[发明专利]一种基于星敏感器的光轴与天球面交点D坐标的计算方法

说明书

本发明涉及一种基于星敏感器的光轴与天球面交点D坐标的计算方法，包括以下步骤：建立天球坐标系下的空间直角坐标系，对其进行平移或旋转变换使之与星敏感器坐标系重合，得到两个坐标系之间的转换关系，并用各参数表示出D点在天球坐标系中的坐标表达式；通过余弦定理得到各坐标之间的关系，再利用泰勒展开式得到投影中心到其星敏感器感光面上投影点的距离f的近似表达式；将其代入D点在天球坐标系中的坐标表达式得到D点的天球坐标近似值表达式；结合中值定理进行误差分析，并得出恒星选取标准进一步提高D点坐标精度。本发明的目的是建立数学模型，求解出光轴与天球面交点D的坐标，再通过优化算法精确D点坐标，提高星敏感器姿态测量精度。

技术领域

本发明涉及天文导航领域，具体的讲是一种基于星敏感器的光轴与天球面交点D坐标的计算方法。

背景技术

天文导航是以已知准确空间位置的自然天体为基准，通过星敏感器实现航行体的自主姿态测量，这里的姿态是指航行体的像空间坐标系在给定的参考系中的方位元素，从而解算出确定测量点所在载体的导航信息。由于星敏感器利用恒星的天文信息，因此具有自主性好、精度高、工作可靠等特点，在航天飞行中具有广阔应用前景。目前星敏感器已经能够实现完全自主姿态确定，它的工作原理是以恒星为参照物，利用CCD照相机实拍到的星图，经过恒星质心提取、星图识别和姿态估算等一系列计算，确定出星敏感器的光轴在惯性参考系(一般为天球坐标系)的瞬时指向，从而确定航行器的姿态。所以精确光轴与天球面交点的位置信息对实现航行体的高精度姿态测量具有重要意义。

绝大部分航行体在完成一定任务时，如通信、对地观测、空间实验等，必须知道它们的姿态信息，利用星敏感器对其进行姿态确定。姿态确定系统通常由姿态敏感器(一般为星敏感器)和姿态确定算法组成。姿态确定算法一般又分为确定性算法和状态估计算法。确定性算法主要有：TRIAD方法、QUEST方法、FOAM方法和SVD方法。确定性方法的优点是无需先验的姿态信息，但它很难克服参考矢量的各种误差，如星敏感器的测量误差、偏置误差及安装误差等，难以建立航行体姿态确定模式以及加权处理不同精度的测量值。

为了提高姿态确定的精度，矢量观测中的一些不确定因素也应作为被估计的变量参与航行体的姿态计算，这就是姿态确定的状态估计算法。目前常用的飞行器姿态估计算法有：扩展卡尔曼滤波、扩展四元数估计、递归四元数估计、预测卡尔曼滤波和非线性预测滤波。在上述姿态估计算法中，只有卡尔曼滤波、预测卡尔曼滤波和非线性预测滤波仅需利用星敏感器观测矢量数据就可以估计飞行器姿态，其余滤波算法需要利用两种或两种以上的姿态敏感器才能完成对姿态敏感器姿态的估计。在目前的工程领域中，姿态估计算法一般采用卡尔曼滤波算法。卡尔曼滤波算法的工作原理是根据空间飞行器姿态运动学方程，建立状态方程和观测方程，最后根据观察信息得到一定准则下的最优状态估计值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种基于星敏感器的光轴与天球面交点D坐标的计算方法,本发明的目的是利用天球坐标系与星敏感器坐标系间的变换关系建立数学模型，求解出星敏感器的光轴与天球面交点D的坐标，再通过优化算法精确交点的位置信息，提高星敏感器姿态测量精度以实现航行体高精度姿态测量。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于星敏感器的光轴与天球面交点坐标D的计算方法，包括以下步骤：