船载雷达海上精度鉴定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天器姿态控制地面应用领域，具体涉及船载雷达海上精度鉴定方 法。利用星敏感器指向精度高的优点，提供一个不依赖雷达编码器的高精度雷达角度测量 基准，通过同步跟踪测量空间目标，解算雷达指向精度。
【背景技术】
[0002] 星敏感器是一种以恒星为参考基准的高精度姿态敏感器，通过探测天球上不同位 置的恒星进行解算，具有自主导航能力，在各种飞行器的控制系统和姿态测量过程中起着 重要的作用。星敏感器具有隐蔽性好、适用范围广、可靠性高、精度高、可独立自主全天候工 作的特点。
[0003] 航天测量船是为了适应导弹、航天器试验的发展而在海上设置的测控站，其测控 设备以船舶为平台。为确保船载雷达的测量精度，必须适时对设备进行标定和校准，主要分 为坞内标校和海上标校两部分。坞内标校是基础，可进行全面精确的标校，获取误差修正模 型参数;海上标校是在动态条件下进行的，利用精度校飞可进行设备精度鉴定和参数校准。 但现有海上精度校飞存在周期长、耗费大及组织协调困难等缺点，因此有必要寻找一种可 以代替精度校飞的精度鉴定方法，满足高频度海上试验任务的需求。现阶段利用船载经炜 仪与测量雷达同时跟踪同一空间目标，将两组测量数据进行比较得到雷达电轴的指向精 度。但船载经炜仪通常视场小，一般只能探测到四等恒星，且数据比较时带来了船体变形误 差及经炜仪轴系误差，也无法解算空间目标的地心系坐标，因此，应用范围受到限制。
【发明内容】
[0004] 本发明为解决现有技术无法实现对船载雷达高精度高频度的海上精度鉴定的问 题，提供一种基于高精度星敏感器的船载雷达海上精度鉴定方法。
[0005] 船载雷达海上精度鉴定方法，该方法由以下步骤实现：
[0006] 步骤一、在船载雷达设备天线三轴中心捷联安装星敏感器SS1;
[0007] 步骤二、船进坞坐墩时，船载标校经炜仪标定零位差和照准差，所述星敏感器SS1 标定主点、焦距以及光学畸变参数;船载雷达标定轴系误差；
[0008] 步骤三、船载雷达和星敏感器同时跟踪空间目标，星敏感器实时拍摄雷达天线指 向的星图，t时刻船载雷达跟踪空间目标实时测量甲板系的方位角和俯仰角为(A bt，Ebt)，构 成甲板坐标系向量Vbt，经过船摇修正得到雷达电轴地平系向量 VDPt，对所述雷达电轴地平系 向量VDPt进行船位、极移、自转以及岁差修正后转换到地心惯性坐标系向量Vcist，解算星敏 感器视轴初始指向（ aQt，β(Η);
[0009] 步骤四、根据步骤三获得的视轴初始指向（aQt，i3Qt)及星敏感器的视场半径R，计算 星敏感器的视场范围（&，〇〇,采用基于导航星域的快速识别算法，进行星图识别，并利用星 图中多颗恒星与导航星的对应关系，计算星敏感器视轴精确姿态(a t，i3t，yt)，再利用t时刻 空间目标的像点坐标构建星敏感器观测矢量W t，对所述观测矢量进行畸变二次拟合校正， 获得校正后的观测矢量为Wt'，采用下式计算空间目标的地心系矢量Vt:
[0011]式中，为星敏感器姿态矩阵，CIS为地心惯性坐标系，s为星敏感器坐标系；
[0012]步骤五、对步骤四所述的空间目标的地心系矢量vt，进行岁差、章动、极移、地球自 转的变换后，获得空间目标地平系矢量，解算空间目标地平系方位角和俯仰角对 所述空间目标地平系俯仰角&进行蒙气差修正，获得修正后的空间目标地平系俯仰角^， 重构空间目标地平系矢量，再经过船摇修正，获得空间目标的甲板系指向，用公式表示为：
[0014] 式中，为t时刻船体姿态矩阵，（Ω t，Ψ*)为星敏感器测量的空间目标甲板系 的方位角和俯仰角，b为甲板坐标系，DP为惯导地平系；
[0015] 步骤六、根据船载雷达跟踪空间目标实时测量甲板系的方位角和俯仰角（Abt， Ebt)，修正轴系误差后的方位角和俯仰角(A'bt，E'bt)，采用星敏感器实现对修正后的方位角 和俯仰角(A' bt，E'bt)进行精度鉴定，用公式表示为：
[0017]式中，（δΑ*，δΕ*)为雷达电轴指向的方位角和俯仰角的偏差。
[0018]本发明的有益效果：
[0019] -、提出了一种船载雷达海上精度鉴定方法，具有精度高、简便快捷等优点，为高 频度的海上试验设备标校提供了有力保障，可实现雷达精度鉴定的常态化。
[0020] 二、将星敏感器安装在雷达天线上，以指向精度高的星敏感器为精度基准，即提供 一个不依赖雷达编码器的高精度角度测量基准，雷达和星敏感器同时跟踪空间目标，星敏 感器实时拍摄雷达天线指向附近星图，解算雷达指向精度，具有较高的测量精度，方位、俯 仰随机残差优于50"，满足雷达精度鉴定要求。
