专利名称：一种星敏感器在轨光行差的修正方法
技术领域：
本发明涉及空间科学，具体说就是一种星敏感器在轨光行差的修正方法。 背景技术：
任何恒星在天球上的位置都是确定的，因此，实现恒星的捕获与跟踪的星敏感器成为空间飞行器上用于精确测定飞行器飞行姿态的测量设备。它以可精确定位的恒星系统作为绝对参照系，通过对恒星的观测、识别、计算得到空间飞行器的姿态。由于恒星的位置被定义在惯性坐标系中，星敏感器每次的姿态估算都是敏感器相对于惯性坐标系的实时直接测量，这些测量值不会像基于陀螺的姿态测定系统那样具有系统偏差和慢速漂移。星敏感器姿态的测量值可以直接使用，或用来修正陀螺漂移，而无须考虑任何偏差和漂移的校正。星敏感器的测姿精度远远优于太阳角计、地磁传感器等其它测姿设备，它是目前航天应用中测量精度最高的测姿敏感器。星敏感器是高精度仪器，但存在多种误差源，例如安装，热变形等误差以及光学系统成像误差，加工装配误差，光轴不稳定性，图像传感器噪声、暗电流、响应不均勻性，电子线路噪声，标定误差等。因此必须进行误差标定补偿才能获得高测角精度。星敏感器标定采用待定系数法同时对焦距、主点误差、空间量化误差和光学系统畸变进行修正，可采用实验室高精度转台和外场实际观星进行标定。实验室标定利用单星模拟器和精密转台，在视场内均勻设置标定网格由星敏感器测出各网格点的星像坐标，同时记录星敏感器光轴在模拟器及转台的方位角和高度角，利用最小二乘法计算标定系数。外场观星标定方法将地球当作均勻转动转台，由精确时钟代替刻度盘，用相对地球静止的星敏感器对天顶进行观星， 把星点作为目标，让其勻速扫过视场，分别记录它们每个时刻在星敏感器像平面坐标系的位置以及其在天球惯性坐标系中的坐标，将不同时刻拍摄的恒星坐标归算到观测起始时刻的位置，用多项式拟合计算待定系数。天球中，在日、月的引力作用下，地球自转轴的空间指向并不固定，呈现为绕一条通过地心并与黄道面垂直的轴线缓慢而连续地运动，大约25800年顺时针向(从北半球看) 旋转一周，描绘出一个圆锥面，使春分点沿黄道以与太阳周年视运动相反的方向每25800 年旋转一周，每年西移约50. 3"。这种由太阳和月球引起的地轴的长期进动(或称旋进) 称为日月岁差；此外，在行星的引力作用下，地球公转轨道平面不断地改变位置，这不仅使黄赤交角改变，还使春分点沿赤道产生一个微小的位移，其方向与日月岁差相反，这一效应称为行星岁差。行星岁差使春分点沿赤道每年东移约0.13"。日月岁差和行星岁差的综合作用使天体的坐标如赤经、赤纬等发生变化，一年内的变化量称为周年岁差。由于地球相对于月球和太阳的位置有周期性的变化，它所受到的来自后两者的引力作用也有相同周期的变化，使得地球自转轴的空间指向除长期的缓慢移动(岁差)外，还叠加上各种周期的幅度较小的振动，这称为章动。章动使得春分点在黄道上和黄赤交角对于各自的平均位置产生周期性的振荡。因而使得天体的坐标如赤经、赤纬等都发生变化。由于受“岁差”、“章动”因素的影响，恒星的视位置和平位置有较大差别，因此必须对基本星表进行修正才能进一步提高星敏感器的数据精度，对于“岁差”、“章动”的修正可以采用采用伍拉德根据刚体地球模型等公式。光的有限速度率和星敏感器(与卫星)绕地球轨道运动，而地球又绕太阳的轨道运动引起的恒星位置的视移位。在一年内，恒星似乎围绕它的平均位置走出一个小椭圆。这个现象在17 年由詹姆斯·布拉德雷发现，并被他用来测量光的速率。在同一瞬间，运动中的观测者所观测到的天体视方向与静止的观测者所观测到天体的真方向之差(称为光行差)。由于光行差位移的存在，在高精度卫星姿态确定系统中，必须加以修正由于光行差导致的星敏感器姿态漂移。

发明内容
本发明的目的在于提供一种星敏感器在轨光行差的修正方法。本发明的目的是这样实现的步骤如下步骤一根据公式a = arcsinff sin/^l计算卫星的周年光行差常数；式中α是光
U ；
