一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法

本發明屬于視覺慣性組合傳感器外參數在軌校正，尤其涉及一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法。

背景技術：

1、星敏感器與陀螺儀系統參數關乎航天器姿態估計的精度。因此，組合傳感器的精確標定是實現高精度姿態信息輸出的前提。標定可以分為兩種模式：地面標定和在軌標定。地面標定一般是在實驗室的環境內使用恒星模擬器和高精度的轉臺或者使用自準直經緯儀進行標定。然而航天器在發射時遭受的力學沖擊、在軌光熱環境的變化、長時間在軌服役的器件老化都不可避免地造成地面標定參數發生改變，使組合系統導航精度逐漸降低。因此在軌實時校正組合系統參數誤差具有較高的工程意義。由于涉及傳感器之間相對坐標轉換，因此標定方法與姿態相關，陀螺儀的姿態誤差和引起姿態誤差的漂移也是待估計的參數之一。

2、目前在軌標定研究大多是針對捷聯慣性/天文(sins/cns)系統，系統還涉及加速度計漂移和速度誤差，并沒有涉及星敏感器和陀螺儀外參數在軌標定方法。

技術實現思路

1、為解決上述技術問題，本發明提供一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法。該方法首先利用星敏感器觀測恒星矢量與組合傳感器預測恒星矢量之差和相機投影模型構建觀測誤差模型，由此得到卡爾曼濾波器的觀測方程。然后利用4位置的機動策略以實現陀螺儀漂移、姿態誤差、外參數的快速耦合分離并持續地提供不同位置的星圖。最終利用卡爾曼濾波器迭代求解上述參數。本發明有效提高了星敏感器和陀螺儀外參數以及陀螺儀漂移在軌校正的精度和速度。

2、為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

3、一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法，包括如下步驟：

4、步驟1、星敏感器在捕獲新的圖像幀后，提取恒星并計算每一個恒星在相機坐標系中的觀測恒星矢量；

5、步驟2、陀螺儀通過姿態動力學方程實現姿態的傳播，然后根據組合傳感器觀測模型計算所提取的恒星在相機坐標系中的預測恒星矢量；

6、步驟3、將步驟2得到的預測恒星矢量與步驟1得到的觀測恒星矢量作差獲得三維恒星矢量誤差，然后根據相機投影模型關于觀測恒星矢量求微分，將上述三維恒星矢量誤差轉化為二維平面誤差，構建二維誤差觀測模型；

7、步驟4、利用步驟3得到的二維誤差觀測模型建立測量方程，利用卡爾曼濾波器對陀螺儀常值漂移、姿態誤差以及組合傳感器外參數誤差進行迭代估計；

8、步驟5、通過4位置的機動策略轉動星敏感器和陀螺儀的組合傳感器以持續獲得星圖，并實現陀螺儀常值漂移、姿態誤差以及組合傳感器外參數誤差的耦合分離。

9、有益效果：

10、本發明提出了一種基于恒星矢量的觀測誤差模型，這不同于傳統基于姿態矢量方法，能提供更高維度的觀測方程，提高系統的可觀測性；同時提出一種4位置的傳感器機動策略能快速分離陀螺儀漂移、陀螺儀姿態誤差和星敏感器與陀螺儀外參數誤差間的耦合，在保證校正精度的同時提升校正的速度。

技術特征：

1.一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法，其特征在于，所述步驟1包括：

3.根據權利要求2所述的一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法，其特征在于，所述步驟2包括：

4.根據權利要求3所述的一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法，其特征在于，所述步驟3中，三維恒星矢量誤差為：

5.根據權利要求4所述的一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法，其特征在于，所述步驟4包括：

6.根據權利要求5所述的一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法，其特征在于，所述步驟5包括：

技術總結
本發明公開一種在軌校正星敏感器和陀螺儀外參數的方法，涉及視覺慣性組合傳感器外參數在軌校正技術領域，該方法的待估計量包括陀螺儀三軸常值漂移b，三軸姿態誤差以及組合傳感器外參數誤差等9個參數。首先將星敏感器觀測的恒星矢量與組合傳感器預測的恒星矢量之差作為觀測量構建擴展卡爾曼濾波估計器，然后通過4位置的機動策略實現陀螺儀常值漂移、姿態誤差以及組合傳感器外參數誤差間的快速耦合分離。本發明在保證估計精度的同時提高估計效率。

技術研發人員：趙汝進,易晉輝,馬躍博,龍鴻峰,朱梓建,梁震
受保護的技術使用者：中國科學院光電技術研究所
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21