一种高精度星敏感器外场精度测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度星敏感器外场精度测试方法，本发明利用岁差修正公式、地球自转模型、大气修正模型、功率谱密度公式，实现了星敏感器星图姿态的准确计算、姿态的短周期误差项的频域剥离，实现了星敏感器姿态测量误差的快速、有效分析评价，该方法不占用硬件资源，软件实现，无需地面干预；本发明结合星敏感器的姿态识别原理，通过采用数据平滑的方法，计算出了各帧星图时刻的姿态真值，为后续姿态测量误差的分析奠定了基础；本发明采用时域与频域分析相结合的方法，通过功率谱密度分析，将短周期误差项分解成空域低频误差、高频误差、时域误差，为进一步评价星敏感器精度指标提供了合理的数据支撑，有助于改善星敏感器指标性能。
【专利说明】一种高精度星敏感器外场精度测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高精度星敏感器外场精度测试方法，尤其涉及一种基于地球自转 模型与功率谱分析的高精度星敏感器外场精度测试方法，属于测试【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 星敏感器是卫星重要的定姿设备，星敏感器的精度指标反映产品性能的一项重要 指标，其精度验证是产品研制过程中的一个重要环节。按照ESA标准，星敏感器的误差根据 误差变化周期的不同可划分为三项：长期误差、低频误差和高频误差。
[0003] 目前星敏感器地面精度测试包括室内测试和外场测试两种方法，其中外场测试是 星敏感器精度的最"真实"测试方法，外场测试有两种测试方式：自测法和外测法。外测法 是将产品的姿态数据与严格同步的高精度天文望远镜观测结果进行比对，得出测量结果， 其对测试设备的精度要求很高，测试结果的真实性主要与测试设备相关。自测法是利用精 确的地球自转模型，将与地球固连的产品姿态数据推算至历元时刻，得到历元时刻的精确 姿态，以此姿态作为起始，利用地球自转数据，计算各个观测时刻的测量真值，测量值与真 值之差即为产品的测量误差。自测法可获得除常偏之外的所有姿态测量误差项，是目前外 场精度测试最常用的测试方法，其测试结果的真实性主要与地球自转模型的精度相关。由 于常值偏差是星敏感器长期在轨运行由其内部变形和安装位置改变等因素引起的误差，地 面无法对其进行测试。但目前无论是用自测法还是外测法都只能得到星敏感器除常偏以外 的所有姿态测量误差，即低频误差与高频误差项的和，无法将总误差分离获得星敏感器的 低频误差和高频误差的实测值。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度星敏感器外场 精度测试方法，该方法可获得精确的地球自转模型，得到真实的星敏感器误差，同时可对星 敏感器误差进行分离，获得低频误差和高频误差项，有助于进一步改善星敏感器的精度指 标。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种高精度星敏感器外场精度测试方法，步骤如下：
[0006] (1)星敏感器通过观测星空对恒星进行匹配识别，得到卫星需要的姿态四元数和 星图样本；
[0007] (2)将天文学中的J2000地心惯性系转换到观测初始时刻的地心惯性系，实现对 J2000地心惯性系的岁差补偿，将J2000地心惯性系的岁差修正至观测初始时刻对应的地 心惯性系；
[0008] (3)利用地球自转角速度值ω，第一帧星图对应时刻的地心惯性系按照曝光时间 间隔序列Δ凡分别绕Ζ轴旋转，得到后续各帧星图对应时刻的虚拟地心惯性系，第一帧星 图对应时刻的地心惯性系为经过步骤（2)修正后的观测初始时刻对应的地心惯性系；
[0009] (4)利用地球自转模型将各帧星图中的导航星矢量坐标转换为各个虚拟地心惯性 系下的矢量坐标；
[0010] (5)对经过步骤（4)处理的各帧星图导航星矢量坐标进行大气折射修正，建立各 帧星图导航星矢量矩阵；
[0011] (6)对各帧星图恒星观测矢量阵以及经过步骤（5)建立的各帧星图导航星矢量矩 阵，利用QUEST算法求解出第一帧星图的姿态真值；
[0012] (7)根据步骤（6)得到的第一帧星图的姿态真值和地球自转模型，按照坐标系旋 转关系，递推出后续各帧星图的姿态真值；