行差误差倾角，μ为星光视方向与地球运动方向的夹角，V是地球公转线速度，c是光速；步骤二 利用星载设备，测量卫星在惯性坐标系下的线速度；步骤三利用星载惯性器件，测量卫星在轨道坐标系下的三轴姿态，然后计算卫星在惯性坐标系下的姿态；步骤四根据卫星在惯性坐标系下的姿态，以及星敏感器像空间坐标系与卫星本体坐标系之间的关系，计算星敏感器在惯性坐标系下的光轴指向；步骤五根据星敏感器像空间坐标系与卫星本体坐标系之间的关系，计算垂直于星敏感器光轴指向在惯性坐标系下的线速度；步骤六计算垂直于星敏感器光轴指向的周日光行差常数；步骤七根据获取的星敏感器视场内所有正确识别的恒星在惯性坐标系下的赤经和赤纬以及星敏感器光轴指向，计算星敏感器视场内恒星指向与光轴指向的夹角；步骤八根据星敏感器视场内恒星指向与光轴指向的夹角和步骤六的结果，计算该恒星的光行差；步骤九根据步骤八、步骤一以及太阳本动光行差，计算所有因素造成的光行差合成；步骤十将步骤九得到的光行差合成分解到星敏感器像空间坐标系下的X轴方向分量和Y轴方向的分量，这两个分量就是光行差对恒星在星敏感器像空间坐标系下χ轴方向的偏差ΔΧ和Y轴方向偏差ΔΥ;步骤^^一 把获得的恒星星像坐标X和Y，减去X轴方向的偏差Δ X和Y轴方向偏差ΔΥ;步骤十二 对视场内所有识别成功恒星星像坐标重复步骤七到步骤十一；步骤十三利用所有成功识别恒星星像减去由于光行差带来的偏差ΔΧ和ΔΥ，计算姿态四元数；步骤十四步骤十三得到的姿态四元数就是消除光行差后的姿态，把该姿态输入到导航计算机中。
本发明一种星敏感器在轨光行差的修正方法，推导出了消除星敏感器周日光行差、周年光行差以及太阳本动光行差的数学模型；采用该模型消除光行差后，能进一步为飞行器(卫星)提供高精度的姿态信息；为无陀螺的飞行器采用姿态来计算角速度，能进一步提高计算角速度的精度。


图1为恒星的光行差示意图；图2为周年光行差示意图；图3为本发明的一种修正星敏感器光行差工作流程图；图4为一种光行差验证系统半物理实验系统方框图；图5为修正光行差前三轴姿态误差实时曲线图；图6为修正光行差后三轴姿态误差实时曲线图；图7为修正光行差前三轴姿态误差离线曲线图；图8为修正光行差后三轴姿态误差离线曲线图；图9为本发明的实施方式方框图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明作进一步说明。实施例1 结合图3，一种星敏感器在轨光行差的修正方法，步骤如下步骤一根据公式a = arcsinj^sin/^计算卫星的周年光行差常数；式中α是光
行差误差倾角，μ为星光视方向与地球运动方向的夹角，V是地球公转线速度，c是光速；步骤二 利用星载设备，测量卫星在惯性坐标系下的线速度；步骤三利用星载惯性器件，测量卫星在轨道坐标系下的三轴姿态，然后计算卫星在惯性坐标系下的姿态；步骤四根据卫星在惯性坐标系下的姿态，以及星敏感器像空间坐标系与卫星本体坐标系之间的关系，计算星敏感器在惯性坐标系下的光轴指向；步骤五根据星敏感器像空间坐标系与卫星本体坐标系之间的关系，计算垂直于星敏感器光轴指向在惯性坐标系下的线速度；步骤六计算垂直于星敏感器光轴指向的周日光行差常数；步骤七根据获取的星敏感器视场内所有正确识别的恒星在惯性坐标系下的赤经和赤纬以及星敏感器光轴指向，计算星敏感器视场内恒星指向与光轴指向的夹角；步骤八根据星敏感器视场内恒星指向与光轴指向的夹角和步骤六的结果，计算该恒星的光行差；步骤九根据步骤八、步骤一以及太阳本动光行差，计算所有因素造成的光行差合成；步骤十将步骤九得到的光行差合成分解到星敏感器像空间坐标系下的X轴方向分量和γ轴方向的分量，这两个分量就是光行差对恒星在星敏感器像空间坐标系下χ轴方向的偏差ΔΧ和Y轴方向偏差ΔΥ;
步骤^^一 把获得的恒星星像坐标X和Y，减去X轴方向的偏差Δ X和Y轴方向偏差ΔΥ;步骤十二 对视场内所有识别成功恒星星像坐标重复步骤七到步骤十一；步骤十三利用所有成功识别恒星星像减去由于光行差带来的偏差ΔΧ和ΔΥ，计算姿态四元数；步骤十四步骤十三得到的姿态四元数就是消除光行差后的姿态，把该姿态输入到导航计算机中。实施例2 结合图1、图2、图4-图8，光行差定义为由于星敏感器随着飞行器的运动和光的有限速度，而引起的恒星位置在星敏感器运动方向上的明显移位。当恒星入射光和星敏感器的运动方相垂直时，光行差误差最大。光行差示意图如图1所示。地球相对太阳的运动造成光行差计算过程如下恒星发出的光线在运动的地球参照系上看，也会出现向着地球前进倾斜的现象(视方向)，光行差误差倾角定义为α。α由光速c与地球公转线速度V决定，公式如下tga = —(1)
