船載高精度星敏感器安裝角標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)控制地面應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及船載高精度星敏感器的安裝 角標(biāo)定方法。根據(jù)星敏感器姿態(tài)確定算法原理，精確標(biāo)定船載星敏感器相對(duì)甲板坐標(biāo)系的 安裝角。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天測(cè)量船是為了適應(yīng)導(dǎo)彈、航天器試驗(yàn)的發(fā)展而在海上設(shè)置的測(cè)控站，其測(cè)控 設(shè)備以船舶為平臺(tái)，測(cè)量是在動(dòng)態(tài)條件下，設(shè)備的位置、姿態(tài)在不停地變化，測(cè)量精度不僅 取決于外測(cè)設(shè)備本身，還取決于船姿船位系統(tǒng)的測(cè)量精度。航天測(cè)量船上配備有較高精度 的船姿船位測(cè)量系統(tǒng)，包括慣導(dǎo)、衛(wèi)導(dǎo)、變形、經(jīng)煒儀等設(shè)備。這些設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)，但仍不 能完全滿足航天測(cè)量船優(yōu)于10"的高精度船體姿態(tài)測(cè)量需求。現(xiàn)有集中式船姿船位測(cè)量系 統(tǒng)存在中間環(huán)節(jié)多、精度難以進(jìn)一步提高等缺點(diǎn)，隨著大視場(chǎng)高精度星敏感器技術(shù)的成熟， 提出在外測(cè)設(shè)備底座固聯(lián)星敏感器與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合測(cè)量系統(tǒng)，構(gòu)建分布式船姿船位測(cè)量系 統(tǒng)，提高外測(cè)設(shè)備測(cè)量精度。
[0003] 星敏感器是一種以恒星為參考基準(zhǔn)的高精度姿態(tài)敏感器，通過(guò)探測(cè)天球上不同位 置的恒星進(jìn)行結(jié)算，具有自主導(dǎo)航能力，在各種飛行器的控制系統(tǒng)和姿態(tài)測(cè)量過(guò)程中起著 重要的作用。星敏感器具有隱蔽性好、適用范圍廣、可靠性高、精度高、可獨(dú)立自主全天候 工作的特點(diǎn)，姿態(tài)測(cè)量精度可達(dá)10"以內(nèi)。在利用星敏感器測(cè)量船體姿態(tài)前，必須對(duì)其安 裝角進(jìn)行精確標(biāo)定，星敏感器安裝誤差可達(dá)角分級(jí)，嚴(yán)重影響了船姿船位測(cè)量精度。現(xiàn)階段 多采用經(jīng)煒儀激光測(cè)量光學(xué)棱鏡夾角方法，但本發(fā)明涉及的船載星敏感器受安裝空間的限 制，位于雷達(dá)天線底座內(nèi)，無(wú)法觀測(cè)到甲板方位角及俯仰角零位基準(zhǔn)，只能標(biāo)定光軸相對(duì)棱 鏡夾角，無(wú)法標(biāo)定星敏感器相對(duì)甲板坐標(biāo)系的夾角。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)船載星敏感器安裝角精確標(biāo)定的問(wèn)題，提供一 種船載高精度星敏感器安裝角標(biāo)定方法。
[0005] 船載高精度星敏感器安裝角標(biāo)定方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0006] 步驟一、在船載雷達(dá)設(shè)備基座安裝星敏感器SS1 ;
[0007] 步驟二、船進(jìn)塢坐墩時(shí)，船載標(biāo)校經(jīng)煒儀標(biāo)定零位差和照準(zhǔn)差，所述星敏感器SS1 標(biāo)定主點(diǎn)、焦距以及光學(xué)畸變參數(shù)；船載標(biāo)校經(jīng)煒儀通過(guò)測(cè)星或目苗方位標(biāo)的方法確定測(cè)量 船航向角K。，采用高精度水平儀標(biāo)定全船水平基準(zhǔn)縱搖角Φ。、橫搖角Θ。，獲得慣導(dǎo)地平系 到甲板坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣R。；
