船載高精度星敏感器安裝角標定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及航天器姿態控制地面應用領域，具體涉及船載高精度星敏感器的安裝 角標定方法。根據星敏感器姿態確定算法原理，精確標定船載星敏感器相對甲板坐標系的 安裝角。
【背景技術】
[0002] 航天測量船是為了適應導彈、航天器試驗的發展而在海上設置的測控站，其測控 設備以船舶為平臺，測量是在動態條件下，設備的位置、姿態在不停地變化，測量精度不僅 取決于外測設備本身，還取決于船姿船位系統的測量精度。航天測量船上配備有較高精度 的船姿船位測量系統，包括慣導、衛導、變形、經煒儀等設備。這些設備各有優缺點，但仍不 能完全滿足航天測量船優于10"的高精度船體姿態測量需求。現有集中式船姿船位測量系 統存在中間環節多、精度難以進一步提高等缺點，隨著大視場高精度星敏感器技術的成熟， 提出在外測設備底座固聯星敏感器與捷聯慣導組合測量系統，構建分布式船姿船位測量系 統，提高外測設備測量精度。
[0003] 星敏感器是一種以恒星為參考基準的高精度姿態敏感器，通過探測天球上不同位 置的恒星進行結算，具有自主導航能力，在各種飛行器的控制系統和姿態測量過程中起著 重要的作用。星敏感器具有隱蔽性好、適用范圍廣、可靠性高、精度高、可獨立自主全天候 工作的特點，姿態測量精度可達10"以內。在利用星敏感器測量船體姿態前，必須對其安 裝角進行精確標定，星敏感器安裝誤差可達角分級，嚴重影響了船姿船位測量精度。現階段 多采用經煒儀激光測量光學棱鏡夾角方法，但本發明涉及的船載星敏感器受安裝空間的限 制，位于雷達天線底座內，無法觀測到甲板方位角及俯仰角零位基準，只能標定光軸相對棱 鏡夾角，無法標定星敏感器相對甲板坐標系的夾角。
【發明內容】
[0004] 本發明為解決現有技術無法實現對船載星敏感器安裝角精確標定的問題，提供一 種船載高精度星敏感器安裝角標定方法。
[0005] 船載高精度星敏感器安裝角標定方法，該方法由以下步驟實現：
[0006] 步驟一、在船載雷達設備基座安裝星敏感器SS1 ;
[0007] 步驟二、船進塢坐墩時，船載標校經煒儀標定零位差和照準差，所述星敏感器SS1 標定主點、焦距以及光學畸變參數；船載標校經煒儀通過測星或目苗方位標的方法確定測量 船航向角K。，采用高精度水平儀標定全船水平基準縱搖角Φ。、橫搖角Θ。，獲得慣導地平系 到甲板坐標系轉換矩陣R。；
[0008] 步驟三、星敏感器SS1拍攝星圖，通過星圖提取和星圖識別獲取i顆恒星的觀測矢 量I和參考矢量分別Vi，對所述參考矢量Vi經歲差、章動、極移、地球自轉的變換后轉換到 慣導地平系參考矢量VDPl，由所述慣導地平系參考矢量VDPl計算視場內i顆恒星在慣導地平 系下的方位角ADPl和俯仰角EDPl，對所述慣導地平系下的俯仰角EDPl逐個進行蒙氣差修正， 獲得修正后的俯仰角E'DPl，重構i顆恒星慣導地平系參考矢量，獲得重構后的參考矢量tDPl，計算慣導地平系下星敏感器姿態矩陣，所述星敏感器姿態矩陣為星敏感器 坐標系到慣導地平系下的轉換矩陣，用公式表示為：
[0009]
[0010] 式中，s為星敏感器坐標系，DP為慣導地平系，i為正整數且i<η，η為視場內已 識別恒星數目；
[0011] 步驟四、計算船載星敏感器安裝矩陣，解算安裝角：
[0012]
[0013] 則由安裝矩陣/??'解算等效安裝角：
[0014]
[0015] 式中，b為甲板坐標系，Α、Ε和γ分別為安裝方位角、俯仰角和滾動角。
[0016] 本發明的有益效果：
[0017] -、本發明提出了一種船載高精度星敏感器安裝角標定方法，為星敏感器安裝角 測量提供了理論基礎，可大大提高航天測量船船體姿態的測量精度。
[0018] 二、本發明根據星敏感器姿態確定原理，通過矩陣運算編程解算安裝角，無需相關 背景專業人士也可完成計算工作，實現了自動化計算，提高了船體姿態的測量精度。
