一种基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法，属于导航定位领域。在现有技术对星敏感器每个测量曝光帧进行动态补偿处理并得到含有动态误差和噪声影响的恒星匹配矢量矩阵的基础上，通过与星敏感器固联的三个陀螺的组合体精确测量出星敏感器各相邻测量帧之间的变换矩阵，由这种变换矩阵将星敏感器相邻测量帧的匹配矢量矩阵关联起来，最后用一系列的关联测量帧建立一个关联的测量方程，相当于将一系列的测量帧等同于一个单测量帧处理，用最小二乘法求解出姿态矩阵，可有效抑制动态误差和噪声影响，从而得到高精度的运动载体的动态姿态及其变化信息。
【专利说明】一种基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及导航定位领域，特别是惯性测量与星敏感器高精度复合导航定位领域，具体是一种基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法。
【背景技术】
[0002]陀螺是一种惯性测量器件，可以测量出运动载体相对于惯性空间的转动角速度，角速度的测量精度是表征陀螺性能高低的关键参量。角度是对角速度的积分，随着积分时间的增长，角度的测量误差将越来越大，这是包括陀螺在内所有惯性测量器件存在的共性问题；星敏感器(SS:Star Sensor)是一种依赖于恒星实现运动载体导航定位的设备,特别适合于运动载体的姿态测量，其主要特点是测量精度不随时间而变化，但受运动载体的动态影响很大，特别是运动载体的转动运动，当运动载体的转动角速度越大时，测得的恒星在星敏感器上的成像模糊就越严重，测量精度越差，与星敏感器在静止时得到的测量精度相差甚远。所以，在高动态环境下如何保持星敏感器姿态测量的高精度是目前导航定位亟待解决的难题。
[0003]2012 年 8 月发表在《Mathematical Problems in Engineering))(《工程数学问题》)上的论文“A Novel Approach Based on MEMS-Gyro，s Data Deep Coupling forDetermining the Centroid of Star Spot” (一种基于MEMS陀螺数据深稱合进行星点提取的新方法)介绍了一种采用三个MEMS陀螺实时测量星敏感器曝光时间内的角速度，根据角速度计算出星点在星敏感器像平面上的长度和方向，确定星点质心提取算法的窗口大小并用质心算法提取星点中心坐标的方法，该方法基于扩展卡尔曼滤波(EKF)算法，建立了陀螺实测角速度与星点质心提取算法融合的EKF方程，得到了动态下星敏感器单次测量星点坐标的最优估计，对5等星8。h的动态情况，提取精度优于I个像素。
[0004]中国专利“一种基于星敏感器和陀螺的高精度卫星姿态确定方法”(CN201010194288.2)主要针对卫星姿态确定系统中的状态方程的非线性问题，提出了非线性预测滤波方法估计模型误差，对状态方程进行补偿后利用插值滤波进行最优状态估计，得到卫星的姿态。该专利并未涉及星敏感器动态图像的处理问题。
[0005]1999 年发表在《Proceedings of the Fourth ESA International Conferenceon Spacecraft Guidance, Navigation and Control Systems, Netherlands, 1999》(第四届ESA国际航天器引导、导航与控制系统大会,荷兰，1999)上的论文“Dynamical Binningfor High Angular Rate Star Tracking”(高角速度下实施星跟踪的动态同步像素移位技术)介绍了一种与主动像素传感(APS:Active Pixel Sensor)技术结合的动态同步像素移位(Dynamical Binning)的方法，通过陀螺实时测量星敏感器的角速度，同步控制APS-CCD中像素的移动，消除动态的影响。该法虽在卫星上使用达到了较大动态下的高精度，但无法消除绕星敏感器光轴转动角速度的影响。
[0006]发表在2012年第12期《Sensors》(《传感器》)上的论文“Blurred Star ImageProcessing for Star Sensors under Dynamic Conditions”(星敏感器动态模糊星图处理)介绍了一种根据相邻帧得到的角速度对动态拖尾图像进行恢复的方法，该方法先将星敏感器的星图帧进行傅里叶变换到频域，然后在频域根据角速度大小利用维纳滤波反解卷积，最后再进行傅里叶逆变换到空域，可以较好地解决动态拖尾和星像动态模糊的影响，恢复的星点可达亚像素的精度。该方法利用的是相邻帧的信息来预测运动参数，在高动态情况下误差较大，反解卷积得到的原星图与静态星图相差很大。另外，姿态解算时处理的依然是单帧星图，单帧星图视场内有限的有效恒星数量在统计上使得其精度有限。
