一種測試星敏感器空間指向的方法

,

(上海航天控制技術(shù)研究所,上海 201109)

一種測試星敏感器空間指向的方法

張召弟,王向

(上海航天控制技術(shù)研究所,上海201109)

星敏感器作為高精度姿態(tài)測量單機(jī),為高精度姿態(tài)控制提供前提保障。確保星敏感器空間指向正確性對姿控系統(tǒng)至關(guān)重要?；诖颂岢隽艘环N在外場觀星試驗中,通過測試星敏感器地方時慣性指向來確認(rèn)空間指向的方法,該方法結(jié)合格林尼治恒星時概念,通過地心赤道慣性坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)氐乩硐抵g的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行算法設(shè)計,是驗證選用的星敏感器空間指向正確與否的重要手段。

星敏感器;地方時;慣性指向

0 引言

航天器姿態(tài)確定技術(shù)在航天器姿態(tài)控制、空間遙感定位等領(lǐng)域中起著重要作用。基于星敏感器的姿態(tài)確定技術(shù)，由于其可靠、快速和高精度等特點,在航天器姿態(tài)控制應(yīng)用方面具有很大優(yōu)勢[1]。姿態(tài)測量是衛(wèi)星姿態(tài)確定和姿態(tài)控制的基礎(chǔ)。星敏感器是一種高精度的姿態(tài)測量系統(tǒng),一般來說在姿態(tài)敏感器中最為精確,其精度比太陽敏感器高1個數(shù)量級,比紅外地平儀高2個數(shù)量級。它以天空中的亮度高于+2可見星等的恒星為參照物[2],通過探測天球上不同位置的恒星來確定衛(wèi)星的當(dāng)前姿態(tài)。星敏感器作為高精度姿態(tài)測量單機(jī),已被廣泛選用于各種航天器中,為高精度姿態(tài)確定和控制提供前提保障。因此在使用前對星敏感器多方面進(jìn)行充分測試至關(guān)重要。通常的測試方法[3-7]有:通過繞星敏感器3個軸分別旋轉(zhuǎn),作為測試星敏感器的相對極性的常用手段;通過將星敏感器靜止放置于平臺上，采集一段時間星敏感器的數(shù)據(jù),結(jié)合地速引入考核星敏感器的外場觀星靜態(tài)精度;通過引入軌道和姿態(tài)參數(shù)設(shè)置光星模模擬真實星空,測試星敏感器的靜態(tài)精度和全天區(qū)動態(tài)跟蹤性能,該方法的缺點在于光星模價格昂貴,且光星模參數(shù)(視場、口徑等)不可調(diào),很難與星敏感器完全匹配;通過對衛(wèi)星運(yùn)動軌道和姿態(tài)參數(shù)及星敏感器的姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行仿真計算、模擬生成星敏感器在軌狀態(tài)下的仿真星圖,星敏感器以此仿真星圖作為測試信號源,通過對仿真星圖的處理,實現(xiàn)對星點定位、星圖識別、姿態(tài)計算等功能的全面測試,該方法的缺點在于只能對星敏感器電子部件的功能進(jìn)行有效驗證,無法對光學(xué)部件的功能進(jìn)行驗證;通過將星敏感器接入半物理仿真系統(tǒng)測試其極性和短期靜態(tài)性能等。本文提出的這種方法通過測試星敏感器地方時慣性指向,是驗證選用的星敏感器空間絕對指向正確與否的重要手段。

1 技術(shù)參數(shù)

(1)星敏感器單機(jī)坐標(biāo)系[8]定義如圖1所示。

圖1 星敏感器坐標(biāo)系示意圖Fig.1 The scheme of star sensor coordinate system

原點:CCD中心;Xs:沿著CCD行的方向;Ys:沿著CCD列的方向;Zs:沿著星敏感器的光軸方向。

(2)地心慣性坐標(biāo)系[9](J2000系)OiXiYiZi

Oi—地球質(zhì)心;

OiXi—指向J2000.0平春分點;

OiZi—與OiXi垂直,沿地球自轉(zhuǎn)軸指向北方;

OiYi—在平赤道平面內(nèi),與另兩軸構(gòu)成右旋正交系。

(3)地理坐標(biāo)系[10](南東天配置)

Oe—取在運(yùn)動體M和地球中心連線與地球表面交點;

OeXe—在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)指南;

OeYe—在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)指東;

