[發(fā)明專利]一種高精度星敏感器外場精度測試方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410557274.0
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104280049A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李玉明;程會艷;鄭然;武延鵬;鹿瑞;周建濤;李曉;孫大開
• 申請（專利權(quán)）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C21/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 臧春喜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高精度星敏感器外場精度測試方法，尤其涉及一種基于地球自轉(zhuǎn)模型與功率譜分析的高精度星敏感器外場精度測試方法，屬于測試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

星敏感器是衛(wèi)星重要的定姿設(shè)備，星敏感器的精度指標(biāo)反映產(chǎn)品性能的一項重要指標(biāo)，其精度驗證是產(chǎn)品研制過程中的一個重要環(huán)節(jié)。按照ESA標(biāo)準(zhǔn)，星敏感器的誤差根據(jù)誤差變化周期的不同可劃分為三項：長期誤差、低頻誤差和高頻誤差。

目前星敏感器地面精度測試包括室內(nèi)測試和外場測試兩種方法，其中外場測試是星敏感器精度的最“真實”測試方法，外場測試有兩種測試方式：自測法和外測法。外測法是將產(chǎn)品的姿態(tài)數(shù)據(jù)與嚴(yán)格同步的高精度天文望遠(yuǎn)鏡觀測結(jié)果進(jìn)行比對，得出測量結(jié)果，其對測試設(shè)備的精度要求很高，測試結(jié)果的真實性主要與測試設(shè)備相關(guān)。自測法是利用精確的地球自轉(zhuǎn)模型，將與地球固連的產(chǎn)品姿態(tài)數(shù)據(jù)推算至歷元時刻，得到歷元時刻的精確姿態(tài)，以此姿態(tài)作為起始，利用地球自轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，計算各個觀測時刻的測量真值，測量值與真值之差即為產(chǎn)品的測量誤差。自測法可獲得除常偏之外的所有姿態(tài)測量誤差項，是目前外場精度測試最常用的測試方法，其測試結(jié)果的真實性主要與地球自轉(zhuǎn)模型的精度相關(guān)。由于常值偏差是星敏感器長期在軌運(yùn)行由其內(nèi)部變形和安裝位置改變等因素引起的誤差，地面無法對其進(jìn)行測試。但目前無論是用自測法還是外測法都只能得到星敏感器除常偏以外的所有姿態(tài)測量誤差，即低頻誤差與高頻誤差項的和，無法將總誤差分離獲得星敏感器的低頻誤差和高頻誤差的實測值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高精度星敏感器外場精度測試方法，該方法可獲得精確的地球自轉(zhuǎn)模型，得到真實的星敏感器誤差，同時可對星敏感器誤差進(jìn)行分離，獲得低頻誤差和高頻誤差項，有助于進(jìn)一步改善星敏感器的精度指標(biāo)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種高精度星敏感器外場精度測試方法，步驟如下：

(1)星敏感器通過觀測星空對恒星進(jìn)行匹配識別，得到衛(wèi)星需要的姿態(tài)四元數(shù)和星圖樣本；

(2)將天文學(xué)中的J2000地心慣性系轉(zhuǎn)換到觀測初始時刻的地心慣性系，實現(xiàn)對J2000地心慣性系的歲差補(bǔ)償，將J2000地心慣性系的歲差修正至觀測初始時刻對應(yīng)的地心慣性系；

(3)利用地球自轉(zhuǎn)角速度值ω，第一幀星圖對應(yīng)時刻的地心慣性系按照曝光時間間隔序列ΔT_i分別繞Z軸旋轉(zhuǎn)，得到后續(xù)各幀星圖對應(yīng)時刻的虛擬地心慣性系，第一幀星圖對應(yīng)時刻的地心慣性系為經(jīng)過步驟(2)修正后的觀測初始時刻對應(yīng)的地心慣性系；

(4)利用地球自轉(zhuǎn)模型將各幀星圖中的導(dǎo)航星矢量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為各個虛擬地心慣性系下的矢量坐標(biāo)；

(5)對經(jīng)過步驟(4)處理的各幀星圖導(dǎo)航星矢量坐標(biāo)進(jìn)行大氣折射修正，建立各幀星圖導(dǎo)航星矢量矩陣；

(6)對各幀星圖恒星觀測矢量陣以及經(jīng)過步驟(5)建立的各幀星圖導(dǎo)航星矢量矩陣，利用QUEST算法求解出第一幀星圖的姿態(tài)真值；

(7)根據(jù)步驟(6)得到的第一幀星圖的姿態(tài)真值和地球自轉(zhuǎn)模型，按照坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)關(guān)系，遞推出后續(xù)各幀星圖的姿態(tài)真值；

(8)計算各幀星圖姿態(tài)真值對應(yīng)的坐標(biāo)軸和姿態(tài)實測值對應(yīng)的坐標(biāo)軸之間的夾角誤差，利用“畫圓法”計算出短周期項誤差；

(9)計算短周期項誤差的功率譜密度分布，按照功率譜密度分布將短周期項誤差劃分為低頻誤差、高頻誤差以及時域誤差，進(jìn)而對低頻誤差、高頻誤差以及時域誤差的功率譜進(jìn)行分段傅里葉逆變換；

(10)對低頻誤差、高頻誤差以及時域誤差對應(yīng)不同頻率帶的誤差樣本進(jìn)行誤差分析，分別計算出低頻誤差、高頻誤差以及時域誤差的數(shù)值；

(11)完成測試。

所述步驟(1)的實現(xiàn)過程為：將星敏感器放置于三軸轉(zhuǎn)臺上，將星敏感器光軸指向天頂，采集得到星敏感器輸出的姿態(tài)四元數(shù)Q及觀測星點信息集形成的星圖樣本；

姿態(tài)四元數(shù)是表征星敏測量坐標(biāo)系在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)信息(Q＝[Q0,Q1,Q2,Q3])；

天頂為觀測點和地心的連線與天球的交點；

觀測星點信息包含對應(yīng)星圖的曝光時刻(Ti)、星點的行列坐標(biāo)(Ui,Vi)和星點能量(Ei)。

所述步驟(2)中進(jìn)行歲差補(bǔ)償?shù)姆椒椋?/p>

ξ＝2306.2181×t+0.30188×t²+0.017998×t³

Ζ＝2306.2181×t+1.09468×t²+0.018203×t³