[0007]中国专利“一种星敏感器高动态下的星跟踪方法”(CN200810209622.X)提出根据星敏感器的上一帧预测的理想星像坐标信息来从当前帧星图中提取相应星像坐标，然后利用当前帧提取的星像坐标以及这些星像对应的天球坐标来计算星敏感器当前帧的姿态信息，提供了一种根据上一帧预测的理想星像中心为参考来提取实际星像位置的跟踪算法。中国专利“一种高动态下恒星星像恢复方法”(CN201310053071.3)提出根据前两帧的姿态信息预测当前帧的姿态，预测的依据是前两帧星图的姿态机动四元数信息，该机动四元数被用于当前帧恒星星像的恢复，进而提取星像坐标进行姿态解算。二者的本质均是在没有陀螺的情况下，根据星敏感器测量的前两帧姿态得到角速度来预测和处理当前图像帧，只是具体方法不同而已，因动态对星敏感器的姿态测量精度有很大影响，由此根据这两种方法得到的角速度误差很大，依此角速度进行动态补偿效果较差。同时，二者在进行姿态解算时实际利用的还是单帧星图的星像信息，并没有扩大视场以及增加视场内有效星点的数量，姿态精度受限于单帧星图恒星数量是有限的。
[0008]因此，基于陀螺测量得到的角速度对星敏感器动态图像帧进行补偿处理，可有效降低角运动对星点坐标提取的影响，提高星敏感器在动态下的测量精度。但由于星敏感器的噪声、曝光时间、反卷积等因素的共同影响，其星点坐标提取精度与静态相比误差还是很大，还不能满足动态下高精度测量的要求。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法，以满足动态下高精度测量的要求。
[0010]本发明的思路是:对星敏感器每个测量曝光帧用现有技术进行处理，得到每个测量帧经角速度补偿处理后的星点坐标，与标准星图进行搜索与匹配，得到各星点坐标的匹配矢量对。在此基础上，再利用陀螺精确测量出星敏感器各相邻测量帧之间的角度关系，通过这种精确的角度关系将星敏感器前后测量帧匹配矢量对关联起来。最后用一系列的关联测量帧建立一个关联的测量方程，相当于将一系列的测量帧等同于一个单测量帧处理，用最小二乘法求解出姿态矩阵，从而得到高精度的运动载体的姿态及其变化信息。
[0011]定义惯性坐标系O-XiniYiniZini,星敏感器坐标系O-XssYssZss,陀螺组合体(⑶:GyroUnit) O-XguYguZgu,如图1、图2所示。本说明书中，通过给相关物理量添加上标和/或下标“gu”、“SS”、“ini”分别表示该变量为陀螺组合体坐标系、星敏感器坐标系、惯性坐标系和/或从一个坐标系变换到另一个坐标系的变量，以下同。
[0012]设星敏感器坐标系到惯性坐标系的姿态矩阵为CT，星敏感器光轴的单位矢量为I，该矢量对应的惯性坐标系方向矢量L为:[0013]
【权利要求】
1.一种基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法，采用由三个相互正交安装的单轴陀螺组成的陀螺组合体以及与所述陀螺组合体固联的星敏感器组成的测姿装置，其特征在于，该方法为: 1)对于星敏感器测量的一个星图帧序列1、…、(j-l)、j、(j+l)、…、(j+k)，通过陀螺组合体测量的角度关联矩阵将第(j+ι)帧到当前帧(j+k)向前关联到第j帧，即向前关联公式:
2.根据权利要求1所述的基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法，其特征在于，星图帧序列j、(j+1)、…、(j+k)的关联帧数(k+Ι)的最大值Kmax为:
3.根据权利要求1所述的基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法，其特征在于，根据所述向前关联公式，利用单帧最优姿态矩阵简化求解第j帧的最优姿态矩阵
，得到向前关联的平均公式:利用角度关联矩阵将第j帧、…、第(j+k)帧的单帧最优姿态矩阵O)、...、C/+幻向前变换到第j帧，然后取平均，得到第j帧的平均最优姿态矩阵ξ=:
4.根据权利要求3所述的基于陀螺精确角度关联的星敏感器动态测姿方法，其特征在于，将向前关联的平均公式进一步简化为递推公式:
【文档编号】G01C21/16GK103674023SQ201310730542
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】秦石乔, 战德军, 郑佳兴, 吴伟, 贾辉, 伏思华, 马丽衡 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学