一种基于星图数据的星敏感器在轨精度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于星敏感器自身星图数据的星敏感器在轨指向精度等关键性 能的测量方法，属于航天器在轨测量领域。
【背景技术】
[0002] 目前普遍认为星敏感器是可提供最高精度的航天器绝对姿态测量器件。它的工作 原理是以空间中的恒星作为参照物，通过星敏感器的探测单元对空间恒星目标进行成像， 对捕获的星图进行质心提取、星图识别、星跟踪、姿态计算等一系列处理，获得星敏感器瞬 时视轴指向信息，再经过相应的坐标变换，最后输出航天器本体坐标系的方位信息。
[0003] 星敏感器因其特殊应用环境、基准等不同于地面实验条件，需要开展基于在轨试 验数据的性能比较与考核评价，因星敏感器在轨精度测量受到星点位置提取误差、主点位 置误差、焦距偏差、恒星的方向矢量误差和姿态解算算法误差等多种因素影响，从而对测量 工作提出了新问题、新要求。由于星敏感器的精度较高，对导航星的位置信息等要求也比较 高，在轨验证一般也只是验证星敏感器的一些空间适应性，对星敏感器的在轨最关键技术 指标一精度的测量多是通过与航天器平台同类数据的比对间接获得，受限于时间对准和安 装矩阵误差带来的影响，测量精确性不够高。根据对现有专利成果的调研，尚未有对如何应 用星敏感器自身获取的星图提高星敏感器在轨精度测量准确性的研究。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：解决星敏感器指向精度等在轨关键性能精确测量难 题，有效提高了测量准确性，减少对平台数据的依赖和资源需求，属于航天器测量领域。
[0005] 本发明的技术解决方案是：应用星敏感器单帧星图数据实现星敏感器在轨精度的 测量，主要
【发明内容】
如下：
[0006] 步骤1:星图获取及提取
[0007] 根据卫星实时空间位置信息，推算得到准确的星图拍摄时间，然后根据星图拍摄 时间编制星敏感器在轨程控指令，在规定时间控制星敏感器的图像传感器获取位于导航星 表中的导航星星图信息，得到满足目标区域要求的星图数据；然后进行星点提取，为从星图 中区分背景像素、噪声像素和星点像素，识别出星点信息，首先，将当前像素灰度值与预设 的阈值进行比较，如大于阈值则标记为噪声标记或星点标记，如小于阈值则标记为背景标 记，然后根据相邻像素标记就可以识别该像素属于哪个星点，再对该星点对应的质心参数 组值进行累加，如果当前像素标记为背景标记或噪声标记，则不执行相应的识别和累加操 作，以此实现在去除噪声的同时提取星点质心，得到星点坐标，最后再结合星敏感器的固有 参数，得到星点在星敏感器坐标系统中的方向矢量
[0008] 步骤2:星图识别处理
[0009] 利用基于k矢量和导航星域相结合的4主星星图识别方法综合实现了全天自主模 式快速识别和跟踪模式下的主星星图识别能力，识别出当前在星敏感器坐标系统的方向矢 量^的星像点所对应导航星表中的导航星si，通过筛选导航星，进而获得在星敏感器坐标 系统中的方向矢量K的星点在天球坐标系中的方向矢量Vi;
[0010] 步骤3:基于单帧星图数据的星敏感器在轨精度计算方法
[0011] 在理想情况下Wl、星敏感器姿态矩阵A以及Vl满足如下关系为wAvi。利用 QUEST(四元数估计算法）及相关算法对星敏感器姿态矩阵A进行求解，通过求解使得星点 理论星点位置与实际测量误差最小化的目标函数J(Aq)，获得最优姿态矩阵Aq。
[0012] 再根据姿态矩阵A和\，反算出每颗导航星在图像传感器上理论星点位置。
[0013] 最后通过计算理论星点位置与实际测量的星点位置的误差，对所有识别出的星点 的实际测量星点位置与理论星点位置误差取平均值，并将误差平均值转换为等效的角度 值，等效的角度值即表示星敏感器的在轨指向精度。
[0014] 在步骤3后还增步骤4,对基于单帧星图数据的星敏感器在轨精度计算结果的一 致性验证，验证方法为：
