氐乩碜鴺讼担╣系） 下的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣g; 2、 根據(jù)4可將星敏感器A1、A2在g系下的參考量轉(zhuǎn)換到載體坐標系（b系)，公式如 下：
3、 星敏感器A2在si系下的觀測矢量可通過（6)式計算得到，與星敏感器Al在si系 下的觀測矢量共同構(gòu)成雙星敏感器在s系下的觀測矢量，記為。
[0012] 4、當雙星敏感器視場內(nèi)總識別星數(shù)目大于3時，可根據(jù)下式求得安裝矩陣
) 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于： 一是標定精度高，解決了兩個星敏感器單獨標定安裝矩陣時存在的沿星敏感器光軸方 向旋轉(zhuǎn)角標定精度低的問題；二是標定條件不受限制，可以在載體運動情況下實行動態(tài)標 定，尤其適用于船載星敏感器的動態(tài)標定。
【附圖說明】
[0013] 圖1相對安裝角誤差與實驗次數(shù)關系。
[0014] 圖2星敏感器Al安裝角誤差對比結(jié)果。
【具體實施方式】
[0015] 以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0016] 本發(fā)明涉及一種雙星敏感器載體安裝矩陣動態(tài)標定的方法，方法包括以下步驟： 一是標定雙星敏感器之間相對安裝矩陣，及獲取雙星敏感器之間的相對位置關系；二是標 定雙星敏感器與載體安裝矩陣，即通過雙星敏感器聯(lián)合求解獲取某一星敏感器相對載體的 位置關系。
[0017] 為便于本
【發(fā)明內(nèi)容】
描述，在此對發(fā)明中涉及的坐標系定義、相關概念與符號含義 等進行簡要說明。
[0018] -、常用坐標系及其轉(zhuǎn)換關系 1、星敏感器固聯(lián)安裝在載體上，根據(jù)其安裝矩陣可以得到載體坐標系（b系）到星敏感 器坐標系（s系）的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和。
[0019] 2、載體配置了捷聯(lián)慣導，通過三軸陀螺解算得到載體坐標系到當?shù)氐乩碜鴺讼担╣ 系）下的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。
[0020] 3、地心慣性坐標系（i系)到當?shù)氐乩碜鴺讼礸系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可以由觀測時刻 和測量點的經(jīng)煒度等信息計算得到，記為母。
[0021] 二、實施過程 步驟一、標定雙星敏感器之間相對安裝矩陣 1、獲取恒星在星敏感器坐標系下的觀測矢量恒星在地心慣性坐標系下的參考矢 量_。
f為星敏感器焦距，（?^?)為圖像傳感器的主點位置(像元數(shù))，為第i顆恒星 像中心像素坐標，D為圖像傳感器像元尺寸，傳和:;薄為第i顆恒星在地心慣性坐標系（i系） 下的赤經(jīng)、赤煒分別。：灘為地心慣性系到星敏感器坐標系（s系）的轉(zhuǎn)換矩陣。
[0023] 2、求取雙星敏感應器之間相對安裝矩陣 設星敏感器Al和A2分別識別到4顆恒星，Al恒星編號一次為1、2、3、4, A2恒星編號 5、6、7、8〇
[0024] 對星敏感器A1、A2的觀測量與參考量，可列出如下公式：
其中分別為當?shù)氐乩碜鴺讼档叫敲舾衅鰽U A2坐標系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。
[0025] 令星敏感器Al、A2之間的相對安裝矩陣為，表示由A2坐標系到Al坐標系的旋 轉(zhuǎn)矩陣。對于A2坐標系下觀測量％，其在Al坐標系下的值可由下式計算：
對（6)式右邊繼續(xù)展開，并將（5)式代入其中可得：
對Al坐標系下的兩個星敏感器的觀測向量:爾^、曝_進行點乘可得到
觀察（8)式，右邊為已知，左邊_^為已知，1|_可由包含^的（6)式計算，多個點構(gòu)成 聯(lián)立方程組，根據(jù)約束最小二乘即可求得。
[0026] 步驟二、標定雙星敏感器與載體間安裝矩陣 雙星敏感器與載體之間的安裝矩陣標定就是求巧1或，以馬1為例給出計算方法如 下： 1、 載體配置了捷聯(lián)慣導，通過三軸陀螺解算得到載體坐標系到當?shù)氐乩碜鴺讼担╣系） 下的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣4; 2、 根據(jù)_可將星敏感器AU A2在g系下的參考量~轉(zhuǎn)換到b系，公式如下：
3、 星敏感器A2在si系下的觀測矢量可通過（6)式計算得到，與星敏感器Al在si系 下的觀測矢量共同構(gòu)成雙星敏感器在si系下的觀測矢量，記為巧^j = I. .8, 4、 當雙星敏感器視場內(nèi)總識別星數(shù)目大于3時，可根據(jù)下式求得安裝矩陣巧1
實施例： 1、仿真試驗條件及參數(shù) 星敏感器參數(shù)如表1所示： 表1星敏感器參數(shù)
