專利名稱：一種星敏感器動態性能測試方法
技術領域：
本發明涉及一種星敏感器動態性能測試方法。
背景技術：
星敏感器是一種高精度的姿態敏感測量儀器，它通過探測天球上不同位置的恒星來確定載體平臺姿態，提供載體平臺相對于慣性坐標系的三軸姿態。星敏感器主要由光學系統、圖像傳感器電路和控制與數據處理電路構成。其中圖像傳感器部分包括CCD (或APS)像平面組件、驅動電路、時序信號發生器和視頻信號處理器；控制和數據處理電路包括數字信號處理器(星像存儲器、星像地址發生器、程序存儲器、星表存儲器、CPU)與接口電路等硬件和連通性分析、細分算法、星圖識別、姿態角計算及坐標轉換等軟件。在星敏感器投入使用前，必須進行一系列的地面功能測試，用以檢驗其各部分功能的有效性和可靠性。通常的地面功能測試方法主要有兩種:一種是在實驗室內對星敏感器算法和電性能測試，這種方法測試主要是采用星空模擬軟件從星表中搜索出視場內所有恒星，并通過相應的方法計算這些恒星在像平面內的理想星像坐標，通過通信接口，把計算的理想坐標發送星敏感器，星敏感器接收到理想星像坐標后進行處理。該測試系統由星圖模擬計算機、數據處理計算機、星敏感器及通訊線纜組成，如
圖1所示。為了盡量保持星敏感器原有的電路及接口設計，選用星敏感器自帶的RS232 (或RS422)測試接口作為通訊接口。空模擬軟件對衛星(或其他飛行器)運動的軌道參數和姿態進行仿真，計算安裝在載體平臺上的星敏感器的姿態，并模擬生成在此姿態情況下的星敏感器所拍攝的星像。星圖模擬計算機通過RS232接口將星像傳給星敏感器(如圖1)。星敏感器接收到數據后、星圖識別和姿態計算，并將計算結果傳給數據處理計算機，根據傳送的識別結果和姿態信息對星敏感器的工作狀態進行分析，以驗證星敏感器工作的有效性和可靠性。為了進一步驗證星敏感器算法的魯棒性，實驗過程中，把所有理想恒星星像坐標增加A p ( A p G [-0.2,0.2])個像兀的誤差。但是該方法只能考核星敏感器的電氣接口、電路功能以及算法功能，由于星空模擬軟件給星敏感器直接輸出了星像坐標，因此即不能考核光學系統，也不能測試性敏感器的極性`。另一種方法是使用光學手段獲取星圖進行測試星敏感器，即地面觀星或向光學系統投影星圖的試驗方法，光學手段獲取星圖進行測試星敏感器系統主要包括:暗室，光學隔振平臺，星圖模擬的計算機和顯示器，光學準直透鏡，星敏感器光學系統和電子系統，星敏感器和主控計算機的數據傳輸設備，主控計算機和星圖模擬計算機的通訊設備。首先由星圖生成計算機來產生模擬星圖，通過平面顯示器實現星點顯示。顯示的每個星點所發出的光通過準直透鏡后轉換成平行光，模擬真實天空中的導航星。模擬的星光通過星敏感器鏡頭后在星敏感器的感光器件上成像，星圖識別計算機用來顯示識別結果和姿態信息，并與模擬星圖產生計算機進行通訊，以保證信號的同步。該方法具有以下特點:利用計算機控制顯示器顯示星圖，可以進行全天空的星圖模擬；根據顯示器像素的特性，可以通過改變顯示器像素的顏色來模擬星空中星的顏色，通過改變像素亮度可以模擬不同的星等；可以根據航天，器的飛行運行動力學，進行動態星圖獲取模擬；可以模擬在一定精度上的傳感器、執行器，以及在一定的空間環境(例如空間輻射)等條件下的星圖模擬。在實驗室的條件下，直接利用星敏感器去拍攝顯示器星圖會使所成的像很虛，甚至根本不能成像。在實驗室這種有限距離的情況下來模擬無限遠的距離成像必須在顯示器和星敏感器之間安裝一個適當的準直透鏡，同時還要保證星敏感器光學中心、顯示器顯示中心以及準直透鏡中心三者共軸，且使顯示器位于準直透鏡的焦面上，在系統的設計和選擇中要盡量滿足顯示器的視場角與星敏感器的視場角一致。而且模擬星圖顯示的原因，不能很準確地模擬恒星的實際位置，也不能模擬恒星的光譜，因此該方法只能測試星敏感器的基本功能，不能考核星敏感器的精度，也很難考核星敏感器的極性。所以采用以上方法只能測試星敏感器的部分功能，都具有很大的局限性。因此，如何在地面更有效地模擬載體平臺的運動，從而進一步測試星敏感器的性能是星敏感器研制過程中的一項關鍵技術。當前采用電星模擬器來測試星敏感器時只能考核星敏感器的電氣接口、電路功能以及算法功能，由于星空模擬軟件給星敏感器直接輸出了星像坐標，因此即不能考核光學系統，也不能測試星敏感器的極性。采用光學手段來測試星敏感器還要保證星敏感器光學中心、顯示器顯示中心以及準直透鏡中心三者共軸，且使顯示器位于準直透鏡的焦面上，在系統的設計和選擇中要盡量滿足顯示器的視場角與星敏感器的視場角一致。而且模擬星圖顯示的原因，不能很準確地模擬恒星的實際位置，也不能模擬恒星的光譜，因此該方法只能測試星敏感器的基本功能，不能考核星敏感器的精度，也很難考核星敏感器的極性。