[发明专利]一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法，属于姿态测量技术领域。

(二)背景技术

载体的姿态参数是导航系统中的重要参数，主体上大都采用惯性导航系统来得到载体的姿态。虽然惯性导航系统具有技术成熟、精度高、数据输出率高的优点，但存在着设备复杂、价格昂贵等缺点，并且随着时间累积，会出现漂移问题，因而往往需要其它导航方式的辅助修正漂移。

星敏感器是一种以恒星作为观测目标确定载体相对于赤道惯性坐标系绝对空间姿态的高精度姿态敏感器，具有精度高、不受电磁干扰、隐蔽性好、可靠性高、没有时间漂移等优点。赤道惯性坐标系即X_i轴指向春分点Υ、Z_i轴指向天北极的地心惯性坐标系，星敏感器直接测得的就是相对于该惯性空间的绝对姿态。如果期望基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态，还需要确定载体位置，并利用精密时钟确定春分点的格林时角(GHA_Υ)。该套装置获得的姿态测量结果，也可以辅助完成惯导初始对准及载体飞行过程中对陀螺的漂移修正。

计时仪器制造相对容易、成本低、精度高，我国研制的铯原子钟1500万年不差1秒，世界最精准原子钟3亿年误差不到1秒。天文观测数据及拟合公式计算结果的精度，也远高于导航的工程实际需求。精密时间主要通过国家授时中心的授时得到，或利用GPS接收机定时功能，测得钟差得到精密计时，最后得到格林尼治真恒星时(GAST)，也即GHA_Υ。

获得载体的地理位置，可以利用惯导系统，或卫星导航系统，或基于地面测量站遥测，或依据载体轨道动力学解算，或航迹推算等方法。卫星导航系统包括美国的GPS、我国的北斗卫星导航系统、俄国的GLONASS、欧洲的Galileo卫星导航系统，通过接收卫星的发射信号并进行数据处理，从而求得载体的地理位置，以下以导航型GPS接收机为例叙述，所述方法适用于其它定位终端或方法。

基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的系列环节中，关键环节就是求得赤道惯性坐标系到地球坐标系的转换矩阵。地球本身就是一个大转台，载体随地球旋转而旋转，从相对运动角度看，赤道惯性坐标系X_i轴所指向的春分点Υ沿天赤道相对地球至东向西转动，GHA_Υ可以由精密计时获得，如图1所示，根据GHA_Υ就可以计算赤道惯性坐标系到地球坐标系的转换矩阵。GHA_Υ也可以由GPS获得，GPS导航电文中提供了一周开始时刻的格林尼治真恒星时GAST_w，利用该信息可以得到该周任意时刻的GAST。

经文献检索发现，中国发明专利申请号201010215336.1，名称：基于CCD星敏感器的对准方法，该专利涉及到了利用计时来获得赤道惯性坐标系到地球坐标系的转换矩阵，但该方法使用的是查表法，手工查表意味着不能实现完全自动化，并且关于具体的实施方案描述也不够完善，制约了工程化。本专利提供的赤道惯性坐标系到地球坐标系的转换矩阵的计算方法，不需手动输入任何参数，利用相关公式和精密计时实现实时自动化地获取赤道惯性坐标系到地球坐标系的转换矩阵，再配合星敏感器、GPS设备的输出，从而得到载体相对于地理坐标系的姿态。

(三)发明内容

1.目的：本发明的目的是提供一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法，它充分利用了星敏感器、计时仪器高精度的特点，利用外界测量的载体位置信息，自动实时地得到载体相对于地理坐标系的姿态信息，方便工程应用。

2.技术方案：本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种基于星敏感器确定载体相对于地理坐标系姿态的方法，它包括如下步骤：

步骤一：依靠精密计时和格林尼治恒星时精确公式，或直接利用GPS授时及电文解算方式，获得测量时刻的GHA_Υ，如图1所示，从而求取从赤道惯性坐标系i系到WGS-84坐标系w系的转换矩阵C_wi；

步骤二：由外界信息或定位测量设备获得载体的精确地理坐标，求取从w系到地理坐标系t系的转换矩阵C_tw；

步骤三：依靠星敏感器，获得从i系到星敏感器坐标系s系的转换矩阵C_si。