专利名称：基于精密计时的静基座平台绝对空间姿态基准的建立方法
技术领域：
本发明属于试验、测试及计量校准技术领域。为研建姿态传感器测试试验平台提
供一套新方法。
背景技术：
空间型号的姿态确定和控制，需要在地面平台完成尽可能充分的试验验证。星敏感器各局部环节的系列实验可以在实验室内完成，比如镜头的畸变校正、成像参数(焦距、成像阵列的原点位置、旋角)标定、平行光管模拟单星及结合液晶光阀的多星模拟及成像测试、硬件和软件测试实验等等，随后还要进行初样外场观星试验以及最后的试样空间搭载试验。外场观星是首次通过实际观星对星敏感器样机的综合性能测试，精度测试需要建立基准参考姿态。在实验室内，还可以通过人为给定星敏感器姿态，确定星敏感器光轴指向和旋转角，即其欧拉角广义坐标，作为预先确定的基准参考姿态，然后生成计算机模拟星图，加入噪声，输入给后续的系列处理算法，得到星光定姿结果，和预先确定的基准姿态进行比较完成精度评估；但是，在外场试验中，实拍星图代替了模拟星图，同时也失去了参考姿态，这是目前星敏感器外场实际观星进行天文定姿精度评测的一大困扰环节。星敏感器是目前业界定姿精度最高的传感器，因而赖以误差评估的参考姿态也须具有更高的精度。星敏感器导航星库中的赤经赤纬，是相对于赤道第二坐标系的坐标，星光观测的直接定姿结果，是相对于赤道第二惯性坐标系的，提供参考基准姿态的地面静基座平台，也应针对赤道第二惯性坐标系给出其实时姿态。平台相对于赤道第二坐标系i系的姿态称为绝对空间姿态。地球本身就是一个大转台，静基座平台随地球旋转而旋转，问题是如何实时确定该固联平台的绝对空间姿态。从相对运动角度看，赤道第二惯性坐标系Xi轴所指向的春分点τ沿天赤道相对地球向西转动，春分点的格林时角(GHAt)可以由精密计时获得，参见图 1，根据GHAt就可以计算赤道第二坐标系到地球坐标系的转换矩阵。更难得的是，计时仪器制造相对容易得多，不仅成本低，而且精度远高于最高端的姿态测量仪器的精度，我国研制铯原子钟1500万年不差1秒，世界最精准原子钟3亿年误差不到1秒，天文观测数据及拟合公式计算结果的精度，也远高于导航的工程实际需求。因而，借由精密计时这一方便手段可以实现静基座平台的高精度绝对空间姿态的实时输出， 作为被测定姿仪器的参考基准姿态。
发明内容
本发明的目的是将地球作为大转台建立测试参考姿态基准，利用精密计时、定位和定姿设备，围绕地球自转和恒星时计算公式完成电算化编程，实时输出静基座平台的绝对空间姿态，算法流程图参见图2。本发明所述的作为参考基准的静基座平台绝对空间姿态经过如下四个步骤获取①依靠精密定时和精确公式，获得该时刻的春分点格林时角，参见图1，从而求取从赤道第二坐标系i系到WGS-84坐标系w系的转换矩阵Cwi ；②依靠长时静态测量技术获得平台的精确地理坐标，求取从w系到地理坐标系t 系的转换矩阵Ctw;③依靠水平和指北基准装置，长时静态测量平台姿态，获得从t系相对于静基座平台P系的转换矩阵cpt。④上述三个步骤涉及的坐标系的位置关系，参见图3，获取的转换矩阵连乘 CbtCtwCwi,即为平台当前时刻相对于赤道第二坐标系的姿态矩阵cbi。其中，基于精密计时技术的高精度转换矩阵Cwi的电算化方法，是本发明的核心技术。主要围绕2个最主要的公式开展应用推导，第一个是地球自转角ERA (Earth Rotation Angle)，用θ表示，θ = 2 π (0· 7790572732640+1. 00273781191135448TU)(1)式中，Tu = (UT1儒略日-2451545. 0)，即当前观测历元与J2000. 0标准历元以儒略日数表示的间隔。第二个公式则为格林尼治真恒星时GAST的求解公式GAST = 0. 14506+ θ +4611. 5739966t+1. 39667721t2-0. 00009344t3+0. 00001882t4(2)+Δ ψ cos ε A- Σ kC" ksina k-0. 00000087" tsinQ参数t为地球时TT的儒略世纪数，其它参数意义见(五)中详述。格林尼治真恒星时GAST即为此时刻的春分点格林尼治时角GHAt。电算化编程，实时输出高精度姿态结果，需要保证公式所涉及全部参数的高度准确性，比如，世界时和协调世界时之间的偏差ΔυΤΙ，以及原子时和协调世界时的偏差项(TAI-UTC)，它们的推算值及精确的推算公式，都要从IERS(International Earth Rotation and Reference Systems Service，国际地球自转和参考系服务)网站下载获取， 要注意它们的时效性。
图1为春分点的格林尼治时角图2为绝对空间姿态基准建立流程3为i系w系ρ系t系四个坐标系的空间位置关系示意4为WGS-84坐标系w到地理坐标系t系的欧拉角旋转关系
具体实施例方式下面结合具体实例对本发明做更详尽的描述5. 1计算赤道第二坐标系到WGS-84坐标系的转换矩阵Cwi求解春分点的格林时角GHAt需要建立系列编排公式，通过对当前时刻的时间系统制式转换并最终代入公式⑵来进行解算，以观测时刻2006年6月3日121 1 !!时刻为例，求取从赤道第二坐标系i系到WGS-84坐标系w系的转换矩阵Cwi的电算化步骤和公式编排，详细说明如下(1)求地球自转角θ采用走时世界时UTl的一台精密时钟，可以计算出重要参量——地球自转角 ERA (Earth Rotation Angle),用 θ 表示，θ = 2 π (0· 7790572732640+1. 00273781191135448TU)式中，Tu = (UT1儒略日-2451545. 0)，即当前观测历元与J2000. 0标准历元的儒