[0008] 步驟三、星敏感器SS1拍攝星圖，通過(guò)星圖提取和星圖識(shí)別獲取i顆恒星的觀測(cè)矢 量I和參考矢量分別Vi，對(duì)所述參考矢量Vi經(jīng)歲差、章動(dòng)、極移、地球自轉(zhuǎn)的變換后轉(zhuǎn)換到 慣導(dǎo)地平系參考矢量VDPl，由所述慣導(dǎo)地平系參考矢量VDPl計(jì)算視場(chǎng)內(nèi)i顆恒星在慣導(dǎo)地平 系下的方位角ADPl和俯仰角EDPl，對(duì)所述慣導(dǎo)地平系下的俯仰角EDPl逐個(gè)進(jìn)行蒙氣差修正， 獲得修正后的俯仰角E'DPl，重構(gòu)i顆恒星慣導(dǎo)地平系參考矢量，獲得重構(gòu)后的參考矢量tDPl，計(jì)算慣導(dǎo)地平系下星敏感器姿態(tài)矩陣，所述星敏感器姿態(tài)矩陣為星敏感器 坐標(biāo)系到慣導(dǎo)地平系下的轉(zhuǎn)換矩陣，用公式表示為：
[0009]
[0010] 式中，s為星敏感器坐標(biāo)系，DP為慣導(dǎo)地平系，i為正整數(shù)且i<η，η為視場(chǎng)內(nèi)已 識(shí)別恒星數(shù)目；
[0011] 步驟四、計(jì)算船載星敏感器安裝矩陣，解算安裝角：
[0012]
[0013] 則由安裝矩陣/??'解算等效安裝角：
[0014]
[0015] 式中，b為甲板坐標(biāo)系，Α、Ε和γ分別為安裝方位角、俯仰角和滾動(dòng)角。
[0016] 本發(fā)明的有益效果：
[0017] -、本發(fā)明提出了一種船載高精度星敏感器安裝角標(biāo)定方法，為星敏感器安裝角 測(cè)量提供了理論基礎(chǔ)，可大大提高航天測(cè)量船船體姿態(tài)的測(cè)量精度。
[0018] 二、本發(fā)明根據(jù)星敏感器姿態(tài)確定原理，通過(guò)矩陣運(yùn)算編程解算安裝角，無(wú)需相關(guān) 背景專業(yè)人士也可完成計(jì)算工作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化計(jì)算，提高了船體姿態(tài)的測(cè)量精度。
[0019] 三、本發(fā)明考慮到大氣折射的影響，完善了船載大視場(chǎng)高精度星敏感器蒙氣差修 正模型，視場(chǎng)內(nèi)星點(diǎn)分布范圍大，各恒星地平系俯仰角差別大，依據(jù)地平系俯仰角逐個(gè)計(jì)算 蒙氣差進(jìn)行修正，提高了安裝角標(biāo)定的精度。
[0020] 四、本發(fā)明采用多次測(cè)量計(jì)算安裝矩陣，求解安裝角，統(tǒng)計(jì)求平均值，能有效剔除 解算結(jié)果中的奇異值，提高了安裝角計(jì)算的精度。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明所述的一種船載星敏感器安裝示意圖；
[0022] 圖2為船載星敏感器相關(guān)坐標(biāo)系；
[0023] 圖3為地心慣性坐標(biāo)系到慣導(dǎo)地平坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖；
[0024] 圖4為船載星敏感器蒙氣差修正示意圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0025] 一、結(jié)合圖1~圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式中涉及的坐標(biāo)系有 CIS一地心慣性坐標(biāo)系（J2000. 0坐標(biāo)系），MT-瞬時(shí)平赤道地心系，CT一瞬時(shí)真赤道地心 系，ET-準(zhǔn)地固坐標(biāo)系，CTS-地固坐標(biāo)系，DP-慣導(dǎo)地平系，b-甲板坐標(biāo)系，s-星敏感器 坐標(biāo)系。
[0026] 表1本實(shí)施方式中星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)信息。
[0027] 表 1
[0028]
[0029] 基本的歐拉角旋轉(zhuǎn)變換矩陣Rx (Θ)，Ry (Θ)，Rz (Θ)分別表示繞X、Y和Z軸逆時(shí)針 旋轉(zhuǎn)Θ角后形成的矩陣，具有如下標(biāo)準(zhǔn)形式：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 本實(shí)施方式的具體步驟為：
[0034] 一、圖1中在船載雷達(dá)設(shè)備基座安裝星敏感器SS1。定義0b_XbYbZA甲板坐標(biāo)系， 坐標(biāo)原點(diǎn)〇b位于慣導(dǎo)三軸中心，X3由沿艏艉線指向船艏，Yb軸垂直甲板向上，zb軸與X,軸、 Yb軸成右手定則，指向右舷；
