[發明專利]一種多星敏感器構型布局設計方法

有效

• 申請號: 201410572975.1
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104296751A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 李巖;霍德聰;葛逸民;李松明
• 申請（專利權）人: 航天東方紅衛星有限公司
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種多星敏感器構型布局設計方法，屬于衛星總體設計領域。

背景技術

利用攝影測量原理進行地面目標定位的遙感衛星，都需要獲取衛星的6個外方位元素，即衛星的位置和姿態角，其中位置稱為外方位線元素，姿態角稱為外方位角元素。隨著用于測繪、國土勘察等應用的測繪衛星地面目標定位精度要求越來越高，這就要求獲得高精度的外方位角元素和外方位線元素，而目前為了獲得高精度的外方位角元素，衛星上一般采用多個(如3個)高精度的星敏感器，多星敏感器的星上構型布局設計，直接影響多星敏感器聯合定姿的精度。

目前精度較高的星敏感器一般采用CCD或APS探測器在衛星運動過程中對星空成像，然后利用高精度的星歷解算最終得到衛星在慣性空間中的姿態四元數。由于星空是較暗的背景空間，太陽光、月光、地氣光、星體物反射光等雜散光極易對探測器的背景噪聲產生影響，從而影響星敏感器的測量精度。因此，星敏感器在衛星上的布局時，要嚴格控制星敏感器的視場條件，確保其不受雜散光的影響。

根據星敏感器測量原理，一個星敏感器只能高精度測量其光軸指向，另外2個軸的指向測量精度要低得多。為了得到衛星三軸的高精度姿態信息，則需要至少兩臺以上的星敏感器進行聯合定姿，并且當星敏感器光軸之間正交安裝時，由星敏感器間交角關系引起的聯合定姿誤差會最小，例如法國SPOT6衛星的三臺星敏感器光軸就是采用正交安裝的方式，但是受限于衛星構型及星體物遮擋等約束，并不是所有的衛星都能夠實現星敏正交安裝。

還有一個常常被忽視的設計細節，即恒星與星敏感器之間的相對運動關系設計。由于衛星的軌道、姿態運動，恒星與星敏感器之間存在相對運動。星敏感器的測姿精度與此相對運動相關，一般講，星敏感器測姿精度隨恒星相對運動增大而降低。因此，針對衛星軌道、姿態運動特性，合理設計恒星在星敏感器測量坐標系中的相對運動，也是降低星敏感器測量誤差，提高測姿精度的關鍵環節。

以往在進行星敏感器構型布局時，主要憑結構設計師的經驗先在衛星結構模型上預設幾個星敏感器光軸的指向，使兩兩星敏感器光軸之間的夾角盡量接近90度，設計后驗證每個星敏感器光軸和太陽、地球及星體物之間的關系是否滿足使用要求，如不滿足則重新調整星敏感器的布局。這種星敏感器支架構型布局的設計方法存在如下不足：(1)設計不直觀、效率低，采用這種方法在進行星敏感器布局設計時無法直觀觀察星敏感器光軸與太陽、地球及星體物之間的相對關系，只能事后進行驗證，所以往往需要多次反復才能確定布局方案，設計效率低；(2)設計過程不量化，不容易得到較優化的設計方案，由于在設計過程中主要憑經驗嘗試，無量化的控制措施，往往不能得到各方面都滿足要求的優化布局方案。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種多星敏感器構型布局設計方法，可量化控制布局過程，獲得較優化的星敏感器布局，從而獲得最佳的姿態測量效果，提高衛星的地面目標定位精度。

本發明的技術解決方案是：

一種多星敏感器構型布局設計方法，其步驟為：

步驟一：明確星敏感器雜散光的限制條件，即根據星敏感器技術規范中的要求，明確星敏感器光軸與太陽光的最小夾角即星敏感器太陽光抑制角、星敏感器光軸與地氣光最小夾角即地氣光抑制角及星敏感光軸與星體物間的最小夾角，分別為θs，θe，θb；

步驟二：根據衛星的運行軌道計算太陽光、地氣光與衛星軌道面的關系，據此創建布局設計模型，模型包括衛星立體模型、太陽光包絡、地氣光包絡；

步驟三：根據步驟一中確定的星敏感器光軸與太陽光、地氣光及星體物間的最小夾角，在衛星立體模型中創建每個星敏感器的太陽光抑制角錐、地氣光抑制角錐和星體物抑制角錐；

步驟四：在衛星模型上實時調整每個星敏感器的布局，直接觀察每個星敏感器的視場條件和星敏光軸間的夾角關系，使每個星敏感器的太陽遮光角錐不能進入太陽光包絡，地氣遮光角錐不能進入地氣光包絡，不能有星體物進入星體物抑制角錐，得到布局方案；

步驟五：在步驟四夾角關系確定的情況下，將兩兩星敏感器光軸間夾角在2θs-180度之間調整，使該夾角大于太陽光抑制角的兩倍；

步驟六：不改變星敏感器光軸間夾角關系，調整星敏感器光軸指向，通過旋轉星敏感器使恒星相對運動均勻分配到與每個星敏感器光軸垂直的兩個坐標軸上。

兩兩星敏感器光軸間的夾角為90度。