一种测量星敏感器测量坐标系与棱镜坐标系关系的方法与流程

本发明属于光机电一体化技术领域，具体涉及一种测量星敏感器测量坐标系与棱镜坐标系关系的方法。

背景技术：

在星敏感器的使用过程中，因为其棱镜坐标系与棱镜坐标系偏差关系的不明确导致了相对于航天器三轴姿态的测量精度偏差，需要通过在轨重新标定修正才能消除偏差，引发了在轨数据偏差大、在轨修正复杂等一系列问题。使得用户使用产品过程中，不易确认误差源是来源于星敏感器本身的误差，还是装星带来的误差。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种测量星敏感器测量坐标系与其棱镜坐标系关系的方法，能够精确测量星敏感器测量坐标系与其棱镜坐标系的关系，克服因棱镜坐标系与其棱镜坐标系偏差关系不明确带来的相对于航天器三轴姿态的测量精度偏差，能使得星敏感器直接安装即可进行高精度测量。

本发明的技术方案是：一种测量星敏感器测量坐标系与棱镜坐标系关系的方法，涉及的设备包括光星模拟器、三轴转台、经纬仪；其中星敏感器测量坐标系与棱镜坐标系三轴指向同向；步骤如下：

1)模拟星敏感器装星方式，将星敏感器安装到三轴转台上，使转台安装面与光星模拟器光轴垂直；

2)使用光星模拟器模拟星点光线矢量照射星敏感器，调整三轴转台，使得光星模拟器光线矢量扫过星敏感器整个视场，找到星敏感器的测量坐标系的坐标原点以及测量坐标系的X轴和Y轴；

3)使用一台经纬仪测量得到星敏感器的棱镜坐标系Z轴相对于测量坐标系Z轴的偏差；

4)同时使用两台经纬仪测量得到星敏感器的棱镜坐标系X轴相对于测量坐标系X轴的偏差，以及星敏感器的棱镜坐标系Y轴相对于测量坐标系Y轴的偏差，从而完成星敏感器测量坐标系与棱镜坐标系关系之间关系的测量。

所述的步骤3)具体包含以下步骤：

3.1)使光星模拟器光轴与星敏感器的测量坐标系的Z轴同向，在找到星敏感器的测量坐标系X轴的基础上，将经纬仪的自准直光线打到星敏感器的棱镜上，使得经纬仪的测量十字叉丝与棱镜的X轴、Z轴正交；

3.2)调整三轴转台，使得星敏感器输出星点矢量在测量坐标系上的光斑灰度质心坐标成一水平直线；

3.3)再次使经纬仪的测量十字叉丝打到星敏感器的棱镜上，读出测量偏差数据，即星敏感器棱镜坐标系Z棱镜相对于星敏感器测量坐标系Z探测器的偏差。

所述的步骤4)具体包含以下步骤：

4.1)布置经纬仪，使经纬仪A的自准直光线与星敏感器上的探测器滤光片垂直，使经纬仪B的自准直光线能够打到星敏感器的棱镜上；

4.2)通过经纬仪A和经纬仪B测量得到偏差数据。

所述的步骤4.2)中测量得到偏差数据的具体过程为：将经纬仪A和经纬仪B进行对瞄，以经纬仪A的度数为基准，设置经纬仪B的度数，再通过经纬仪B读出测量偏差数据，即星敏感器棱镜坐标系X棱镜相对于星敏感器测量坐标系X探测器的偏差，以及星敏感器棱镜坐标系Y棱镜相对于星敏感器测量坐标系Y探测器的偏差。

