一種天基探測基準標定裝置及方法與流程

本發(fā)明屬衛(wèi)星空間遙感領域，特別涉及天基探測基準標定裝置及方法。

背景技術：

衛(wèi)星在軌執(zhí)行對地遙感和空間目標探測任務，其探測基準標定精度直接決定探測目標的定位精度。對于采用掃描成像方式的星上相機，天基探測基準與星上相機掃描鏡轉動角度、衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道位置相關。由于衛(wèi)星平臺的基準為星敏感器，因此天基探測的在軌基準必須與星敏感器建立聯系。

地球靜止軌道環(huán)境業(yè)務(GOES)系列衛(wèi)星等國外遙感衛(wèi)星的天基探測基準標定采用星上相機恒星觀測與星敏感器姿態(tài)確定聯合的方法。該方法需解決衛(wèi)星的星體在不同太陽光照條件下受熱不均勻，造成星上相機內部的掃描鏡及其安裝面、相機整機及其安裝面、星敏感器及其安裝支架結構變形的標定問題。根據GOES系列衛(wèi)星的在軌數據，熱變形對天基探測基準標定影響最大可達1000微弧，對應靜止軌道衛(wèi)星星下點投影的變化范圍約為33km。對于天基探測精度要求較高的衛(wèi)星，如何減小熱變形對天基探測基準的影響，顯得至關重要。

技術實現要素：

本發(fā)明解決的問題是現有天基探測基準的精度受溫度影響大；為解決所述問題，本發(fā)明提供一種天基探測基準標定裝置及方法。

本發(fā)明提供的天基探測基準標定裝置包括：安裝于掃描鏡背部的陀螺，所述陀螺測量慣性坐標系下掃描鏡法線向量；安裝于相機光機主體靠近探測器位置的光纖陀螺；安裝于相機光機主體外靠近探測器基座上的星敏感器，星敏感器和光纖陀螺組合測量慣性坐標系下的探測器基準向量。

本發(fā)明還提供天基探測基準標定方法，采用本發(fā)明所提供的天基探測基準標定裝置，包括：

步驟一、陀螺測量慣性坐標系下掃描鏡法線向量；

步驟二、星敏感器和光纖陀螺組合測量慣性坐標系下的入射光線的向量；

步驟三、根據掃描鏡的空間指向和探測器中目標成像的位置向量，確定目標在慣性空間的指向。

進一步，所述慣性坐標系下掃描鏡法線向量為：為掃描鏡法線在掃描鏡坐標系的向量，G_A2為陀螺實時測量的姿態(tài)矩陣，A_G2為陀螺的安裝矩陣。

進一步，慣性坐標系下的入射光線的向量為：為探測器坐標系的光線向量，A₁為探測器的安裝矩陣，G_A1為光纖陀螺和星敏感器聯合實時測量的姿態(tài)矩陣，A_G1為光纖陀螺的安裝矩陣。

進一步，目標反射光線在慣性系的向量為：為慣性坐標系下的入射光線的向量，R為掃描鏡的反射作用矩陣，N_x，N_y，N_z為掃描鏡法線向量在慣性系的分量。

進一步，R的標定方法包括：步驟3.1、T0時刻采用探測器觀恒星，得到恒星在慣性系的向量為恒星在探測器坐標系的位置為姿態(tài)矩陣為G_T0，探測器上成像的恒星在慣性系的向量為

步驟3.2、根據反射物象共軛原理建立觀測恒星在慣性系與實際恒星在慣性系的關系：R_o為T0時刻掃描鏡的反射作用矩陣，N_ox，N_oy，N_oz為T0時刻掃描鏡法線向量在慣性系的分量；

步驟3.3、第二次采用探測器觀恒星，第二次觀星時刻的反射作用矩陣為：

Δ_x，Δ_y，Δ_z為兩次觀星時間間隔內陀螺測量的掃描鏡法線向量角度增量在慣性系的分量；

步驟3.4、聯合兩次觀測恒星在慣性系與實際恒星在慣性系的關系，求解R_o。

進一步，陀螺安裝面的溫度控制變化為±0.5K。

本發(fā)明的優(yōu)點包括：

通過在掃描鏡的背部安裝陀螺，在距探測器盡可能近的地方安裝光纖陀螺，減少了因為熱變形引起的對掃描鏡和探測器測量的誤差，從而提高天基探測基準標定精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的天基探測基準標定裝置的機構示意圖。

具體實施方式

由背景技術可知，現有天基探測基準標定方法受熱變形影響大。星上相機與衛(wèi)星平臺之間采用固連方式，通過掃描鏡運動實現連續(xù)成像，為了減少測量路徑上的變形對標定精度的影響，如圖1所示，本發(fā)明的實施例中掃描鏡02背部安裝陀螺03，用于測量慣性坐標系下的掃描鏡02法線向量。所述陀螺03采用高帶寬陀螺，帶寬一般為幾百赫茲以上，具體可以根據應用環(huán)境確定。由于掃描鏡法線向量在慣性系的變化包含衛(wèi)星姿態(tài)角變化，無法獨立確定掃描鏡角度變化，因此同時在相機01光機主體靠近探測器位置的基座上安裝光纖陀螺04，為減小熱變形的影響，所述光纖陀螺04的安裝位置可以盡可能接近探測器；并在相機光機主體外靠近探測器的基座上安裝星敏感器，通過星敏感器和陀螺組合聯合測量慣性坐標系下的探測器基準向量。該方案較于傳統(tǒng)天基探測基準標定方案的優(yōu)勢在于無需考慮熱變形影響。