c上式中，c为光速，c = 299792km/s ；V为地球公转线速度，V = 29. 8km/s。对星敏感器而言，恒星光行差包括四部分星敏感器绕地心运动产生的光行差、地球周年光行差、太阳本动光行差和银河系自传光行差；①星敏感器周日光行差星敏感器周日光行差是由于星敏感器绕地球中心自转运动产生的，它的大小与星敏感器绕地球中心自转时与星敏感器指向速度方向的线速度Vx有关。假设光速为C，星敏感器指向速度方向的线速度为Vx，那么星敏感器周日光行差常数为k=Ll(2)
C②周年光行差由于卫星与地球一起绕太阳公转，因此卫星绕太阳产生的周年光行差与地球绕太阳产生的周年光行差一致。假设地球公转线速度为V(如图2)，由于运动的相对原理，若以地球作为参考系，恒星M的光线除了以速度c前行以外，还获得一个速度-V，其中速度-V是与地球公转线速度大小相等、方向相反的相对速度。于是c与-V的合成方向是MM’，而星敏感器实际观测的M方向是ES’(ES’//MM’)，不是ES，两个方向的夹角就是周年光行差。ES’ 是天体得视方向，S’是它的视位置。按照正弦定理有
权利要求
1. 一种星敏感器在轨光行差的修正方法，其特征在于步骤如下步骤一根据公式仅二虹⑵丨！！！^^^！/^计算卫星的周年光行差常数；式中^是光行差Vc )误差倾角，μ为星光视方向与地球运动方向的夹角，ν是地球公转线速度，c是光速； 步骤二 利用星载设备，测量卫星在惯性坐标系下的线速度；步骤三利用星载惯性器件，测量卫星在轨道坐标系下的三轴姿态，然后计算卫星在惯性坐标系下的姿态；步骤四根据卫星在惯性坐标系下的姿态，以及星敏感器像空间坐标系与卫星本体坐标系之间的关系，计算星敏感器在惯性坐标系下的光轴指向；步骤五根据星敏感器像空间坐标系与卫星本体坐标系之间的关系，计算垂直于星敏感器光轴指向在惯性坐标系下的线速度；步骤六计算垂直于星敏感器光轴指向的周日光行差常数；步骤七根据获取的星敏感器视场内所有正确识别的恒星在惯性坐标系下的赤经和赤纬以及星敏感器光轴指向，计算星敏感器视场内恒星指向与光轴指向的夹角；步骤八根据星敏感器视场内恒星指向与光轴指向的夹角和步骤六的结果，计算该恒星的光行差；步骤九根据步骤八、步骤一以及太阳本动光行差，计算所有因素造成的光行差合成； 步骤十将步骤九得到的光行差合成分解到星敏感器像空间坐标系下的χ轴方向分量和Y轴方向的分量，这两个分量就是光行差对恒星在星敏感器像空间坐标系下X轴方向的偏差ΔΧ和Y轴方向偏差Δ Y ；步骤十一把获得的恒星星像坐标X和Y，减去X轴方向的偏差Δ χ和γ轴方向偏差ΔΥ；步骤十二 对视场内所有识别成功恒星星像坐标重复步骤七到步骤十一； 步骤十三利用所有成功识别恒星星像减去由于光行差带来的偏差ΔΧ和ΔΥ，计算姿态四元数；步骤十四步骤十三得到的姿态四元数就是消除光行差后的姿态，把该姿态输入到导航计算机中。
全文摘要
本发明提供一种星敏感器在轨光行差的修正方法。步骤包括根据公式计算卫星的周年光行差常数；利用星载设备，测量卫星在惯性坐标系下的线速度；计算卫星在惯性坐标系下的姿态；计算星敏感器在惯性坐标系下的光轴指向；计算垂直于星敏感器光轴指向在惯性坐标系下的线速度；计算垂直于星敏感器光轴指向的周日光行差常数；计算星敏感器视场内恒星指向与光轴指向的夹角；计算所有因素造成的光行差合成；计算姿态四元数。本发明推导出了消除星敏感器周日光行差、周年光行差以及太阳本动光行差的数学模型，采用该模型消除光行差后，能进一步为飞行器提供高精度的姿态信息，为无陀螺的飞行器采用姿态来计算角速度，能进一步提高计算角速度的精度。
文档编号G01C21/02GK102252673SQ20111014830
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者奚伯齐, 李葆华, 温奇咏, 陈希军 申请人:哈尔滨工业大学