所述测量星敏感器棱镜坐标系X棱镜相对于星敏感器测量坐标系X探测器的偏差的过程具体包含以下步骤：

4.2.1.1)在找到星敏感器的测量坐标系X轴的基础上，将经纬仪A的测量十字叉丝与测量坐标系的X轴和Y轴正交；

4.2.1.2)将经纬仪A和经纬仪B对瞄，以经纬仪A的度数为基准，将经纬仪B的度数设置为经纬仪A的度数；

4.2.1.3)使经纬仪B的测量十字叉丝打到星敏感器的棱镜上，读出测量偏差数据，即星敏感器棱镜坐标系X棱镜相对于星敏感器测量坐标系X探测器的偏差。

所述测量星敏感器棱镜坐标系Y棱镜相对于星敏感器测量坐标系Y探测器的偏差的过程具体包含以下步骤：

4.2.2.1)在找到星敏感器的测量坐标系Y轴的基础上，将经纬仪A的测量十字叉丝与测量坐标系的X轴和Y轴正交；

4.2.2.2)将经纬仪A和经纬仪B对瞄，以经纬仪A的度数为基准，将经纬仪B的度数设置为经纬仪A的度数；

4.2.2.3)使经纬仪B的测量十字叉丝打到星敏感器的棱镜上，读出测量偏差数据，即星敏感器棱镜坐标系Y棱镜相对于星敏感器测量坐标系Y探测器的偏差。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明通过光线测量的方式，将探测器滤光片的测量坐标系与棱镜坐标系关联起来，在地面完成坐标系关系测量，测量出来坐标系间的偏差可以直接提供整星装星使用，并提供给姿轨控系统直接进行在轨测量坐标系修正，可靠性高、可信度高、可实施性高。

附图说明

图1是本发明测量对象星敏感器示意图；

图2是本发明测量Z_探测器Z_棱镜关系示意图；

图3是本发明测量对象星敏感器成像示意图；

图4是本发明测量X_探测器X_棱镜关系示意图；

图5是本发明测量Y_探测器Y_棱镜关系示意图；

图6是星敏感器的棱镜坐标系与测量坐标系的关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明测试对象示意图，星敏感器包括：棱镜、探测器及壳体。O_探测器为测量坐标系的原点，X_探测器为测量坐标系的X轴，Y_探测器为测量坐标系的Y轴，Z_探测器为测量坐标系的Z轴，O_棱镜为棱镜坐标系的原点，X_棱镜为棱镜坐标系的X轴，Y_棱镜为棱镜坐标系的Y轴，Z_棱镜为棱镜坐标系的Z轴，测量坐标系和棱镜坐标系的3轴指向均一致，Z_探测器为星敏感器的探测器光轴，星敏感器的测量坐标系和棱镜坐标系均满足右手法则。星敏感器安装于航天器或转台的面为平行于X_探测器O_探测器Y_探测器面的底面。如图2所示，测试时将星敏感器安装在高精度三轴转台的转台安装面上，具体步骤如下所示：

步骤一、安装星敏感器使得转台安装面与光星模拟器光轴垂直。调整经纬仪A，使得经纬仪测量十字叉丝两轴方向与棱镜两轴方向正交。

步骤二、在光星模拟器的照射下，星敏感器输出光斑灰度质心坐标。通过调整转台滚动轴，转动转台偏航方向(转台外框)，调整转台滚动轴，使得星敏感器输出坐标成一水平线，坐标跳动范围在0.1个像素内为止。如图3所示，星敏感器测量精度较高，0.1个像素表征了约0.00125度的偏差，此偏差已满足使用要求，在误差可接受范围内。

步骤三、再次使用经纬仪测量十字叉丝打到星敏感器棱镜上，读出数据，即星敏感器棱镜坐标系Z_棱镜相对于星敏感器测量坐标系Z_探测器的偏差；具体为：

3.1)使光星模拟器光轴与星敏感器的测量坐标系的Z轴同向，在找到星敏感器的测量坐标系X轴的基础上，将经纬仪的自准直光线打到星敏感器的棱镜上，使得经纬仪的测量十字叉丝与棱镜的X轴、Z轴正交；