[0013] (8)计算各帧星图姿态真值对应的坐标轴和姿态实测值对应的坐标轴之间的夹角 误差，利用"画圆法"计算出短周期项误差；
[0014] (9)计算短周期项误差的功率谱密度分布，按照功率谱密度分布将短周期项误差 划分为低频误差、高频误差以及时域误差，进而对低频误差、高频误差以及时域误差的功率 谱进行分段傅里叶逆变换；
[0015] (10)对低频误差、高频误差以及时域误差对应不同频率带的误差样本进行误差分 析，分别计算出低频误差、高频误差以及时域误差的数值；
[0016] (11)完成测试。
[0017] 所述步骤（1)的实现过程为：将星敏感器放置于三轴转台上，将星敏感器光轴指 向天顶，采集得到星敏感器输出的姿态四元数Q及观测星点信息集形成的星图样本；
[0018] 姿态四元数是表征星敏测量坐标系在惯性坐标系下的姿态信息（Q = [Q0，Q1，Q2，Q3]);
[0019] 天顶为观测点和地心的连线与天球的交点；
[0020] 观测星点信息包含对应星图的曝光时刻（Ti)、星点的行列坐标（Ui, Vi)和星点能 量（Ei)。
[0021] 所述步骤（2)中进行岁差补偿的方法为：
[0022] ξ = 2306. 2181 X t+0. 30188 X t2+0. 017998 X t3
[0023] Z = 2306. 2181 X t+1. 09468 X t2+0. 018203 X t3
[0024] Θ = 2004. 3109 X t-0. 42665 X t2+0. 041833 X t3
[0025] t为根据儒略日计算的儒略世纪数；儒略日是指以公元前4713年1月1日格林尼 治平时12时为起点，以日为单位计量的日期；儒略世纪数以100年为单位进行计量；
[0026] 三个姿态欧拉角（ξ、Z、Θ )分别表征J2000地心惯性系需要转动的偏航角、俯仰 角、滚转角。
[0027] 所述步骤（3)得到后续各帧星图对应时刻的虚拟地心惯性系的方法为：记第一帧 星图时刻对应的地心惯性系为〇 xyz，各帧星图相对于第一帧星图时刻的时间间隔为Λ 1\，地 球自转角速度为ω，将地心惯性系〇xyz绕坐标系Z轴旋转ω X Λ Ti角度后得到的坐标系序 列定义为〇Χ?Λ 〇xyzi即为各帧星图对应的虚拟地心惯性系。
[0028] 所述步骤（4)的实现方法为：设0xyz坐标系下的各帧星图中的导航星矢量坐标为 Vi,则各巾贞星图的导航星矢量坐标在对应ο^1坐标系下的矢量坐标为：
[0029] (Vr)T = MV/
[0030]
【权利要求】
1. 一种高精度星敏感器外场精度测试方法，其特征在于步骤如下： (1) 星敏感器通过观测星空对恒星进行匹配识别，得到卫星需要的姿态四元数和星图 样本； (2) 将天文学中的J2000地心惯性系转换到观测初始时刻的地心惯性系，实现对J2000 地心惯性系的岁差补偿，将J2000地心惯性系的岁差修正至观测初始时刻对应的地心惯性 系； (3) 利用地球自转角速度值《，第一帧星图对应时刻的地心惯性系按照曝光时间间隔 序列A Ti分别绕Z轴旋转，得到后续各帧星图对应时刻的虚拟地心惯性系，第一帧星图对 应时刻的地心惯性系为经过步骤（2)修正后的观测初始时刻对应的地心惯性系； (4) 利用地球自转模型将各帧星图中的导航星矢量坐标转换为各个虚拟地心惯性系下 的矢量坐标； (5) 对经过步骤（4)处理的各帧星图导航星矢量坐标进行大气折射修正，建立各帧星 图导航星矢量矩阵； (6) 对各帧星图恒星观测矢量阵以及经过步骤（5)建立的各帧星图导航星矢量矩阵， 利用QUEST算法求解出第一帧星图的姿态真值； (7) 根据步骤（6)得到的第一帧星图的姿态真值和地球自转模型，按照坐标系旋转关 系，递推出后续各帧星图的姿态真值； (8) 计算各帧星图姿态真值对应的坐标轴和姿态实测值对应的坐标轴之间的夹角误 差，利用"画圆法"计算出短周期项误差； (9) 计算短周期项误差的功率谱密度分布，按照功率谱密度分布将短周期项误差划分 为低频误差、高频误差以及时域误差，进而对低频误差、高频误差以及时域误差的功率谱进 行分段傅里叶逆变换； (10) 对低频误差、高频误差以及时域误差对应不同频率带的误差样本进行误差分析， 分别计算出低频误差、高频误差以及时域误差的数值； (11) 完成测试。
