[发明专利]一种高精度星敏感器外场精度测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度星敏感器外场精度测试方法，尤其涉及一种基于地球自转模型与功率谱分析的高精度星敏感器外场精度测试方法，属于测试技术领域。

背景技术

星敏感器是卫星重要的定姿设备，星敏感器的精度指标反映产品性能的一项重要指标，其精度验证是产品研制过程中的一个重要环节。按照ESA标准，星敏感器的误差根据误差变化周期的不同可划分为三项：长期误差、低频误差和高频误差。

目前星敏感器地面精度测试包括室内测试和外场测试两种方法，其中外场测试是星敏感器精度的最“真实”测试方法，外场测试有两种测试方式：自测法和外测法。外测法是将产品的姿态数据与严格同步的高精度天文望远镜观测结果进行比对，得出测量结果，其对测试设备的精度要求很高，测试结果的真实性主要与测试设备相关。自测法是利用精确的地球自转模型，将与地球固连的产品姿态数据推算至历元时刻，得到历元时刻的精确姿态，以此姿态作为起始，利用地球自转数据，计算各个观测时刻的测量真值，测量值与真值之差即为产品的测量误差。自测法可获得除常偏之外的所有姿态测量误差项，是目前外场精度测试最常用的测试方法，其测试结果的真实性主要与地球自转模型的精度相关。由于常值偏差是星敏感器长期在轨运行由其内部变形和安装位置改变等因素引起的误差，地面无法对其进行测试。但目前无论是用自测法还是外测法都只能得到星敏感器除常偏以外的所有姿态测量误差，即低频误差与高频误差项的和，无法将总误差分离获得星敏感器的低频误差和高频误差的实测值。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度星敏感器外场精度测试方法，该方法可获得精确的地球自转模型，得到真实的星敏感器误差，同时可对星敏感器误差进行分离，获得低频误差和高频误差项，有助于进一步改善星敏感器的精度指标。

本发明的技术解决方案是：一种高精度星敏感器外场精度测试方法，步骤如下：

(1)星敏感器通过观测星空对恒星进行匹配识别，得到卫星需要的姿态四元数和星图样本；

(2)将天文学中的J2000地心惯性系转换到观测初始时刻的地心惯性系，实现对J2000地心惯性系的岁差补偿，将J2000地心惯性系的岁差修正至观测初始时刻对应的地心惯性系；

(3)利用地球自转角速度值ω，第一帧星图对应时刻的地心惯性系按照曝光时间间隔序列ΔT_i分别绕Z轴旋转，得到后续各帧星图对应时刻的虚拟地心惯性系，第一帧星图对应时刻的地心惯性系为经过步骤(2)修正后的观测初始时刻对应的地心惯性系；

(4)利用地球自转模型将各帧星图中的导航星矢量坐标转换为各个虚拟地心惯性系下的矢量坐标；

(5)对经过步骤(4)处理的各帧星图导航星矢量坐标进行大气折射修正，建立各帧星图导航星矢量矩阵；

(6)对各帧星图恒星观测矢量阵以及经过步骤(5)建立的各帧星图导航星矢量矩阵，利用QUEST算法求解出第一帧星图的姿态真值；

(7)根据步骤(6)得到的第一帧星图的姿态真值和地球自转模型，按照坐标系旋转关系，递推出后续各帧星图的姿态真值；

(8)计算各帧星图姿态真值对应的坐标轴和姿态实测值对应的坐标轴之间的夹角误差，利用“画圆法”计算出短周期项误差；

(9)计算短周期项误差的功率谱密度分布，按照功率谱密度分布将短周期项误差划分为低频误差、高频误差以及时域误差，进而对低频误差、高频误差以及时域误差的功率谱进行分段傅里叶逆变换；

(10)对低频误差、高频误差以及时域误差对应不同频率带的误差样本进行误差分析，分别计算出低频误差、高频误差以及时域误差的数值；

(11)完成测试。

所述步骤(1)的实现过程为：将星敏感器放置于三轴转台上，将星敏感器光轴指向天顶，采集得到星敏感器输出的姿态四元数Q及观测星点信息集形成的星图样本；

姿态四元数是表征星敏测量坐标系在惯性坐标系下的姿态信息(Q＝[Q0,Q1,Q2,Q3])；

天顶为观测点和地心的连线与天球的交点；

观测星点信息包含对应星图的曝光时刻(Ti)、星点的行列坐标(Ui,Vi)和星点能量(Ei)。

所述步骤(2)中进行岁差补偿的方法为：

ξ＝2306.2181×t+0.30188×t²+0.017998×t³

Ζ＝2306.2181×t+1.09468×t²+0.018203×t³