3.2)调整高精度三轴转台，使得星敏感器输出星点矢量在测量坐标系上的光斑灰度质心坐标成一水平直线；

3.3)再次使经纬仪的测量十字叉丝打到星敏感器的棱镜上，读出测量偏差数据，即星敏感器棱镜坐标系Z棱镜相对于星敏感器测量坐标系Z探测器的偏差。

步骤四、如图4所示，在找到星敏感器X_探测器轴的基础上，即星敏感器输出Y坐标成一水平线。沿转台偏航方向转动转台90度，使用两台经纬仪进行测试。首先将经纬仪A调整与星敏感器滤光片两轴(X、Y轴)正交。调整经纬仪B，使得其测量十字叉丝打到星敏感器棱镜上。第二，将经纬仪A、经纬仪B进行对瞄，使得两个经纬仪测量十字叉丝分别在被对瞄经纬仪目镜上完全重合。以经纬仪A的度数为基准，设置经纬仪B的值。最后，将经纬仪二旋转至初始位置，此时经纬仪B的十字叉丝将会再次打到星敏感器棱镜上，读出经纬仪B的测量数据，此数据即为星敏感器棱镜坐标系X_棱镜相对于星敏感器测量坐标系X_探测器的偏差。

步骤五、如图5所示，在找到星敏感器Y_探测器轴的基础上，即星敏感器输出X坐标成一水平线。沿转台偏航方向转动转台90度，同样使用两台经纬仪进行测试。首先将经纬仪A调整与星敏感器滤光片两轴(X、Y轴)正交。调整经纬仪B，使得其测量十字叉丝打到星敏感器棱镜上。第二，将经纬仪A、经纬仪B进行对瞄，使得两个经纬仪测量十字叉丝分别在被对瞄经纬仪目镜上完全重合。以经纬仪A的度数为基准，设置经纬仪B的值。最后，将经纬仪二旋转至初始位置，此时经纬仪B的十字叉丝将会再次打到星敏感器棱镜上，读出经纬仪B的测量数据，此数据即为星敏感器棱镜坐标系Y_棱镜相对于星敏感器测量坐标系Y_探测器的偏差。

以下是星敏感器测试实例：

1、测试星敏感器棱镜相对于星敏感器探测器的Z向转动偏差情况：

1)将星敏感器Y轴朝下，经纬仪正对星敏感器+X方向，星敏感器摆放坐标系方向与光星模拟器如图2所示：

2)将经纬仪对准星敏感器棱镜，再将星敏感器绕Y轴旋转180度，使光星模拟器光线在探测器表面形成Y坐标相等的直线，这样就保证探测器的X轴与经纬仪找平，此时再用经纬仪向棱镜打光，测得星敏感器棱镜相对于星敏感器探测器绕Z轴顺时针转动了4角分33角秒。即ψ＝-4'33″。

2、测试棱镜相对于探测器的X向转动偏差情况(用两台经纬仪测)：

1)两台经纬仪呈90°夹角放置如图4所示；

2)将经纬仪A对探测器玻璃盖片，然后将经纬仪A与经纬仪B仪互瞄对准，将经纬仪B对棱镜打光，测得星敏感器棱镜相对于探测器绕X轴逆时针旋转了10角秒。即

3、测试棱镜相对于探测器的Y向转动偏差情况(用两台经纬仪测)：

1)将星敏感器沿Z向顺时针转动90°；

2)将经纬仪A对探测器玻璃盖片，然后将经纬仪A与经纬仪B互瞄对准，再将第二台经纬仪对棱镜打光，测得棱镜相对于探测器绕Y轴顺时针旋转了27角秒。即θ＝-27″测试结果，定义棱镜坐标系为X_棱镜Y_棱镜Z_棱镜，可知棱镜坐标系与探测器坐标系的关系如图6所示：

其中X′Y′Z′为第一次旋转后的坐标指向；

其中X″Y″Z″为第二次旋转后的坐标指向。

则由星敏感器探测器坐标系转至星敏感器棱镜的转换矩阵为：

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。