靜基座初始對準條件下星敏感器精度測試方法

郭旭升

(上海航天控制技術研究所,上海 200233)

靜基座初始對準條件下星敏感器精度測試方法

郭旭升

(上海航天控制技術研究所,上海 200233)

提出了一種在初始對準條件下星敏感器精度測試方法。將星敏感器與陀螺、加速度計同軸安裝,利用陀螺、加速度計數據與卡爾曼濾波算法,使星敏感器的三軸指向與地理坐標系精確對準,可以計算出測試時刻的理論輸出值,將理論輸出值與實際輸出值比對,給出星敏感器的測角精度。

星敏感器 精度評估 初始對準 經緯儀 卡爾曼濾波

1 引言

星敏感器的測角精度在幾個角秒到幾十個角秒不等，傳統的方法主要依賴于高精度的模擬器，但是模擬器畢竟只是模擬輸入，與真實星空不盡相同，測試數據也定與真實數據較有更大的差距。本文在利用經緯儀準直法保證陀螺、加表與星敏感器三軸平行安裝的情況下，利用卡爾曼濾波算法實現北東地地理坐標系與星敏感器測量坐標系對準，通過坐標變換把星敏感器實測數據與理論數據轉換到同一坐標系下，從而實現在實際星空下對星敏感器精度的評估。

2 星敏感器測量坐標系與地理坐標系固連

將星敏感器固定在地球上，那么星敏感器則隨著地球轉動，只要將星敏感器的測量坐標系與地理坐標系精確固連，根據坐標系轉換則可以實現對星敏感器測角精度的評估。所謂的精確固連，就是精確確定星敏感器測量坐標系與地理坐標系的轉換矩陣，或者利用某種手段使星敏感器測量坐標系與地理坐標系精確對準，而現有的對準技術主要依賴于陀螺和加表，那么只要陀螺和加表與星敏感器平臺安裝，且實現陀螺加表的測量坐標系與星敏感器測量坐標系的精確標定，星敏感器測量坐標系與地理坐標系的對準問題就轉化為陀螺和加表測量系與地理坐標系的對準問題，而陀螺和加表與地理坐標系的對準問題可以利用成熟的卡爾曼濾波算法實現，通過經緯儀布站方法可以實現陀螺加表坐標系與星敏測量坐標系轉換矩陣的標定。

圖1 星敏感器誤差傳遞

圖2 扣除初始對準誤差后曲線

2.1 陀螺加表測量坐標系與星敏感器測量坐標系轉換矩陣的確定

通過精加工安裝支架可以實現星敏感器與陀螺加表測量坐標系指向相同，實際安裝時無法做到轉換矩陣是絕對的單位陣，這就需要用經緯儀布站的方法測量轉換矩陣，需要4臺經緯儀，記為T1、T2、T3、T4，實際測量時，T1、T2與星敏感器立方晶自準直建立星敏感器測量坐標系，用同樣方法通過T3，T4建立慣測組合測量坐標系，再通過T1、T3互瞄可以得到陀螺加表測量坐標系與星敏感器測量坐標系的的轉換關系，近似于單位陣。

2.2 陀螺加表測量坐標系與北天東地理坐標系的對準

本文為了利用陀螺與加表的數據使星敏感器的測量坐標系與北東天地里坐標系對準，引進卡爾曼濾波器。依照文獻[3，4]的方法在實驗前進行初始對準，與捷聯慣導系統不同的是，本文的實驗前可以有足夠長的對準時間，經過一定時間的收斂，北向、東向的對準誤差為20″，天向的對準誤差為390″，北向、東向的對準誤差影響星敏感器天向精度，天向的對準誤差影響星敏感器水平向的精度。

3 實驗時刻星敏感器理論輸出數據的求取

實驗時，星敏感器隨著地球轉動，輸出的姿態數據變化值與地球轉速相對應，經過初始對準與經緯儀自準直，星敏感器的測量系已經與地理坐標系精確固連，而星敏感器測量的J2000系下的姿態四元數，此時星敏感器輸出的姿態受到包括歲差、章動、極移、地球自轉、測試地點經緯度、陀螺加表測量系與星敏感器測量坐標系轉換陣、卡爾曼濾波器初始對準誤差諸多因素的影響，可以用坐標變換與誤差傳遞原理扣除這些影響實現星敏感器絕對精度的評估，具體流程如圖1。

坐標變換內的參數具為公知常識，可以依照參考文獻[2]計算，限于篇幅這里不再詳述。

4 靜基座初始對準條件下精度測量的實現與數據處理

可以進行精度評估的姿態四元數應為Q0與星敏感器實際輸出四元數Q差乘后的四元數，即：

根據第四節的理論，t時刻星敏感器的理論輸出應該為：

計算三軸誤差角：

扣除經緯儀對準誤差與初始對準誤差，可以得到一定時間內的誤差曲線如圖2。

從圖2可直觀的看出此被測星敏感器的測量精度，光軸方向較大，其他兩軸的精度小些，但是總體上還是偏大的，一方面和星敏感器的技術狀態，一方面為理論設計精度與實際測試精度必然有差異，還有就是涉及到天地系統下光學儀器的校準還是會引入其他的系統誤差，如大氣折射，地基平穩度等等，從圖2可以看出短短的十分鐘誤差波動還是比較明顯的，但是星敏感器的實際測量誤差一定在這個數值之內，較之傳統的測量方法，更加具有工程實際意義。

5 結語

為了在實際星空條件下，精確測定星敏感器的精度，提出利用陀螺加速度計數據與卡爾曼濾波算法，使星敏感器與地理坐標系精確對準，根據星敏感器定姿原理，將測試時刻實際數據與理論輸出比對，實測值表明，此方法測得數值，具有更加令人信服的工程實際價值。

[1]劉壘,張路,鄭辛,等.星敏感器技術研究現狀及發展趨勢[J].紅外與激光工程2007,36(S):529-533.

[2]劉林.航天器軌道理論,17-27.

[3]房建成,祝世平,等一種新的慣導系統靜基座快速初始對準方法.北京航空航天大學學報,1999年12月25卷第6期.

[4]柳明,向禮等一種新的慣導平臺靜基座快速初始對準方法.上海航天,2010年第5期.