當前外場測試星敏感器的方法是:把星敏感器放置到地面，Z軸指向正北，Y軸垂直朝天頂，把星敏感器的姿態從地心慣性坐標系轉換到WGS84坐標系后，星敏感器在WGS84坐標系下的滾動角就是當地的經度，輸出的偏航角就是當地的緯度，而星敏感器測試點的當地經度和緯度可以通過GPS測得，而且不隨時間的變化，因此，可以把星敏感器在WGS84坐標系下的滾動角與當地的經度進行比較，星敏感器在WGS84坐標系下的偏航角與當地的緯度進行比較。該方法完全能測試星敏感器的光學系統、電子學系統以及星敏感器算法等功能，還可以測試星敏感器的極性和星敏感器的靜態精度。但是安裝星敏感器的飛行器本體的旋轉、移動、抖動等運動，由于這些運動造成星敏感器的動態性能達到3 (° )/s左右，甚至達10(° )/s,因此在星敏感器是使 用在這些高動態載體平臺之前需要在這些動態模擬平臺上測試，從而檢測星敏感器的動態性能指標。然而怎么測試星敏感器的動態性能指標作為星敏感器的關鍵技術之一，隨著星敏感器的應用越來越廣泛，這些測試方法和測試手段越來越受重視，也是星敏感器研制過程中急需解決的關鍵技術。
發明內容
基于以上不足之處，本發明的目的在于公開一種星敏感器動態性能測試方法，該方法能夠能測試星敏感器三軸歐拉角的靜態精度，還可以測試星敏感器的動態精度。本發明所采用的技術如下:一種星敏感器動態性能測試方法，包括三軸轉臺和測試計算機，測試計算機實時接收星敏感器輸出姿態四元數，定義星敏感器像空間坐標系為:原點0位于星敏感器傳感器CXD攝像頭中心，面對星敏感器鏡頭，X軸為平行于CXD攝像頭平面向右，Y軸為平行于CXD攝像頭平面向上，Z軸為垂直CXD攝像頭面朝外，星敏感器繞X軸旋轉的姿態角稱為偏航角，繞Y軸旋轉的姿態角稱為俯仰角，繞Z軸旋轉的姿態角稱為滾動角。星敏感器中裝載地心慣性坐標系即J2000.0坐標系，J2000.0坐標系:坐標原點在地球質心，參考平面是J2000.0平赤道面，Z軸向北指向平赤道面北極，X軸指向J2000.0平春分點，Y軸與X和Z軸組成直角右手系；按如下步驟測試；(I)、把星敏感器安裝到三軸轉臺上，使星敏感器的三軸與三軸轉臺的三軸平行；(2)、調整三軸轉臺的三軸，使三軸轉臺的X軸、Z軸分別指向J2000.0平春分點和平赤道面北極；(3)、如果測試星敏感器的靜態精度，跳轉到第4步；如果測試星敏感器的動態精度，直接跳轉到第11步；(4)、設置三軸轉臺的X軸和Y軸與地球保持相對靜止；(5)、設置三軸轉臺的Z軸以
權利要求
1.一種星敏感器動態性能測試方法，包括三軸轉臺和測試計算機，測試計算機實時接收星敏感器輸出姿態四元數，其特征在于:定義星敏感器像空間坐標系為:原點O位于星敏感器傳感器CCD攝像頭中心，面對星敏感器鏡頭，X軸為平行于CCD攝像頭平面向右，Y軸為平行于CXD攝像頭平面向上，Z軸為垂直CXD攝像頭面朝外，星敏感器繞X軸旋轉的姿態角稱為偏航角，繞Y軸旋轉的姿態角稱為俯仰角，繞Z軸旋轉的姿態角稱為滾動角； 星敏感器中裝載地心慣性坐標系即J2000.0坐標系,J2000.0坐標系:坐標原點在地球質心，參考平面是J2000.0平赤道面，Z軸向北指向平赤道面北極，X軸指向J2000.0平春分點，Y軸與X和Z軸組成直角右手系； 按如下步驟測試: (1)、把星敏感器安裝到三軸轉臺上，使星敏感器的三軸與三軸轉臺的三軸平行； (2)、調整三軸轉臺的三軸，使三軸轉臺的X軸、Z軸分別指向J2000.0平春分點和平赤道面北極； (3)、如果測試星敏感器的靜態精度，跳轉到第4步；如果測試星敏感器的動態精度，直接跳轉到第11步； (4)、設置三軸轉臺的X軸和Y軸與地球保持相對靜止； (5)、設置三軸轉臺的Z軸以
全文摘要
本發明涉及一種星敏感器動態性能測試方法，把星敏感器放置到三軸轉臺上，星敏感器的三軸與三軸轉臺的三軸平行，調整三軸轉臺，使三軸轉臺的X軸、Z軸分別指向J2000.0平春分點和平赤道面北極，測試星敏感器的靜態精度時，Z軸以的角速度轉動，X軸和Y軸保持相對靜止，測試星敏感器的動態精度時，轉臺三軸分別以用戶設置的角速度進行轉動，長時間運行后，采用方法分別統計這兩組數據，因此該方法不但能測試星敏感器的靜態精度和動態精度，還可以測試星敏感器的極性，本發明減少了星敏感器測試設備，降低了星敏感器測試成本。
文檔編號G01C25/00GK103245364SQ20131019198
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月14日 優先權日2013年5月14日
發明者王常虹, 李葆華 申請人:哈爾濱工業大學