[0035] 二、船進(jìn)塢坐墩時(shí)，船載標(biāo)校經(jīng)煒儀標(biāo)定零位差和照準(zhǔn)差，所述星敏感器SS1分別 標(biāo)定主點(diǎn)、焦距以及光學(xué)畸變參數(shù)；船載標(biāo)校經(jīng)煒儀通過(guò)測(cè)星或者瞄方位標(biāo)的方法確定測(cè) 量船航向角K。，采用高精度水平儀標(biāo)定全船水平基準(zhǔn)縱搖角Φ。、橫搖角Θ。，獲得船體姿態(tài) 真值rd:
[0036] A、經(jīng)煒儀標(biāo)定：出廠前通過(guò)在檢測(cè)架上固定0. 2"平行光管點(diǎn)目標(biāo)，反復(fù)打正倒 鏡的方法，讀出編碼器值，計(jì)算標(biāo)校經(jīng)煒儀的零位差、照準(zhǔn)差；外場(chǎng)時(shí)，通過(guò)拍方位標(biāo)，反復(fù) 打正倒鏡的方法，重新計(jì)算標(biāo)校經(jīng)煒儀的零位差、照準(zhǔn)差。
[0037] B、星敏感器的標(biāo)定包括主點(diǎn)、焦距及光學(xué)畸變參數(shù)的標(biāo)定。出廠前將星敏感器安 裝在經(jīng)煒儀四通平臺(tái)上，對(duì)準(zhǔn)平行光管，采集圖像并提取目標(biāo)點(diǎn)位置，通過(guò)反復(fù)打正倒鏡方 法，測(cè)定主點(diǎn)（H);轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)煒儀平臺(tái)，使目標(biāo)在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)等間隔移動(dòng)，提取多組目標(biāo)位 置及編碼器值，通過(guò)計(jì)算最小均方差來(lái)迭代出焦距值fc;主點(diǎn)、焦距標(biāo)定后，再轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)煒儀 平臺(tái)，使目標(biāo)在視場(chǎng)內(nèi)等間隔移動(dòng)，通過(guò)將視場(chǎng)分成若干個(gè)區(qū)域，用二次擬合畸變的方法， 來(lái)分別計(jì)算各個(gè)區(qū)域的擬合系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)區(qū)域目標(biāo)點(diǎn)位置的精確校正，形如（X，y) =T[u，v]，式中（x，y)為由編碼器反推的目標(biāo)位置真值，（u，v)為目標(biāo)實(shí)際提取的位置， T[ ·]為二次擬合函數(shù)。
[0038] 光學(xué)畸變標(biāo)定過(guò)程具體如下：
[0039]標(biāo)定完主點(diǎn)（X。，Y。)、焦距f。后，假定經(jīng)煒儀編碼器方位角、俯仰角（AEJ為有效 真值，根據(jù)下式反推出各位置處目標(biāo)點(diǎn)真實(shí)脫靶量（AXl，Ayi):
[0040]ΔXj=tan(Aq-A；) * (f〇*cos(Ε；)-Δy^sinE；) (1)
[0041]Δ5^=(-f0*sin(Ej*cos(Ao-Ai)+f0*cos(Ej*tanE0) /
[0042] (sin(Ε；)*tanE〇+cos(Ag-A；)*cosΕ；) (2)
[0043]
[0044] 式中，（?。）為目標(biāo)成像在主點(diǎn)處時(shí)的編碼器值。得到目標(biāo)點(diǎn)的真值（Xl，yi):
[0045] x;=X〇+ΔXj (3)
[0046] Υι=γ〇+ΔΥι (4)
[0047] 建立目標(biāo)點(diǎn)真值與畸變圖像相應(yīng)像元坐標(biāo)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，分了更好地校正畸變，采 用將圖像分區(qū)的方法，每個(gè)分區(qū)擬合出各自區(qū)域的二次函數(shù)系數(shù)（匕k2,k3,k4,k5,k6)，（k7,k 8>kg,k10,kn,k12)：
[0048] 1^+1?XVi+k3XVi2+k4XUi+k5XUiXVi+k6Xu/ =x; (5)
[0049] k7+k8Xvi+k9Xvi2+k10Xui+k11XuiXvi+k12Xui2=y； (6)
[0050] 求得擬合系數(shù)矩陣后，可以對(duì)觀測(cè)星位置進(jìn)行修正。
