[发明专利]一种地基星敏感器大气折射与对地姿态的联合估计方法

说明书

本发明提供了一种地基星敏感器大气折射与对地姿态联合估计方法。步骤包括：星敏感器拍摄星图，经过星图识别得到观测星与参考星匹配关系；根据观测时间和地点将参考星转换到地理坐标系下，得到参考星真天顶距；采用简化的大气折射模型和真天顶距以及初始蒙气差系数计算估计蒙气差，对参考星进行蒙气差补偿；计算星敏感器对地姿态，将观测星重投影到地理坐标系下，计算观测蒙气差和蒙气差误差；如果观测蒙气差与估计蒙气差不重合，则根据蒙气差误差调整蒙气差系数，重新补偿参考星并计算姿态，直到观测蒙气差与估计蒙气差重合，获得星敏感器大气折射与对地姿态联合估计结果。本发明实现了星敏感器大气折射的实时自主估计和消除，不依赖外部传感器，不受经验公式约束。

技术领域

本发明涉及星敏感器技术领域，具体涉及一种地基星敏感器大气折射与对地姿态的联合估计方法。

背景技术

星敏感器是一种以恒星作为参考，经星图摄影、星点质心定位、星图识别/跟踪、姿态解算等处理步骤，获得空间三轴姿态的嵌入式传感设备。作为目前姿态测量精度最高的仪器，星敏感器已在各类航行载体上得到广泛应用。对于近地面空间载体使用的星敏感器，如弹载、机载、船载等星敏感器，统称为地基星敏感器(terrestrial star tracker)。这类星敏感器为了实现高精度的三轴姿态测量，必须要克服星光大气折射(蒙气差)导致的测量误差问题。

目前常用的蒙气差校正方法主要是经验公式法，该方法将恒星天顶距(视天顶距/真天顶距)和测站大气参数(气温、气压、湿度等)代入经验蒙气差多项展开式，计算得到经验蒙气差大小，使用经验蒙气差校正恒星天顶距，可以在一定程度上减小三轴姿态测量误差。然而该方法依赖大气参数传感器，如温度、湿度、气压传感器等，并受传感器误差及经验公式误差的影响。如果使用的经验蒙气差公式是关于视天顶距的，则还需要依赖星敏感器的先验姿态，会进一步降低蒙气差估计的准确性。

此外还有一些利用星光大气折射中的不变量进行蒙气差估计的方法，如利用星光大气折射前后方位角不变的特点，可以先估计天顶方向，再估计出蒙气差；还有利用星间角距不变原则构建卡尔曼滤波方程估计蒙气差系数的方法。但是这些方法都不能同时满足实时性与最优性的要求，所以难以投入实用。

发明内容

本发明的目的在于克服以往蒙气差修正方法的不足，提出了一种同时满足实时性与最优性要求的基于大气折射系数反馈优化的地基星敏感器姿态估计方法。该方法依据星光大气折射简化模型、星图识别结果、天文坐标系转换链、QUEST姿态解算特点以及蒙气差与最优姿态的关系，构造了大气折射系数反馈机制，可以使大气折射系数反馈寻优并实时获得地基星敏感器的最优对地姿态。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种地基星敏感器大气折射与对地姿态的联合估计方法，包括以下步骤：

步骤S100，星敏感器拍摄星图，经过星图识别得到观测星与参考星匹配关系；

步骤S200，根据观测时间和地点将所述参考星转换到地理坐标系下，得到所述参考星的真天顶距；

步骤S300，得到所述地理坐标系下蒙气差补偿后的参考星矢量；

步骤S400，得到星敏感器坐标系到所述地理坐标系的姿态余弦矩阵；

步骤S500，基于所述姿态余弦矩阵，得到蒙气差误差；

步骤S600，对所述蒙气差误差进行线性最小二乘拟合，得到拟合斜率和截距，若拟合斜率绝对值大于截止条件，则使大气折射系数估计值叠加反馈增益，反馈增益与拟合斜率正相关，并返回步骤S300；若拟合斜率绝对值小于截止条件，则终止迭代，得到最优大气折射系数和补偿过大气折射误差的星敏感器对地姿态。

进一步的，步骤S100中，所述星敏感器拍摄观测星图，获得成像面上星点坐标，得到星敏感器坐标系下所有观测星矢量，再进行星图识别，得到观测星与导航星表上参考星的匹配关系。