[0019] 三、本發明考慮到大氣折射的影響，完善了船載大視場高精度星敏感器蒙氣差修 正模型，視場內星點分布范圍大，各恒星地平系俯仰角差別大，依據地平系俯仰角逐個計算 蒙氣差進行修正，提高了安裝角標定的精度。
[0020] 四、本發明采用多次測量計算安裝矩陣，求解安裝角，統計求平均值，能有效剔除 解算結果中的奇異值，提高了安裝角計算的精度。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發明所述的一種船載星敏感器安裝示意圖；
[0022] 圖2為船載星敏感器相關坐標系；
[0023] 圖3為地心慣性坐標系到慣導地平坐標系轉換示意圖；
[0024] 圖4為船載星敏感器蒙氣差修正示意圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0025] 一、結合圖1~圖4說明本實施方式，本實施方式中涉及的坐標系有 CIS一地心慣性坐標系（J2000. 0坐標系），MT-瞬時平赤道地心系，CT一瞬時真赤道地心 系，ET-準地固坐標系，CTS-地固坐標系，DP-慣導地平系，b-甲板坐標系，s-星敏感器 坐標系。
[0026] 表1本實施方式中星敏感器光學系統的參數信息。
[0027] 表 1
[0028]
[0029] 基本的歐拉角旋轉變換矩陣Rx (Θ)，Ry (Θ)，Rz (Θ)分別表示繞X、Y和Z軸逆時針 旋轉Θ角后形成的矩陣，具有如下標準形式：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 本實施方式的具體步驟為：
[0034] 一、圖1中在船載雷達設備基座安裝星敏感器SS1。定義0b_XbYbZA甲板坐標系， 坐標原點〇b位于慣導三軸中心，X3由沿艏艉線指向船艏，Yb軸垂直甲板向上，zb軸與X,軸、 Yb軸成右手定則，指向右舷；
[0035] 二、船進塢坐墩時，船載標校經煒儀標定零位差和照準差，所述星敏感器SS1分別 標定主點、焦距以及光學畸變參數；船載標校經煒儀通過測星或者瞄方位標的方法確定測 量船航向角K。，采用高精度水平儀標定全船水平基準縱搖角Φ。、橫搖角Θ。，獲得船體姿態 真值rd:
[0036] A、經煒儀標定：出廠前通過在檢測架上固定0. 2"平行光管點目標，反復打正倒 鏡的方法，讀出編碼器值，計算標校經煒儀的零位差、照準差；外場時，通過拍方位標，反復 打正倒鏡的方法，重新計算標校經煒儀的零位差、照準差。
[0037] B、星敏感器的標定包括主點、焦距及光學畸變參數的標定。出廠前將星敏感器安 裝在經煒儀四通平臺上，對準平行光管，采集圖像并提取目標點位置，通過反復打正倒鏡方 法，測定主點（H);轉動經煒儀平臺，使目標在整個視場內等間隔移動，提取多組目標位 置及編碼器值，通過計算最小均方差來迭代出焦距值fc;主點、焦距標定后，再轉動經煒儀 平臺，使目標在視場內等間隔移動，通過將視場分成若干個區域，用二次擬合畸變的方法， 來分別計算各個區域的擬合系數，從而實現對各個區域目標點位置的精確校正，形如（X，y) =T[u，v]，式中（x，y)為由編碼器反推的目標位置真值，（u，v)為目標實際提取的位置， T[ ·]為二次擬合函數。
[0038] 光學畸變標定過程具體如下：
[0039]標定完主點（X。，Y。)、焦距f。后，假定經煒儀編碼器方位角、俯仰角（AEJ為有效 真值，根據下式反推出各位置處目標點真實脫靶量（AXl，Ayi):
[0040]ΔXj=tan(Aq-A；) * (f〇*cos(Ε；)-Δy^sinE；) (1)
[0041]Δ5^=(-f0*sin(Ej*cos(Ao-Ai)+f0*cos(Ej*tanE0) /
[0042] (sin(Ε；)*tanE〇+cos(Ag-A；)*cosΕ；) (2)
[0043]
[0044] 式中，（?。）為目標成像在主點處時的編碼器值。得到目標點的真值（Xl，yi):
[0045] x;=X〇+ΔXj (3)
[0046] Υι=γ〇+ΔΥι (4)