[0051]C、船載標(biāo)校經(jīng)煒儀通過(guò)測(cè)星或者瞄方位標(biāo)等方法，確定測(cè)量船航向K。，采用高精 度水平儀標(biāo)定全船水平基準(zhǔn)縱搖角?%、橫搖角Θ。，由此得到慣導(dǎo)地平系到甲板坐標(biāo)系轉(zhuǎn) 換矩陣rd:
[0052] R。=Ry (K。)Rz (-Φ。)Rx (-Θ。） (7)
[0053] 在船進(jìn)塢條件下，水平坐標(biāo)基準(zhǔn)為當(dāng)?shù)厮矫?，S卩Φ0=Θ。= 〇。
[0054] 三、星敏感器拍攝星圖（不少于三顆），通過(guò)星圖提取和星圖識(shí)別獲取i恒星的觀 測(cè)矢量I和參考矢量V1:
[0055] 圖2中定義0s-XsYsZs為船載星敏感器像空間坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)0s為投影中心，與 航天飛行器安裝的星敏感器定義不同，為更好地標(biāo)定船載星敏感器與甲板坐標(biāo)系不重合關(guān) 系，定義Xs沿光軸方向指向觀測(cè)目標(biāo)，Y3軸平行于像平面坐標(biāo)系Y軸，沿圖像傳感器場(chǎng)掃描 方向向上，Zs軸與Xs軸、Ys軸成右手定則，沿圖像傳感器行掃描方向向右，f。為星敏感器焦 距，（A，E)分別為星敏感器的安裝方位角、俯仰角，即星敏感器光軸對(duì)應(yīng)的甲板系下方位角 和俯仰角。因此，步驟二中所述的星敏感器主點(diǎn)（H)在星敏感器像空間坐標(biāo)系中定義為 (z0,y0)。所述i顆觀測(cè)星在星敏感器坐標(biāo)系下的觀測(cè)矢量為W1:
[0056]
[0057] 式中，f。為星敏感器焦距，（Z(]，y。）為圖像傳感器的主點(diǎn)位置（像元數(shù)），（Zl，yi)為 i顆恒星像點(diǎn)坐標(biāo)，圖像傳感器像元尺寸為D，經(jīng)畸變二次擬合校正后為（Zl'，y/ )，因此， 校正后的觀測(cè)矢量為W/:
[0058]
[0059]ViSi顆星在J2000. 0坐標(biāo)系下的參考矢量：
[0060] (10)
[0061] 式中，i顆觀測(cè)星的赤經(jīng)、赤煒為（αβJ。
[0062] 圖3中對(duì)所述參考矢量t經(jīng)歲差、章動(dòng)、極移、地球自轉(zhuǎn)等變換轉(zhuǎn)換到慣導(dǎo)地平系 ^DPi：
[0063]
[0064] 式中，為地心慣性系到慣導(dǎo)地平系姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，可由下式計(jì)算：
[0065]
[0066] 其中，為地心慣性坐標(biāo)系到瞬時(shí)平赤道地心系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，Mi為瞬時(shí) 平赤道地心到瞬時(shí)真赤道地心系的轉(zhuǎn)換矩陣，為瞬時(shí)真赤道地心系到準(zhǔn)地固坐標(biāo)系的 轉(zhuǎn)換矩陣，為準(zhǔn)地固坐標(biāo)系到地固坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，為地固坐標(biāo)系到慣 導(dǎo)地平系之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣。
[0067] 以下是具體轉(zhuǎn)換過(guò)程：
[0068] A、歲差修正，J2000.0地心慣性坐標(biāo)系和瞬時(shí)平赤道地心坐標(biāo)系MT的差異由歲差 引起的，由J2000.0地心慣性坐標(biāo)系到瞬時(shí)平赤道地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣:
[0069]
[0070] 式中，
[0071] ξΑ= 2. 650545"+2306· 083227"Tu+0. 2988499"TU2
[0072] +0· 01801828"Tu3-0. 00000597Γ?；4-0· 0000003173"TU5 (18)
[0073]
[0074] ΘA= 2004. 191903〃Tu-0. 4294934〃Tu2-0. 04182264"TU3
[0075] -0· 000007089"Tu4-0. 0000001274"TU5 (19)
[0076]
[0077] zA= -2. 650545"+2306· 07718ΓΤu+l. 0927348"TU2
[0078] +0· 01826837"Tu3-0. 000028596"Tu4-0. 0000002904"TU5 (20)
[0079]<