[0021] 三、本发明根据星敏感器姿态确定原理，通过矩阵运算编程解算船载雷达精度，实 现了实时自动化测量，无需相关背景专业人士也可完成计算工作。
[0022] 四、本发明利用球矩形的方法将天球划分成800个球矩形小天区，建立各小天区导 航星表和星角距库。充分利用雷达设备角度信息缩小搜索范围，确定视轴粗指向后进行快 速星图识别和空间目标定位，大大提高了数据更新率。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明所述的船载雷达海上精度鉴定方法中星敏感器与船载雷达捷联安装 示意图；
[0024] 图2为本发明所述的船载雷达海上精度鉴定方法中船载雷达与星敏感器相关坐标 系不意图；
[0025] 图3为本发明所述的船载雷达海上精度鉴定方法中船载雷达海上精度鉴定原理 图；
[0026] 图4为本发明所述的船载雷达海上精度鉴定方法中惯导地平坐标系到地心惯性坐 标系转换示意图；
[0027] 图5为本发明所述的船载雷达海上精度鉴定方法中星敏感器视场对应小天区示意 图；
[0028] 图6为本发明所述的船载雷达海上精度鉴定方法中船载星敏感器蒙气差修正示意 图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0029] 一、结合图1~图6说明本实施方式，本实施方式中涉及的坐标系有 CIS一地心惯性坐标系(J2000.0坐标系），MT-瞬时平赤道地心系，CT一瞬时真赤道地心系， ET-准地固坐标系，CTS-地固坐标系，DP-惯导地平系，b-甲板坐标系，s-星敏感器坐标 系。表1为星敏感器光学系统的参数。
[0030] 表 1
[0031]
[0032]基本的欧拉角旋转变换矩阵Rx(0)，Ry(0)，RZ(0)分别表示绕X、Y和Z轴逆时针旋转Θ 角后形成的矩阵，具有如下标准形式：
[0036]本实施方式的具体步骤为：
[0037] 一、图1中在船载雷达设备天线三轴中心捷联安装星敏感器SSI，确认天线开孔窗 口使星敏感器成像无遮挡，恒星通过天线上窗口成像在星敏感器(XD靶面上。定义0 b-XbYbZb 为惯导甲板坐标系，是船载测量设备坐标基准。坐标原点〇b位于惯导三轴中心，Xb轴沿艏艉 线指向船艏，Yb轴垂直甲板向上，Zb轴与Xb轴、Yb轴成右手定则，指向右舷；
[0038] 二、船进坞坐墩时，船载标校经炜仪标定零位差和照准差，所述星敏感器SS1分别 标定主点、焦距以及光学畸变参数;船载雷达标定轴系误差，主要包括:大盘不水平度、方位 俯仰不正交误差、光机轴偏差、光电轴偏差、重力下垂误差等：
[0039] A、经炜仪标定：出厂前通过在检测架上固定0.2〃平行光管点目标，反复打正倒镜 的方法，读出编码器值，计算标校经炜仪的零位差、照准差;外场时，通过拍方位标，反复打 正倒镜的方法，重新计算标校经炜仪的零位差、照准差。
[0040] B、星敏感器的标定包括主点、焦距及光学畸变参数的标定。出厂前将星敏感器安 装在经炜仪四通平台上，对准平行光管，采集图像并提取目标点位置，通过反复打正倒镜方 法，测定主点(Χο，Υο);转动经炜仪平台，使目标在整个视场内等间隔移动，提取多组目标位 置及编码器值，通过计算最小均方差来迭代出焦距值fo;主点、焦距标定后，再转动经炜仪 平台，使目标在视场内等间隔移动，通过将视场分成若干个区域，用二次拟合畸变的方法， 来分别计算各个区域的拟合系数，从而实现对各个区域目标点位置的精确校正，形如(x，y) =1'[^]，式中（1， 7)为由编码器反推的目标位置真值，（11^)为目标实际提取的位置，丁 [·]为二次拟合函数。
[0041 ]光学畸变标定过程具体如下：
[0042] 标定完主点(Xo，Yo)、焦距fo后，假定经炜仪编码器方位角、俯仰角(AuEO为有效真 值，根据下式反推出各位置处目标点真实脱靶量（A Xl，△ yi):
[0043] Δ xi = tan(Ao_Ai)*(fo*cos(Ei)-Δ y*sinEi) (1)
[0044] Δ yi= (-f〇*sin(Ei)*cos(A〇-Ai)+fo*cos(Ei)*tanEo)/
[0045] (2)
[0046] (sin(Ei)*tan Eo+cos(A〇-Ai)*cos Ei)
[0047] 式中，(Ao，Eo)为目标成像在主点处时的编码器值。得到目标点的真值(Xl，yi):
[0048] Xi = X〇+ Δ xi (3)
[0049] yi = Y〇+ Δ yi (4)
[0050] 建立目标点真值与畸变图像相应像元坐标间对应关系，分了更好地校正畸变，采 用将图像分区的方法，每个分区拟合出各自区域的二次函数系数(1α，1? 2，1?，1?4，1?5，1?)，