OeZe—沿當(dāng)?shù)氐卮咕€方向并指向天頂,與OeXe、OeYe組成右手坐標(biāo)系;

地理坐標(biāo)系也可以有其他不同的配置順序,如東北天等。

圖2 地心慣性坐標(biāo)系及地理坐標(biāo)系示意圖Fig.2 The scheme of Inertial coordinate system and geographical coordinate system

2 測試方法設(shè)計

2.1 測試方法

將星敏感器的Z軸指向天空,X軸依次指向東/南/西/北放置在水平臺面上。通過穩(wěn)壓源給星敏感器供電,通過串口調(diào)試助手給星敏感器發(fā)送指令數(shù)據(jù),通過顯示讀取軟件觀察并記錄星敏感器輸出的四元數(shù),待每次放置在某個位置穩(wěn)定輸出后,再開始記錄星敏感器輸出的四元數(shù)及時間。測試連接示意圖如圖3所示。

圖3 測試連接示意圖Fig.3 The scheme of test connection

2.2 數(shù)據(jù)處理

以公元前4713年1月1日格林尼治平午為起算日期[11],T0時刻對應(yīng)的儒略日為

式中,Year,month,day,hour_UTC,minute,second對應(yīng)于T0時刻的年月日時分秒,其中hour_UTC為UTC時。

以歷元J2000.0為起算日期的儒略日為

J2000_days_S=JD_S-2451545

T0時刻的格林尼治恒星時(單位:°)為

取參考時刻點T0,提前計算好T0時刻對應(yīng)的Sg0,則上海地區(qū)晚T時地方恒星時可表示為

Sg=Sg0+121.409151°+(T-T0)×15(°)/h

(3)

其中,Sg0為當(dāng)天某參考點T0時的格林尼治恒星時,試驗前可提前計算。

上海經(jīng)度(J2000系)為

λ=Sg

(4)

上海緯度(J2000系)為

δ=31.1731026°

(5)

J2000坐標(biāo)系初始四元數(shù)可表示為

(6)

J2000坐標(biāo)系經(jīng)過繞Z軸旋轉(zhuǎn)λ,再繞Y軸旋轉(zhuǎn)(90°-δ),可與南東天配置的當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系坐標(biāo)軸重合,如圖4所示。

圖4 J2000系到地理坐標(biāo)系(南東天配置)轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.4 The transformation scheme of J2000 inertial coordinate system and geographical coordinate system

J2000坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)氐乩硐岛铣赊D(zhuǎn)動四元數(shù)為

星敏感器光軸指天的光軸矢量在當(dāng)?shù)氐乩硐悼杀硎緸?/p>

(8)

結(jié)合捷聯(lián)矩陣(動系到靜系轉(zhuǎn)換矩陣)用四元數(shù)的表達(dá)式[12]

(9)

可得當(dāng)?shù)氐乩硐倒廨S矢量在慣性系坐標(biāo)表示為

(10)

其中,QEi=[q0,q1,q2,q3]T。

同理,結(jié)合捷聯(lián)矩陣用四元數(shù)的表達(dá)式,可得本體系光軸矢量在慣性系坐標(biāo)表示為

(11)

則星敏感器光軸夾角誤差可表示為

(12)

考慮到星敏感器放置平臺的不平整性等因素,若星敏感器光軸夾角誤差Δψ較小(設(shè)置閾值<10°),則可驗證地方時慣性指向正確,否則地方時慣性指向有誤。

另外,按312旋轉(zhuǎn)順序得到的捷聯(lián)矩陣(動系到靜系轉(zhuǎn)換矩陣)用姿態(tài)角表示[12]為

(13)

因此可以求得姿態(tài)角與四元數(shù)的關(guān)系為

(14)

3 外場觀星數(shù)據(jù)分析與驗證

為了驗證本文提出測試方法的實用性和正確性,基于上述分析與推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行外場觀星算例驗證。