[0015] (1)确定导航星在基准时刻T的J2000. 0直角坐标系下的方向矢量；在地面测试 阶段，将同样的星敏感器固定在地面，存储星图并使其滚转轴指向天顶。根据星敏感器获取 的导航星在J2000. 0坐标系下的赤经和赤炜以及相应的视运动参数确定基准时刻T导航星 的方向矢量；
[0016] (2)推算导航星在基准时刻T在消除岁差和章动影响的天球坐标系下的方向矢 量；根据星敏感器实际拍摄时刻（T+△ 和地球的岁差、章动及自转，获得精度测试转换矩 阵和将J2000. 0坐标转换为历元黄道坐标系的转换矩阵；再通过坐标转换获得基准时刻T下的消除章动影响的天球坐标系下的方向矢量；Atl为相对于基准时刻T的实际时间；
[0017] (3)获取导航星在实际拍摄时刻（T+Atl)地固坐标系下的方向矢量，基准时刻T 天球坐标系转到实际拍摄时刻（T+Ati)的地固坐标系的转换，是通过将天球坐标系绕天球 坐标系的Z轴以Ω= 7. 292115X10 5rad/s逆时针旋转获得；
[0018] (4)建立星敏感器的最优姿态矩阵，再应用QUEST方法使实际拍摄时刻（T+Atl) 星点理论星点位置与实际测量误差最小化的目标函数J(Aq (T+△ )达到最小值而得到星 敏感器的最优姿态矩阵；
[0019] (5)计算星敏感器三轴矢量及指向和滚转精度，最后根据星敏感器最优姿态矩阵 得到精度测试矩阵，再根据精度测试矩阵确定实际拍摄时刻的星敏感器三轴矢量，进而得 到指向精度和滚转精度。
[0020] 在步骤1前构建导航星表，导航星表包含导航星在导航星表中的编号和导航星在 惯性空间的方向矢量，根据直角坐标与球面坐标的关系，得到每颗恒星在天球直角坐标系 下的方向矢量，建立恒星方向矢量库；再根据星敏感器的探测能力和分辨精度从星库中选 出满足星敏感器成像条件的恒星组成导航星，构成导航星表，导航星表在地面一次性固化 在星敏感器的存储器中。
[0021] 所述步骤1中的卫星实时空间位置信息获得为：依托卫星数据处理与管理分系统 的分包预处理模块和工程值解码模块完成对卫星平台遥测信息的接收、处理，获得卫星轨 道瞬态信息，再结合轨道分析工具实现卫星轨道预测，确定卫星实时空间位置信息。
[0022]所述步骤1的推算得到准确的星图拍摄时间过程为：因星敏感器光轴指向与卫星 本体姿态相对关系已知，根据卫星本体实时空间位置信息即可知道星敏感器探测单元的实 时指向目标天区，通过选定星敏感器探测单元的成像目标天区即可反算出星敏感器的星图 拍摄时间。
[0023] 所述步骤2的利用基于k矢量和导航星域相结合的4主星星图识别算法综合实现 了全天自主模式快速识别和跟踪模式下的主星星图识别能力，快速识别出当前在星敏感器 坐标平面上方向矢量Wl的星点所对应导航星表中的导航星si在天球坐标系中的方向矢量 \，具体实现如下：
[0024] (1)基于k矢量和导航星域相结合的快速自主星图识别
[0025] 首先根据建立的导航星表，对全天球的导航星按照星对角距归类，建立对应导航 星的k矢量和k矢量查找表，再利用星敏感器视场中的4颗星构成6组星对角距，将其中的 5组星对角距所对应k矢量查找表域的星对组进行导航星表域，即导航星域的变换，再根据 另外1组星对角距所对应的k矢量查找表域的值对其它5组导航星域的值进行索引比较， 最后直接找到满足条件的4颗导航星，完成星图识别，获得4颗在星敏感器坐标系统中的方 向矢量Wl的星点所对应导航星表中的导航星si在天球坐标系中的方向矢量v1;
[0026] 其中导航星域定义为：给定一组星对角距的范围M，在导航星表中组成Μ的每个导 航星的出现次数称为导航星域的值，导航星域就是统计相应导航星出现的次数；
[0027] (2)跟踪模式下的4主星星图识别
[0028] 利用识别出的4颗主星作为初始信息进行有初指向的局部星图识别，计算星敏感 器的姿态并获取运动角速度，结合前面两步得到的先验信息，预测下一采样时刻的姿态和 星点位置，进入快速预测跟踪模式识别，快速识别出下一采样时刻的4颗在星敏感器坐标 系统中的方向矢量Wl的星点所对应导航星表中的导航星Sl在天球坐标系中的方向矢量Vl， 实现更好的实时性。
[0029] 所述步骤3的求解使得星点理论星点位置与实际测量误差最小化的目标函数 J(A