本發(fā)明實施例提供的天基探測基準標定方法以首次觀測恒星的時刻為陀螺的測量初始時刻，在標定周期內根據陀螺的測量數據確定掃描鏡的空間指向，再根據探測器中目標成像的空間位置向量，確定成像目標在實際慣性空間的指向。整個測量過程受熱變形影響小，標定精度高。具體包括：

步驟一、設掃描鏡法線在掃描鏡坐標系的向量為陀螺實時測量的姿態(tài)矩陣為G_A2，陀螺的安裝矩陣為A_G2，則可得掃描鏡法線在慣性系的向量

由于陀螺存在測量誤差隨時間變大的特性，所以在本實施例中，先對陀螺的測量誤差進行校正，再進行實時測量。在軌可采用相機觀星方式對陀螺誤差進行標定，根據恒星在探測器的成像位置計算出恒星矢量的慣性系指向，并根據恒星庫信息對比計算指向偏差，根據該偏差校正高精度陀螺的誤差。由于衛(wèi)星在工作段的視場范圍包含冷空間，故可根據相機全區(qū)域掃描過程中敏感到的恒星信息，根據上述標定方法對陀螺誤差進行周期性標定。

步驟二、設探測器坐標系的光線向量為安裝矩陣為A₁，光纖陀螺和星敏感器聯合實時測量的姿態(tài)矩陣為G_A1，光纖陀螺的安裝矩陣為A_G1，則可得入射光線在慣性系的向量

步驟三、根據反射物象共軛原理，利用掃描鏡的空間指向和探測器中目標成像的位置向量，得到反射光線即相機視線在慣性系的向量，確定目標在慣性空間的指向：

其中，R為掃描鏡的反射作用矩陣，可表示為

其中，N_x，N_y，N_z為掃描鏡法線向量在慣性系的分量。

反射作用矩陣R的測量基準需要通過恒星觀測標定進行確定，標定方法包括：

步驟3.1、設T0時刻觀測的恒星在慣性系的向量為T0時刻在探測器成像的恒星在探測器坐標系的位置為通過星敏感器和探測器附近安裝的陀螺聯合確定的T0時刻姿態(tài)矩陣G_T0，能夠計算得到探測器上成像的恒星在慣性系的向量為

步驟3.2、根據反射物象共軛原理建立觀測恒星在慣性系與實際恒星在慣性系的關系：

其中，R_o為掃描鏡的反射作用矩陣，可表示為

其中，N_ox，N_oy，N_oz為掃描鏡法線向量在慣性系的分量。

通過以上關系中已知的變量和能夠反解R_o，共包含3個待解參數。由于觀測一次恒星能夠確定兩維參數，因此需要觀測兩次恒星。

步驟3.3、第二次觀星時刻的反射作用矩陣為：

其中，Δ_x，Δ_y，Δ_z為兩次觀星時間間隔內陀螺測量的掃描鏡法線向量角度增量在慣性系的分量。

步驟3.4、根據兩次觀星參數，反解得到R_o，通過R_o和下次觀星時間間隔內陀螺測量的掃描鏡法線向量角度增量在慣性系的分量，確定下次觀星時刻的反射作用矩陣R。

進一步，為了精確獲取掃描相機每個曝光時刻的掃描鏡中心法線慣性角度信息，需要安裝在掃描鏡上的陀螺輸出頻率與掃描相機曝光頻率一致?？紤]到工程可行性，可適當降低陀螺數據更新率的指標要求，同時從應用需求角度需進一步對掃描相機速度均勻性提出要求。通過星上活動部件頻率(掃描鏡工作過程中的制冷機工作頻率約70Hz，反作用飛輪和天線振動頻率約25Hz，掃描頻率0.5Hz)分析，考慮各種干擾的2倍頻及25％的頻率余量，提出陀螺數據更新頻率要求為不小于200Hz。

從工程實現角度考慮，由于陀螺安裝在掃描鏡背部，為保證掃描鏡法線方向光線的一致性，陀螺安裝面的溫度控制變化要求為±0.5K。由于星上掃描相機后光路部分采用冷光學設計，溫控要求較高，因此探測器部分的變形量相對較小，探測器光軸一致性較高。考慮到掃描鏡采用直流電機閉環(huán)控制方式，其運動過程中的抖動將直接影響陀螺的測量數據精度和有效性。因此，陀螺的使用需要考慮工作環(huán)境的影響。

以本發(fā)明專利的方法建立了某衛(wèi)星天基探測標定模型，仿真計算其在軌標定的指標滿足度。根據指標理論分析數據，對比仿真計算數據如表1所示，表中數據顯示該方法計算天基探測基準標定的誤差不超過5％，驗證了本方法的準確性。

表1基于恒星觀測模型的天基探測基準標定指標與仿真結果對比

本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發(fā)明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。