[發明專利]一種多星圖姿態關聯的星敏感器內參數標定方法

有效

• 申請號: 201710581215.0
• 申請日: 2017-07-17
• 公開（公告）號: CN107449444B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 戴東凱;劉宇;馬麗衡;秦石喬;王省書;吳偉;鄭佳興;黃宗升;魏文儉
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 李傳中

技術領域

本發明涉及航天測量領域中的星敏感器內參數標定方法及其裝置；具體地說是一種姿態關聯幀星敏感器的內參數標定方法及其專用裝置。

背景技術

星敏感器是航天器姿態控制的核心傳感器之一，它通過敏感星光的入射角度信息實現航天器姿態的測量。對光學鏡頭焦距、主點以及畸變等參數(統稱為內參數)的精確標定是星敏感器實現高精度姿態測量的前提和關鍵，因此星敏感器在投入使用前都必須在地面進行嚴格的標定。

我國的國家軍用標準“星敏感器標定與測試方法”(GJB 8237-2013) 規定了星敏感器內參數標定的標準方法，其實施過程需要在光學實驗室條件下采用單星模擬器配合高精度二維轉臺實現標定，標定精度高，但是對標定環境和設備的要求苛刻，成本較高。另一種通用的標定方法是根據恒星對間的星角距正交變換不變的特性，以采集到的星點的圖像坐標和對應觀測時刻導航星的視赤經和視赤緯作為輸入，無需高精度標定設備即可實現星敏感器鏡頭參數的估計。然而，這種方法沒有充分考慮星角距誤差的真實統計特性，簡單地把它當作白噪聲進行處理，因而算法在理論上不是最優估計，標定精度較差。

如何提高星敏感器內參數的標定精度、簡化標定流程從而實現星敏感器姿態測量精度整體提升是本領域技術人員極為關注的技術問題。

發明內容

本發明在國軍標GJB 8237-2013規定的星敏感器標定數學模型基礎上進行改進，在大氣擾動小的地點對晴朗夜空進行恒星拍攝，利用陀螺組合體 (Gyroscope Unit,GU)提供精確旋轉角度信息實現多幀星圖的拼接關聯，從而增加用于星敏感器內參數標定的觀測數據樣本，可以用于動態條件下的標定，提高標定精度和可靠性，簡化了標定流程且便于實施。

為解決上述問題，本發明所采用的技術方案是：一種利用多星圖姿態關聯實現星敏感器內參數標定方法采用的裝置由陀螺組合體、GPS天線、GPS 接收機、數據處理計算機以及待標定星敏感器組成；

所述陀螺組合體與所述待標定星敏感器剛性安裝，以下將剛性安裝的陀螺組合體和星敏感器簡稱為星慣組合系統；

所述GPS天線與所述GPS接收機通信；

所述陀螺組合體與所述GPS接收機通信；

所述待測星敏感器與所述GPS接收機通信，利用GPS接收機采集得到的世界協調時(UTC)時間信息可以實現陀螺組合體和星敏感器數據的時間同步；

所述數據處理計算機分別與所述陀螺組合體、待測星敏感器連接，并進行同步數據采集，在數據處理計算機中完成星敏感器的標定算法求解。

為實現多星圖姿態關聯的星敏感器內參數標定方法的技術方案采用以下步驟實現：

標定前選擇在晴朗無云的夜晚、遠離城市燈光的環境下實施標定，將星慣組合系統平放于地面，使星敏感器的光軸大致朝向天頂方向，確保星敏感器的視場內無障礙物遮擋以便于拍攝恒星，標定開始前將陀螺組合體通電1小時以上。

步驟1：標定開始；

1.1通過數據處理計算機控制陀螺組合體，使其開始進行姿態解算，并輸出陀螺組合體相對于慣性坐標系的姿態，利用數據處理計算機開始采集陀螺組合體輸出的姿態數據和每個數據所對應的UTC時間信息，陀螺組合體進行姿態解算的算法如下：

1.1.1給定初始時刻t₀陀螺組合體的初始姿態矩陣為

1.1.2第k個采樣時刻記為t_k，陀螺組合體中三個陀螺11，陀螺12，陀螺 13輸出的角增量分別記為利用陀螺的角增量構造姿態四元數：

其中符號[ ]^T表示矩陣的轉置；令q₀、q₁、 q₂、q₃分別為q^k的第1～4個元素；利用式(1)初始姿態矩陣計算t_k-1時刻到t_k時刻的陀螺組合體坐標系的姿態變化矩陣：

利用步驟1.1.1給出的初始姿態和式(2)給出的姿態變化矩陣進行陀螺組合體姿態迭代更新，直至測量結束；姿態更新迭代方程如下：

(1.2)利用數據處理計算機控制星敏感器使其開始拍攝恒星，并采集星敏感器拍攝得到的星圖，記錄每幀星圖對應的UTC時間。

步驟2：標定數據采集；