专利名称：一种星敏感器动态性能测试方法
技术领域：
本发明涉及一种星敏感器动态性能测试方法。
背景技术：
星敏感器是一种高精度的姿态敏感测量仪器，它通过探测天球上不同位置的恒星来确定载体平台姿态，提供载体平台相对于惯性坐标系的三轴姿态。星敏感器主要由光学系统、图像传感器电路和控制与数据处理电路构成。其中图像传感器部分包括CCD (或APS)像平面组件、驱动电路、时序信号发生器和视频信号处理器；控制和数据处理电路包括数字信号处理器(星像存储器、星像地址发生器、程序存储器、星表存储器、CPU)与接口电路等硬件和连通性分析、细分算法、星图识别、姿态角计算及坐标转换等软件。在星敏感器投入使用前，必须进行一系列的地面功能测试，用以检验其各部分功能的有效性和可靠性。通常的地面功能测试方法主要有两种:一种是在实验室内对星敏感器算法和电性能测试，这种方法测试主要是采用星空模拟软件从星表中搜索出视场内所有恒星，并通过相应的方法计算这些恒星在像平面内的理想星像坐标，通过通信接口，把计算的理想坐标发送星敏感器，星敏感器接收到理想星像坐标后进行处理。该测试系统由星图模拟计算机、数据处理计算机、星敏感器及通讯线缆组成，如
图1所示。为了尽量保持星敏感器原有的电路及接口设计，选用星敏感器自带的RS232 (或RS422)测试接口作为通讯接口。空模拟软件对卫星(或其他飞行器)运动的轨道参数和姿态进行仿真，计算安装在载体平台上的星敏感器的姿态，并模拟生成在此姿态情况下的星敏感器所拍摄的星像。星图模拟计算机通过RS232接口将星像传给星敏感器(如图1)。星敏感器接收到数据后、星图识别和姿态计算，并将计算结果传给数据处理计算机，根据传送的识别结果和姿态信息对星敏感器的工作状态进行分析，以验证星敏感器工作的有效性和可靠性。为了进一步验证星敏感器算法的鲁棒性，实验过程中，把所有理想恒星星像坐标增加A p ( A p G [-0.2,0.2])个像兀的误差。但是该方法只能考核星敏感器的电气接口、电路功能以及算法功能，由于星空模拟软件给星敏感器直接输出了星像坐标，因此即不能考核光学系统，也不能测试性敏感器的极性`。另一种方法是使用光学手段获取星图进行测试星敏感器，即地面观星或向光学系统投影星图的试验方法，光学手段获取星图进行测试星敏感器系统主要包括:暗室，光学隔振平台，星图模拟的计算机和显示器，光学准直透镜，星敏感器光学系统和电子系统，星敏感器和主控计算机的数据传输设备，主控计算机和星图模拟计算机的通讯设备。首先由星图生成计算机来产生模拟星图，通过平面显示器实现星点显示。显示的每个星点所发出的光通过准直透镜后转换成平行光，模拟真实天空中的导航星。模拟的星光通过星敏感器镜头后在星敏感器的感光器件上成像，星图识别计算机用来显示识别结果和姿态信息，并与模拟星图产生计算机进行通讯，以保证信号的同步。该方法具有以下特点:利用计算机控制显示器显示星图，可以进行全天空的星图模拟；根据显示器像素的特性，可以通过改变显示器像素的颜色来模拟星空中星的颜色，通过改变像素亮度可以模拟不同的星等；可以根据航天，器的飞行运行动力学，进行动态星图获取模拟；可以模拟在一定精度上的传感器、执行器，以及在一定的空间环境(例如空间辐射)等条件下的星图模拟。在实验室的条件下，直接利用星敏感器去拍摄显示器星图会使所成的像很虚，甚至根本不能成像。在实验室这种有限距离的情况下来模拟无限远的距离成像必须在显示器和星敏感器之间安装一个适当的准直透镜，同时还要保证星敏感器光学中心、显示器显示中心以及准直透镜中心三者共轴，且使显示器位于准直透镜的焦面上，在系统的设计和选择中要尽量满足显示器的视场角与星敏感器的视场角一致。而且模拟星图显示的原因，不能很准确地模拟恒星的实际位置，也不能模拟恒星的光谱，因此该方法只能测试星敏感器的基本功能，不能考核星敏感器的精度，也很难考核星敏感器的极性。所以采用以上方法只能测试星敏感器的部分功能，都具有很大的局限性。因此，如何在地面更有效地模拟载体平台的运动，从而进一步测试星敏感器的性能是星敏感器研制过程中的一项关键技术。当前采用电星模拟器来测试星敏感器时只能考核星敏感器的电气接口、电路功能以及算法功能，由于星空模拟软件给星敏感器直接输出了星像坐标，因此即不能考核光学系统，也不能测试星敏感器的极性。采用光学手段来测试星敏感器还要保证星敏感器光学中心、显示器显示中心以及准直透镜中心三者共轴，且使显示器位于准直透镜的焦面上，在系统的设计和选择中要尽量满足显示器的视场角与星敏感器的视场角一致。而且模拟星图显示的原因，不能很准确地模拟恒星的实际位置，也不能模拟恒星的光谱，因此该方法只能测试星敏感器的基本功能，不能考核星敏感器的精度，也很难考核星敏感器的极性。