静基座初始对准条件下星敏感器精度测试方法

【摘 要】 提出了一种在初始对准条件下星敏感器精度测试方法。将星敏感器与陀螺、加速度计同轴安装，利用陀螺、加速度计数据与卡尔曼滤波算法，使星敏感器的三轴指向与地理坐标系精确对准，可以计算出测试时刻的理论输出值，将理论输出值与实际输出值比对，给出星敏感器的测角精度。

【关键词】 星敏感器 精度评估 初始对准 经纬仪 卡尔曼滤波

1 引言

星敏感器的测角精度在几个角秒到几十个角秒不等，传统的方法主要依赖于高精度的模拟器，但是模拟器毕竟只是模拟输入，与真实星空不尽相同，测试数据也定与真实数据较有更大的差距。本文在利用经纬仪准直法保证陀螺、加表与星敏感器三轴平行安装的情况下，利用卡尔曼滤波算法实现北东地地理坐标系与星敏感器测量坐标系对准，通过坐标变换把星敏感器实测数据与理论数据转换到同一坐标系下，从而实现在实际星空下对星敏感器精度的评估。

2 星敏感器测量坐标系与地理坐标系固连

将星敏感器固定在地球上，那么星敏感器则随着地球转动，只要将星敏感器的测量坐标系与地理坐标系精确固连，根据坐标系转换则可以实现对星敏感器测角精度的评估。所谓的精确固连，就是精确确定星敏感器测量坐标系与地理坐标系的转换矩阵，或者利用某种手段使星敏感器测量坐标系与地理坐标系精确对准，而现有的对准技术主要依赖于陀螺和加表，那么只要陀螺和加表与星敏感器平台安装，且实现陀螺加表的测量坐标系与星敏感器测量坐标系的精确标定，星敏感器测量坐标系与地理坐标系的对准问题就转化为陀螺和加表测量系与地理坐标系的对准问题，而陀螺和加表与地理坐标系的对准问题可以利用成熟的卡尔曼滤波算法实现，通过经纬仪布站方法可以实现陀螺加表坐标系与星敏测量坐标系转换矩阵的标定。

2.1 陀螺加表测量坐标系与星敏感器测量坐标系转换矩阵的确定

通过精加工安装支架可以实现星敏感器与陀螺加表测量坐标系指向相同，实际安装时无法做到转换矩阵是绝对的单位阵，这就需要用经纬仪布站的方法测量转换矩阵，需要4台经纬仪，记为T1、T2、T3、T4，实际测量时，T1、T2与星敏感器立方晶自准直建立星敏感器测量坐标系，用同样方法通过T3，T4建立惯测组合测量坐标系，再通过T1、T3互瞄可以得到陀螺加表测量坐标系与星敏感器测量坐标系的的转换关系，近似于单位阵。

2.2 陀螺加表测量坐标系与北天东地理坐标系的对准

本文为了利用陀螺与加表的数据使星敏感器的测量坐标系与北东天地里坐标系对准，引进卡尔曼滤波器。依照文献[3，4]的方法在实验前进行初始对准，与捷联惯导系统不同的是，本文的实验前可以有足够长的对准时间，经过一定时间的收敛，北向、东向的对准误差为20″，天向的对准误差为390″，北向、东向的对准误差影响星敏感器天向精度，天向的对准误差影响星敏感器水平向的精度。

3 实验时刻星敏感器理论输出数据的求取

实验时，星敏感器随着地球转动，输出的姿态数据变化值与地球转速相对应，经过初始对准与经纬仪自准直，星敏感器的测量系已经与地理坐标系精确固连，而星敏感器测量的J2000系下的姿态四元数，此时星敏感器输出的姿态受到包括岁差、章动、极移、地球自转、测试地点经纬度、陀螺加表测量系与星敏感器测量坐标系转换阵、卡尔曼滤波器初始对准误差诸多因素的影响，可以用坐标变换与误差传递原理扣除这些影响实现星敏感器绝对精度的评估，具体流程如图1。

坐标变换内的参数具为公知常识，可以依照参考文献[2]计算，限于篇幅这里不再详述。

4 静基座初始对准条件下精度测量的实现与数据处理

根据第四节的理论，t时刻星敏感器的理论输出应该为：

（1）

可以进行精度评估的姿态四元数应为Q0与星敏感器实际输出四元数Q差乘后的四元数，即：

（2）

计算三轴误差角：

（3）

扣除经纬仪对准误差与初始对准误差，可以得到一定时间内的误差曲线如图2。

从图2可直观的看出此被测星敏感器的测量精度，光轴方向较大，其他两轴的精度小些，但是总体上还是偏大的，一方面和星敏感器的技术状态，一方面为理论设计精度与实际测试精度必然有差异，还有就是涉及到天地系统下光学仪器的校准还是会引入其他的系统误差，如大气折射，地基平稳度等等，从图2可以看出短短的十分钟误差波动还是比较明显的，但是星敏感器的实际测量误差一定在这个数值之内，较之传统的测量方法，更加具有工程实际意义。

5 结语

为了在实际星空条件下，精确测定星敏感器的精度，提出利用陀螺加速度计数据与卡尔曼滤波算法，使星敏感器与地理坐标系精确对准，根据星敏感器定姿原理，将测试时刻实际数据与理论输出比对，实测值表明，此方法测得数值，具有更加令人信服的工程实际价值。

参考文献：

[1]刘垒，张路，郑辛，等.星敏感器技术研究现状及发展趋势[J].红外与激光工程2007，36（S）：529-533.

[2]刘林.航天器轨道理论，17-27.

[3]房建成，祝世平，等一种新的惯导系统静基座快速初始对准方法.北京航空航天大学学报，1999年12月25卷第6期.

[4]柳明，向礼等一种新的惯导平台静基座快速初始对准方法.上海航天，2010年第5期.