[发明专利]一种小视场星敏感器的单星及双星定姿方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种星图识别和姿态确定方法，具体地说是一种小视场星敏感器的单星及双星定姿方法。

背景技术

精确的姿态信息是航天器完成航天任务的基础。能够提供姿态信息的测量器件有很多，但是精度最高应用最广泛的是星敏感器。星敏感器的姿态确定过程分为：星空成像、星点提取、星图识别和姿态计算四个步骤。

星空成像和星点提取属于星图的预处理阶段，通过阈值分割算法可以将星点信息与星图的背景分离开来，利用连通域法或者多阈值聚类的方法将星点目标区分开来，最后使用质心法或者高斯曲面法等质心提取方法将星点的位置和亮度等信息提取出来。星点的位置和亮度等信息是星图识别阶段最重要的信息，星图识别的结果直接影响到姿态解算的精度。随着星敏感器的发展，出现了许多的星图识别算法，例如三角形算法、多边形算法、栅格算法等。然而目前的星图识别算法都要求视场内的星点达到一定的数目，即使是要求最低的三角形算法也至少需要三颗星才能够进行星图识别，对于视场内只有两颗星或者一颗星的情况无能为力，这就限制了这些算法在小视场星敏感器中的应用。但是在小型卫星上，为了降低成本和体积，小视场星敏感器的应用还是很多的，如果使用传统星图识别和姿态计算方法，当视场内只有一颗或者两颗星时不能够进行星图识别，此时就不能实时输出姿态信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种视场内只有一颗或者两颗星的情况下也能够实时估计载体的姿态的小视场星敏感器的单星及双星定姿方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：判断视场内恒星的数目，若视场内恒星数目不小于3，利用三角形算法进行识别，若识别成功，则计算并输出姿态，否则跳到步骤四；

步骤二：若视场内恒星数目为1，利用上一时刻的姿态信息和陀螺输出信息进行星点识别，若识别成功，则结合卡尔曼滤波实时估计当前姿态，否则跳到步骤四；

步骤三：若视场内恒星数目为2，利用上一时刻的姿态信息、陀螺输出信息和星点的亮度和位置信息进行星图识别，若识别成功，用双矢量算法计算姿态，否则跳到步骤四；

步骤四：星图识别失败后利用陀螺信息估计当前时刻姿态。

本发明基于卡尔曼滤波对视场内单星及双星定姿技术进行研究。当视场内只有一颗星时，利用上一时刻的姿态信息和陀螺输出信息对其进行识别，识别成功后根据四元数姿态动力学建立状态方程，然后以单星位置信息作为观测量并使用卡尔曼滤波实时估计当前的姿态信息。当视场内有两颗星时，利用上一时刻的姿态信息、陀螺输出信息以及两颗星的角距及亮度等信息进行星图识别，识别成功以后直接使用双矢量定姿的方法计算载体的姿态。

本发明的优点主要体现在：

1、本发明在视场内只有一颗星和两颗星的情况下仍然能够进行星图识别并计算载体姿态，打破了传统算法的限制，提高了姿态计算的精度。

2、本发明适用于小视场的星敏感器，对于小型、低成本卫星的姿态确定有着重要的意义。

附图说明

图1是单星识别示意图；

图2是双星识别示意图；

图3星敏感器视场为6°×6°时航向角的对比曲线；

图4星敏感器视场为4°×4°时航向角的对比曲线；

图5星敏感器视场为3°×3°时航向角的对比曲线；

图6是本发明的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施实例对本发明作进一步的详细说明。结合图6本发明具体包括如下步骤：

步骤一：判断视场内恒星的数目，若视场内恒星数目不小于3，利用三角形算法进行识别，若识别成功，则计算并输出姿态，否则跳到步骤四；

步骤二：若视场内恒星数目为1，利用上一时刻的姿态信息和陀螺输出信息进行星点识别，若识别成功，则结合卡尔曼滤波实时估计当前姿态，否则跳到步骤四；

具体是实现步骤为：

步骤A：根据载体上一时刻的姿态信息和陀螺的输出信息计算载体当前时刻的姿态；

步骤B：利用星敏感器与载体之间的安装矩阵计算星敏感器视轴的方向矢量P；

使用下标b代表载体坐标系，上标i代表惯性坐标系，当前时刻由陀螺计算得到的载体系到惯性坐标系的转换矩阵为用下标s代表星敏感器坐标系，则星敏感器坐标系到惯性坐标系的转换矩阵为星敏感器的视轴方向即为星敏感器坐标系的z轴方向，方向矢量P即为的第三列元素；

步骤C：利用P从星表中选择落入视场中的星，并将其投影到拍摄星图中；