船體位置姿態(tài)信息如表2所示： 表2船體位置姿態(tài)信息
恒星赤經(jīng)、赤煒信息如表3所示，其中恒星1-4在星敏感器Al視場中，恒星5-8在星敏 感器A2視場中。
[0027] 表3丨旦星位置
觀測時刻其它參數(shù)如表4所示： 表4觀測時刻相關參數(shù)
星敏感器安裝角如表5所示： 表5星敏感器安裝角
2、 仿真試驗結(jié)果及相關數(shù)據(jù)
3、 仿真試驗精度分析 根據(jù)前述仿真條件，可以計算出8顆恒星在理想情況和實際情況(包含蒙氣差影響情 況）下在各自星敏感器像面上的成像位置，在仿真實驗中，在實際情況的成像點X、y方向分 別加入均值為〇、標準差為〇. 1的高斯白噪聲，之后根據(jù)參考量蒙氣差修正方法對每個像點 進行蒙氣差修正。
[0028] 根據(jù)雙星敏感器之間相對安裝矩陣動態(tài)標定方法對進行計算，隨機進行100 次實驗，對計算得到的相對安裝角結(jié)果求平均，與仿真中設置的真值比較，角度誤差如圖1 所示。
[0029] 由圖1可以看出，相對安裝角誤差隨試驗組數(shù)增加而減小，仿真條件下經(jīng)過50次 以后，相對安裝角誤差可降低到5"以下，100次以后，相對安裝角誤差可降低到3"以下。
[0030] 雙星敏感器之間相對安裝矩陣標定以后，可以對雙星敏感器與載體之間的安裝矩 陣進行標定，以星敏感器Al為例，進行100次實驗，對計算得到的Al安裝角結(jié)果求平均，與 仿真中設置的真值比較，角度誤差如圖2所示。
[0031] 圖2中實線表示動態(tài)標定計算得到的星敏感器Al安裝角誤差曲線，虛線表示利用 傳統(tǒng)的單星敏感器信息計算得到的星敏感器Al安裝角誤差曲線。由圖2可以看出，動態(tài)標 定結(jié)果精度明顯高于傳統(tǒng)方法，安裝角誤差隨試驗組數(shù)增加而減小，仿真條件下經(jīng)過10次 以后，安裝角誤差可降低到Γ以下，20次以后，相對安裝角誤差可降低到0.5"以下。
[0032] 除上述實施例外，本發(fā)明還包括有其他實施方式，凡采用等同變換或者等效替換 方式形成的技術方案，均應落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種雙星敏感器與載體間安裝矩陣動態(tài)標定方法，所述方法包括w下步驟： 步驟一、標定雙星敏感器之間相對安裝矩陣 1) 、獲取恒星在星敏感器坐標系下的觀測矢量和恒星在地屯、慣性坐標系下的參考 矢量壞：f為星敏感器焦距，:(靖議續(xù)為圖像傳感器的主點位置，轉(zhuǎn)終媒策為第i顆恒星像中必像 素坐標，D為圖像傳感器像元尺寸，巧和變力第i顆恒星在地必慣性坐標系下的赤經(jīng)、赤締 分別，瑪為地屯、慣性系到星敏感器坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣； 2) 、求取雙星敏感應器之間相對安裝矩陣 令星敏感器A1、A2之間的相對安裝矩陣為及，表示由A2坐標系到A1坐標系的旋轉(zhuǎn)矩 陣，對于A2坐標系下觀測量W。。，·，其在A1坐標系下的值心',ν可由下式計算：(6) 對Α1坐標系下的兩個星敏感器的觀測向量邱;1,、??',?進行點乘可得到(8) 由（6)和（8)根據(jù)約束最小二乘即可求得襲羅； 步驟二、標定雙星敏感器與載體間安裝矩陣 1) 載體配置了捷聯(lián)慣導，通過Ξ軸巧螺解算得到載體坐標系到當?shù)氐乩碜鴺讼迪碌淖?態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣; 2) 根據(jù)可將星敏感器A1、A2在g系下的參考量轉(zhuǎn)換到載體坐標系，公式如下：(9) 3) 當雙星敏感器視場內(nèi)總識別星數(shù)目大于3時，可根據(jù)下式求得安裝矩陣瑪(10) 其中：W'.:為恒星在星敏感器坐標系下的觀測矢量，Γμ為星敏感器在載體坐標系下的 參考量。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙星敏感器載體安裝矩陣動態(tài)標定的方法，方法包括以下步驟：一是標定雙星敏感器之間相對安裝矩陣，及獲取雙星敏感器之間的相對位置關系；二是標定雙星敏感器與載體安裝矩陣，即通過雙星敏感器聯(lián)合求解獲取某一星敏感器相對載體的位置關系。本發(fā)明解決了兩個星敏感器單獨標定安裝矩陣時存在的沿星敏感器光軸方向旋轉(zhuǎn)角標定精度低的問題；可以在載體運動情況下實行動態(tài)標定，尤其適用于船載星敏感器的動態(tài)標定。
【IPC分類】G01C25/00, G01C21/02
【公開號】CN105318871
【申請?zhí)枴緾N201510754528
【發(fā)明人】焦宏偉, 張同雙, 潘良, 周海淵, 趙李健, 劉新明, 王前學, 杜鵬, 桑海峰
【申請人】中國人民解放軍63680部隊
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年11月9日