当前外场测试星敏感器的方法是:把星敏感器放置到地面，Z轴指向正北，Y轴垂直朝天顶，把星敏感器的姿态从地心惯性坐标系转换到WGS84坐标系后，星敏感器在WGS84坐标系下的滚动角就是当地的经度，输出的偏航角就是当地的纬度，而星敏感器测试点的当地经度和纬度可以通过GPS测得，而且不随时间的变化，因此，可以把星敏感器在WGS84坐标系下的滚动角与当地的经度进行比较，星敏感器在WGS84坐标系下的偏航角与当地的纬度进行比较。该方法完全能测试星敏感器的光学系统、电子学系统以及星敏感器算法等功能，还可以测试星敏感器的极性和星敏感器的静态精度。但是安装星敏感器的飞行器本体的旋转、移动、抖动等运动，由于这些运动造成星敏感器的动态性能达到3 (° )/s左右，甚至达10(° )/s,因此在星敏感器是使 用在这些高动态载体平台之前需要在这些动态模拟平台上测试，从而检测星敏感器的动态性能指标。然而怎么测试星敏感器的动态性能指标作为星敏感器的关键技术之一，随着星敏感器的应用越来越广泛，这些测试方法和测试手段越来越受重视，也是星敏感器研制过程中急需解决的关键技术。
发明内容
基于以上不足之处，本发明的目的在于公开一种星敏感器动态性能测试方法，该方法能够能测试星敏感器三轴欧拉角的静态精度，还可以测试星敏感器的动态精度。本发明所采用的技术如下:一种星敏感器动态性能测试方法，包括三轴转台和测试计算机，测试计算机实时接收星敏感器输出姿态四元数，定义星敏感器像空间坐标系为:原点0位于星敏感器传感器CXD摄像头中心，面对星敏感器镜头，X轴为平行于CXD摄像头平面向右，Y轴为平行于CXD摄像头平面向上，Z轴为垂直CXD摄像头面朝外，星敏感器绕X轴旋转的姿态角称为偏航角，绕Y轴旋转的姿态角称为俯仰角，绕Z轴旋转的姿态角称为滚动角。星敏感器中装载地心惯性坐标系即J2000.0坐标系，J2000.0坐标系:坐标原点在地球质心，参考平面是J2000.0平赤道面，Z轴向北指向平赤道面北极，X轴指向J2000.0平春分点，Y轴与X和Z轴组成直角右手系；按如下步骤测试；(I)、把星敏感器安装到三轴转台上，使星敏感器的三轴与三轴转台的三轴平行；(2)、调整三轴转台的三轴，使三轴转台的X轴、Z轴分别指向J2000.0平春分点和平赤道面北极；(3)、如果测试星敏感器的静态精度，跳转到第4步；如果测试星敏感器的动态精度，直接跳转到第11步；(4)、设置三轴转台的X轴和Y轴与地球保持相对静止；(5)、设置三轴转台的Z轴以
权利要求
1.一种星敏感器动态性能测试方法，包括三轴转台和测试计算机，测试计算机实时接收星敏感器输出姿态四元数，其特征在于:定义星敏感器像空间坐标系为:原点O位于星敏感器传感器CCD摄像头中心，面对星敏感器镜头，X轴为平行于CCD摄像头平面向右，Y轴为平行于CXD摄像头平面向上，Z轴为垂直CXD摄像头面朝外，星敏感器绕X轴旋转的姿态角称为偏航角，绕Y轴旋转的姿态角称为俯仰角，绕Z轴旋转的姿态角称为滚动角； 星敏感器中装载地心惯性坐标系即J2000.0坐标系,J2000.0坐标系:坐标原点在地球质心，参考平面是J2000.0平赤道面，Z轴向北指向平赤道面北极，X轴指向J2000.0平春分点，Y轴与X和Z轴组成直角右手系； 按如下步骤测试: (1)、把星敏感器安装到三轴转台上，使星敏感器的三轴与三轴转台的三轴平行； (2)、调整三轴转台的三轴，使三轴转台的X轴、Z轴分别指向J2000.0平春分点和平赤道面北极； (3)、如果测试星敏感器的静态精度，跳转到第4步；如果测试星敏感器的动态精度，直接跳转到第11步； (4)、设置三轴转台的X轴和Y轴与地球保持相对静止； (5)、设置三轴转台的Z轴以
全文摘要
本发明涉及一种星敏感器动态性能测试方法，把星敏感器放置到三轴转台上，星敏感器的三轴与三轴转台的三轴平行，调整三轴转台，使三轴转台的X轴、Z轴分别指向J2000.0平春分点和平赤道面北极，测试星敏感器的静态精度时，Z轴以的角速度转动，X轴和Y轴保持相对静止，测试星敏感器的动态精度时，转台三轴分别以用户设置的角速度进行转动，长时间运行后，采用方法分别统计这两组数据，因此该方法不但能测试星敏感器的静态精度和动态精度，还可以测试星敏感器的极性，本发明减少了星敏感器测试设备，降低了星敏感器测试成本。
文档编号G01C25/00GK103245364SQ20131019198
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月14日 优先权日2013年5月14日
发明者王常虹, 李葆华 申请人:哈尔滨工业大学