[0047] 建立目標點真值與畸變圖像相應像元坐標間對應關系，分了更好地校正畸變，采 用將圖像分區的方法，每個分區擬合出各自區域的二次函數系數（匕k2,k3,k4,k5,k6)，（k7,k 8>kg,k10,kn,k12)：
[0048] 1^+1?XVi+k3XVi2+k4XUi+k5XUiXVi+k6Xu/ =x; (5)
[0049] k7+k8Xvi+k9Xvi2+k10Xui+k11XuiXvi+k12Xui2=y； (6)
[0050] 求得擬合系數矩陣后，可以對觀測星位置進行修正。
[0051]C、船載標校經煒儀通過測星或者瞄方位標等方法，確定測量船航向K。，采用高精 度水平儀標定全船水平基準縱搖角?%、橫搖角Θ。，由此得到慣導地平系到甲板坐標系轉 換矩陣rd:
[0052] R。=Ry (K。)Rz (-Φ。)Rx (-Θ。） (7)
[0053] 在船進塢條件下，水平坐標基準為當地水平面，S卩Φ0=Θ。= 〇。
[0054] 三、星敏感器拍攝星圖（不少于三顆），通過星圖提取和星圖識別獲取i恒星的觀 測矢量I和參考矢量V1:
[0055] 圖2中定義0s-XsYsZs為船載星敏感器像空間坐標系，坐標原點0s為投影中心，與 航天飛行器安裝的星敏感器定義不同，為更好地標定船載星敏感器與甲板坐標系不重合關 系，定義Xs沿光軸方向指向觀測目標，Y3軸平行于像平面坐標系Y軸，沿圖像傳感器場掃描 方向向上，Zs軸與Xs軸、Ys軸成右手定則，沿圖像傳感器行掃描方向向右，f。為星敏感器焦 距，（A，E)分別為星敏感器的安裝方位角、俯仰角，即星敏感器光軸對應的甲板系下方位角 和俯仰角。因此，步驟二中所述的星敏感器主點（H)在星敏感器像空間坐標系中定義為 (z0,y0)。所述i顆觀測星在星敏感器坐標系下的觀測矢量為W1:
[0056]
[0057] 式中，f。為星敏感器焦距，（Z(]，y。）為圖像傳感器的主點位置（像元數），（Zl，yi)為 i顆恒星像點坐標，圖像傳感器像元尺寸為D，經畸變二次擬合校正后為（Zl'，y/ )，因此， 校正后的觀測矢量為W/:
[0058]
[0059]ViSi顆星在J2000. 0坐標系下的參考矢量：
[0060] (10)
[0061] 式中，i顆觀測星的赤經、赤煒為（αβJ。
[0062] 圖3中對所述參考矢量t經歲差、章動、極移、地球自轉等變換轉換到慣導地平系 ^DPi：
[0063]
[0064] 式中，為地心慣性系到慣導地平系姿態轉換矩陣，可由下式計算：
[0065]
[0066] 其中，為地心慣性坐標系到瞬時平赤道地心系之間的轉換矩陣，Mi為瞬時 平赤道地心到瞬時真赤道地心系的轉換矩陣，為瞬時真赤道地心系到準地固坐標系的 轉換矩陣，為準地固坐標系到地固坐標系的姿態轉換矩陣，為地固坐標系到慣 導地平系之間的姿態轉換矩陣。
[0067] 以下是具體轉換過程：
[0068] A、歲差修正，J2000.0地心慣性坐標系和瞬時平赤道地心坐標系MT的差異由歲差 引起的，由J2000.0地心慣性坐標系到瞬時平赤道地心坐標系的轉換矩陣:
[0069]
[0070] 式中，
[0071] ξΑ= 2. 650545"+2306· 083227"Tu+0. 2988499"TU2
[0072] +0· 01801828"Tu3-0. 00000597Γ?；4-0· 0000003173"TU5 (18)
[0073]
[0074] ΘA= 2004. 191903〃Tu-0. 4294934〃Tu2-0. 04182264"TU3
[0075] -0· 000007089"Tu4-0. 0000001274"TU5 (19)
[0076]
[0077] zA= -2. 650545"+2306· 07718ΓΤu+l. 0927348"TU2
[0078] +0· 01826837"Tu3-0. 000028596"Tu4-0. 0000002904"TU5 (20)
[0079]<