略日间隔。对于观测时刻2006年6月3日12h6m6s UTl时刻，通过上述公式计算可以得到θ = 14779. 330055rad = 2352*2 π +1. 278464rad(2) UTl换算为协调世界时UTCUTC = UTl-AUTl(3)式中，ΔUTl 需要从 IERSdnternational Earth Rotation and Reference Systems Service,国际地球自转和参考系服务)网站获取，在一个文件形式为 bulletin-xxx. txt的通报文件中给出，其中的DUTl即为AUTl0针对观测时刻2006年6月3日12h6m6s UTl时刻，查得，DUTl = (UTl-UTC)= 0.2s，则协调世界时，UTC = UTl-AUTl = 12. 1016111h(3) UTC换算为地球时TT①求原子时TAI，TAI = UTC+ (TAI-UTC) (4)式中偏差项(TAI-UTC)在IERS网站的通告中也给出了具体数值。②求地球时TT = TAI+323. 184(5)常数32s. 184为地球时TT与原子时TAI所固有的偏差值。针对观测时亥Ij 2006年6月3日12h6m6s UTl时刻，查得，DTAI = 33. 000000s，则原子时，TAI = 12. 1107778h，地球时 TT = 12. 1197178h(4)计算格林尼治平恒星时GMSTGMST = 0. 14506+θ+4611. 5739966t+1. 39667721t2-0. 00009344t3+0. 00001882t4(6)式中，t为地球时TT的儒略世纪数，t = (TT-2010 年 1 月 1 日 1. 5 日 TT)(单位天)/36525(7)利用上述公式计算可得，观测时刻2006年6月3日12h6m6s UTl时刻的格林尼治平恒星时，GMST = 4h53ml9. 888397s(5)计算二分差 EECT
权利要求
1.计时制式转换电算化及从赤道第二坐标系i系到地球坐标系W系的转换矩阵Cwi实时精确解算，其特征在于将自转的地球作为一个大转台，自动化电算程序利用IERS(国际地球自转和参考系服务)网站提供的最新参数，通过计时及时间制式转换，得到格林尼治恒星时GST，即春分点格林时角GHAt，从而得到从i系到w系的实时转换矩阵Cwi，格林尼治恒星时GST的求解公式一般形式为GST = O. 14506" + θ+4611. 5739966" t+1. 39667721 “ t2-0. 00009344" t3+0. 00001882" t4+A ψ cos ε A-Σ kC' ksin α k-0. 00000087〃 tsinQ二分差附加项(-EkC' ksin α k-0. 00000087" tsin Ω )中，累加项取33项，则具体形式为GST = 0.14506" +^ + 4611.5739966" t +1.3966772 t2 -0.00009344'V3 +0.00001882'V4 + A^cos^33(Cn Sinai +Cl2 cosατ) - 0.00000087" t sin Ωi=\针对工程应用精度要求较低情况，为提高电算化程序计算速度，二分差附加项累加项可取更少的项数，或可以直接略去二分差附加项，则简化形式为 GST = O. 14506" + θ+4611. 5739966" t+1. 39667721 “ t2 -0. 00009344" t3+0. 00001882" t4+A ψ cos ε A参数t为地球时TT的儒略世纪数。θ为地球自转角，如下为其两个常用公式形式 θ =231 (UTlJulian day fraction+0. 779057273264+0. 00273781191135448TU) θ = 2 π (0. 7790572732640+1. 00273781191135448TU)IERS组织会不定期通过网站公布最新参数，上述各式的一些常系数或参数会有所微调，有的GST公式中还包括t5及更高次项。
2.通过计时建立静基座平台绝对空间姿态基准的方法，其特征在于先后求取三个转换矩阵通过计时获得从i系到地球坐标系w系的转换矩阵Cwi，测量平台地理坐标求取从w 系到地理坐标系t系的转换矩阵Ctw，依靠水平和指北装置获得从t系到静基座平台ρ系的转换矩阵Cpt，然后CbtCtwCwi连乘，得到平台当前时刻相对于赤道第二坐标系的姿态矩阵Cbi， 作为绝对空间姿态参考基准。
全文摘要
本发明提供基于精密计时的静基座平台绝对空间姿态基准的建立方法，为外场测试星敏感器提供绝对空间姿态基准，属于试验、测试及计量校准技术领域。首先，将地球作为转台，基于精密计时求得从赤道第二坐标系i系到地球坐标系w系的转换矩阵Cwi，围绕恒星时公式和最新参数编制了电算程序；然后，依靠GPS获得平台的地理坐标，求取从w系到地理坐标系t系的转换矩阵Ctw；接着，依靠水平和指北基准装置测量平台姿态，获得从t系相对于静基座平台p系的转换矩阵Cpt；最后，CbtCtwCwi连乘即为平台绝对空间姿态矩阵Cbi。计时仪器成本低精度高，借由精密计时实现平台绝对空间姿态的实时输出，可以作为星敏感器外场试验的参考基准。
文档编号G01C25/00GK102506894SQ201110306449
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者武文卿, 王海涌, 陆婷婷 申请人:北京航空航天大学