[發明專利]基于精密計時的靜基座平臺絕對空間姿態基準的建立方法

無效

• 申請號: 201110306449.7
• 申請日: 2011-10-11
• 公開（公告）號: CN102506894A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 王海涌;武文卿;陸婷婷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

(一)技術領域

本發明屬于試驗、測試及計量校準技術領域。為研建姿態傳感器測試試驗平臺提供一套新方法。

(二)背景技術

空間型號的姿態確定和控制，需要在地面平臺完成盡可能充分的試驗驗證。

星敏感器各局部環節的系列實驗可以在實驗室內完成，比如鏡頭的畸變校正、成像參數(焦距、成像陣列的原點位置、旋角)標定、平行光管模擬單星及結合液晶光閥的多星模擬及成像測試、硬件和軟件測試實驗等等，隨后還要進行初樣外場觀星試驗以及最后的試樣空間搭載試驗。外場觀星是首次通過實際觀星對星敏感器樣機的綜合性能測試，精度測試需要建立基準參考姿態。在實驗室內，還可以通過人為給定星敏感器姿態，確定星敏感器光軸指向和旋轉角，即其歐拉角廣義坐標，作為預先確定的基準參考姿態，然后生成計算機模擬星圖，加入噪聲，輸入給后續的系列處理算法，得到星光定姿結果，和預先確定的基準姿態進行比較完成精度評估；但是，在外場試驗中，實拍星圖代替了模擬星圖，同時也失去了參考姿態，這是目前星敏感器外場實際觀星進行天文定姿精度評測的一大困擾環節。

星敏感器是目前業界定姿精度最高的傳感器，因而賴以誤差評估的參考姿態也須具有更高的精度。星敏感器導航星庫中的赤經赤緯，是相對于赤道第二坐標系的坐標，星光觀測的直接定姿結果，是相對于赤道第二慣性坐標系的，提供參考基準姿態的地面靜基座平臺，也應針對赤道第二慣性坐標系給出其實時姿態。平臺相對于赤道第二坐標系i系的姿態稱為絕對空間姿態。

地球本身就是一個大轉臺，靜基座平臺隨地球旋轉而旋轉，問題是如何實時確定該固聯平臺的絕對空間姿態。從相對運動角度看，赤道第二慣性坐標系x_i軸所指向的春分點Υ沿天赤道相對地球向西轉動，春分點的格林時角(GHA_Υ)可以由精密計時獲得，參見圖1，根據GHA_Υ就可以計算赤道第二坐標系到地球坐標系的轉換矩陣。

更難得的是，計時儀器制造相對容易得多，不僅成本低，而且精度遠高于最高端的姿態測量儀器的精度，我國研制銫原子鐘1500萬年不差1秒，世界最精準原子鐘3億年誤差不到1秒，天文觀測數據及擬合公式計算結果的精度，也遠高于導航的工程實際需求。因而，借由精密計時這一方便手段可以實現靜基座平臺的高精度絕對空間姿態的實時輸出，作為被測定姿儀器的參考基準姿態。

(三)發明內容

本發明的目的是將地球作為大轉臺建立測試參考姿態基準，利用精密計時、定位和定姿設備，圍繞地球自轉和恒星時計算公式完成電算化編程，實時輸出靜基座平臺的絕對空間姿態，算法流程圖參見圖2。

本發明所述的作為參考基準的靜基座平臺絕對空間姿態經過如下四個步驟獲取：

①依靠精密定時和精確公式，獲得該時刻的春分點格林時角，參見圖1，從而求取從赤道第二坐標系i系到WGS-84坐標系w系的轉換矩陣C_wi；

②依靠長時靜態測量技術獲得平臺的精確地理坐標，求取從w系到地理坐標系t系的轉換矩陣C_tw；

③依靠水平和指北基準裝置，長時靜態測量平臺姿態，獲得從t系相對于靜基座平臺p系的轉換矩陣C_pt。

④上述三個步驟涉及的坐標系的位置關系，參見圖3，獲取的轉換矩陣連乘C_btC_twC_wi，即為平臺當前時刻相對于赤道第二坐標系的姿態矩陣C_bi。

其中，基于精密計時技術的高精度轉換矩陣C_wi的電算化方法，是本發明的核心技術。主要圍繞2個最主要的公式開展應用推導，第一個是地球自轉角ERA(Earth?Rotation?Angle)，用θ表示，

θ＝2π(0.7790572732640+1.00273781191135448T_u)????????(1)

式中，T_u＝(UT1儒略日-2451545.0)，即當前觀測歷元與J2000.0標準歷元以儒略日數表示的間隔。

第二個公式則為格林尼治真恒星時GAST的求解公式

GAST＝0.14506+θ+4611.5739966t

+1.39667721t²-0.00009344t³+0.00001882t⁴????????????(2)