1)將星敏感器的Z軸指天,X軸指向地理系東向放置于水平臺面上,當(dāng)晚19點40分輸出的一組實測四元數(shù)為

經(jīng)計算,此時的QEi值如下

進(jìn)一步計算星敏感器光軸夾角誤差為

Δα=2.429°

求得三軸姿態(tài)誤差角(單位:°)為

2)將星敏感器的Z軸指天,X軸指向地理系南向放置于水平臺面上,當(dāng)晚19點41分輸出的一組實測四元數(shù)為

經(jīng)計算,此時的QEi值如下

進(jìn)一步計算星敏感器光軸夾角誤差為

Δα=0.8134°

求得三軸姿態(tài)誤差角(單位:°)為

3)將星敏感器的Z軸指天,X軸指向地理系西向放置于水平臺面上,當(dāng)晚19點42分輸出的一組實測四元數(shù)為

經(jīng)計算,此時的QEi值如下

進(jìn)一步計算星敏感器光軸夾角誤差為

Δα=0.2688°

經(jīng)計算,此時的QEi值如下

進(jìn)一步計算星敏感器光軸夾角誤差為

Δα=0.2676°

求得三軸姿態(tài)誤差角(單位:°)為

5) 將星敏感器的Z軸指天,X軸指向地理系北向放置于水平臺面上,保持在此狀態(tài)下記錄半小時星敏感器輸出的四元數(shù)數(shù)據(jù),并按上述方法對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到此狀態(tài)下星敏感器光軸夾角誤差曲線如圖5所示。

圖5 星敏感器光軸夾角誤差曲線Fig.5 The curve of the optical axis error angle of the star sensor

結(jié)果表明,該方法在外場觀星試驗中操作簡單可行,結(jié)合格林尼治恒星時概念，通過地心赤道慣性坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)氐乩硐抵g的轉(zhuǎn)換關(guān)系,驗證了星敏感器地方時慣性指向的正確性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的方法作為一種測試星敏感器空間慣性指向的驗證方法,能夠從實用角度上在外場觀星即可考核到星敏感器的空間指向性能,且利用該種方法星敏感器觀測的是真實星空,考核的是星敏感器的絕對空間指向。從外場觀星的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出,該方法簡單實用,具有工程應(yīng)用價值。

[1] 陶雨露.基于恒星的航天器姿態(tài)確定技術(shù)研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

[2] 黃圳圭.航天器姿態(tài)動力學(xué)[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，1997:87-90.

[3] Tian H, Yuan J, Li Z, et al.Analysis for the ground observing data of star sensor[J].Opto-Electronic Engineering, 2001, 28(5): 1-4.

[4] Li C, Li H.Astronomical calibration method and observation analysis for high-accuracy star sensor [J].Optics and Precision Engineering, 2006, 14(4):558-563.

[5] Xing F, Wu Y, Dong Y, et al.Research of laboratory test system for micro star tracker[J].Optical Technique, 2004, 30(6):703-709.

[6] Gong Y, Hu Y, Zhao Y.Design of a mini star simulator based on digital optical processing [J].Optics and Precision Engineering, 2007, 15(11):1698-1703.

[7] 魏新國, 張廣軍, 樊巧云,等.利用仿真星圖的星敏感器地面功能測試方法[J].紅外與激光工程, 2008, 37(6):1087-1091.

[8] Ground Support Equipment User & Handling Manual [Z].Jena:JENA-OPTRONIK ，2008: 28-30.

[9] 劉暾，趙鈞.空間飛行器動力學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007:153-154.

[10] 鄧正隆.慣性技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006:6-7.

[11] 王威，郗曉寧.近地航天器軌道基礎(chǔ)[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，2003:54-66.

[12] 劉良棟.衛(wèi)星控制系統(tǒng)仿真技術(shù)[M].北京：中國宇航出版社，2003:248-253.

AMethodofTestingtheSpacePointingofStarSensor

ZHANGZhao-di,WANGXiang

(ShanghaiAerospaceControlTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

The star sensor acts as a high-precision attitude measure equipment, which provides a guarantee for high-precision attitude control.Ensuring the correction of the star sensor space orientation is crucial to the attitude control system.Based on this, this paper puts forward a method of confirming space pointing by testing the local time inertial orientation of the star sensor in real space experiments.Combined with the concept of the Greenwich sidereal time, the method is designed using the conversion through the geocentric equatorial inertial coordinate and the local geographic coordinate, and it is an important means to verify the correction of selected the star sensor space pointing.

Star senor; Local time; Inertial pointing

2017-05-17；

：2017-06-13

：張召弟(1985-)，女，工程師，主要從事衛(wèi)星姿態(tài)控制研究工作。E-mail:zhaodizhaodi@126.com。

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.05.012

V448.2

：A

：2095-8110(2017)05-0070-05