2. 根据权利要求1所述的一种高精度星敏感器外场精度测试方法，其特征在于：所述 步骤（1)的实现过程为：将星敏感器放置于三轴转台上，将星敏感器光轴指向天顶，采集得 到星敏感器输出的姿态四元数Q及观测星点信息集形成的星图样本； 姿态四元数是表征星敏测量坐标系在惯性坐标系下的姿态信息（Q = [Q0，Q1，Q2，Q3]); 天顶为观测点和地心的连线与天球的交点； 观测星点信息包含对应星图的曝光时刻（Ti)、星点的行列坐标（Ui，Vi)和星点能量 (Ei)。
3. 根据权利要求1所述的一种高精度星敏感器外场精度测试方法，其特征在于：所述 步骤（2)中进行岁差补偿的方法为： I = 2306. 2181 X t+0. 30188 X t2+0. 017998 X t3 Z = 2306. 2181 X t+1. 09468 X t2+0. 018203 X t3 0 = 2004. 3109 X t-0. 42665 X t2+0. 041833 X t3 t为根据儒略日计算的儒略世纪数；儒略日是指以公元前4713年1月1日格林尼治平 时12时为起点，以日为单位计量的日期；儒略世纪数以100年为单位进行计量； 三个姿态欧拉角a、z、0 )分别表征J2000地心惯性系需要转动的偏航角、俯仰角、 滚转角。
4. 根据权利要求1所述的一种高精度星敏感器外场精度测试方法，其特征在于：所述 步骤（3)得到后续各帧星图对应时刻的虚拟地心惯性系的方法为：记第一帧星图时刻对应 的地心惯性系为Oxyz，各巾贞星图相对于第一巾贞星图时刻的时间间隔为A Ti，地球自转角速度 为《，将地心惯性系Oxyz绕坐标系Z轴旋转《 X ATi角度后得到的坐标系序列定义为Oxyzi， 〇xyzi即为各帧星图对应的虚拟地心惯性系。
5. 根据权利要求4所述的一种高精度星敏感器外场精度测试方法，其特征在于：所述 步骤（4)的实现方法为：设Oxyz坐标系下的各帧星图中的导航星矢量坐标为\，则各帧星图 的导航星矢量坐标在对应O^1坐标系下的矢量坐标为： (Vi,)T = MV/
其中M为地球自转模型7
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6. 根据权利要求5所述的一种高精度星敏感器外场精度测试方法，其特征在于：所述 步骤（5)进行大气折射修正的方法为： 设观测站的大气压强为P，大气折射率为e，摄氏温度为Tc，导航恒星赤纬为0，真天 顶距为z，视角为pa，大气折射修正系数为K，则导航星赤经的大气折射修正量为A ra，导航 星赤纬的大气折射修正量为△ dec为：
A ra = Ktan {z) sec ( ^ J sin (paj A dec = -Ktan (z) cos (pa) 〇
7. 根据权利要求5所述的一种高精度星敏感器外场精度测试方法，其特征在于：所述 步骤（6)、（7)中各帧姿态真值的计算方法为： 设定各帧星图的姿态真值为化，各帧的导航星观测矢量阵为I，则首帧星图姿态真值 心计算公式如下：
通过QUEST算法计算出A。； 通过A = 计算出后续各帧星图的姿态真值。
8. 根据权利要求1所述的一种高精度星敏感器外场精度测试方法，其特征在于：所述 步骤⑶中"画圆法"的实现方法为： (a) 对于夹角误差样本，以"0"为圆半径起始值，圆半径逐渐扩大； (b) 统计误差小于圆半径的子样本在总样本中所占比例； (c) 当比例达到99. 7%时，此时圆半径即为短周期项误差3〇。
9. 根据权利要求1所述的一种高精度星敏感器外场精度测试方法，其特征在于：所述 步骤（9)中按照功率谱密度分布将短周期项误差划分为低频误差、高频误差以及时域误 差的方法为：设星敏感器数据更新率为8HZ，参考地球自转模型及星敏感器成像芯片的特 性，则耐奎斯特采样频率为4HZ，低频误差的频率范围为0-0. 02HZ，高频误差的频率范围为 0? 02-0. 2HZ，时域误差的频率范围为0? 2-4Hz。
【文档编号】G01C21/02GK104280049SQ201410557274
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】李玉明, 程会艳, 郑然 , 武延鹏, 鹿瑞, 周建涛, 李晓, 孙大开 申请人:北京控制工程研究所