[发明专利]一种基于双轴水平仪的单星定向方法

说明书

本发明提供一种基于双轴水平仪的单星定向方法，利用双轴水平仪的测量的两轴不水平度信息，实现了对单天体目标的观测持续输出定向测量，大大减小了伺服式星敏感器在多个天体间切换时带来的天体预测和姿态变化带来的问题，使得在成功捕获1个天体后便可依靠脱靶量实现长期持续高更新率测量，而不再需要对多个天体进行同时跟踪，减少了对观测天体数量的需求；本发明特别适合全天时天文定向设备在昼间凝视单一目标并保持跟踪，在昼间还可以改用太阳等明显目标进行姿态测量，光电探测的难度大大降低，提高了天文定向的数据更新速率和测量精度。

技术领域

本发明属于绝对姿态测量领域，尤其涉及一种基于双轴水平仪的单星定向方法。

背景技术

伺服式星敏感器旨在解决地面天文位姿测量时的全天时观测问题。伺服式星敏感器的小视场设计在解决昼间天体可观测性的同时，也使得天体观测由被动捕获变成了主动寻星。主动寻星过程包括天体预测、运动补偿、稳像跟踪等，实现难度大。而根据姿态解算原理可知，需要对2个及以上互不平行的空间矢量进行观测才可获得姿态信息。为此，伺服星敏感器需要持续改变观测目标以实现姿态观测。

目前关于伺服式星敏感器的定向方法，尚未有单星观测定向的方法，亦尚未有基于双轴水平信息的融合方法公布相关专利。

根据相关检索，目前伺服式星敏感器一般采用主动式寻星观测的方法进行姿态测量。该方法利用先验信息，预测3至5个天体的指向，并利用概略姿态信息引导伺服进行观测。该方法在准静态条件下表现尚可；在动态条件下，受载体运动的影响，靠后观测的目标极易脱出观测视场；纵然一些星敏感器使用了陀螺等惯性器件对观测过程中载体的姿态变化进行补偿，较小的观测视场仍然不能保证可靠的观测。

单星跟踪凝视在控制策略中使用脱靶量进行控制反馈，控制的鲁棒性大大增强。一些天文引北的大地天文测量中常采用此方法定向，但其测量前提是保证测量设备的精调水平。这对于动态载体而言是难以实现的。

综上所述，目前还没有一种便捷的单星定向测量方法能够在高动态条件下实现高更新率稳定可靠地定向。多星联立求解不仅控制策略复杂，而且解算参考系转换困难，难以得到高精度的方位信息。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于双轴水平仪的单星定向方法，通过对双轴水平仪冗余的不水平信息的测定，实现了单天体目标的定向测量，提高了天文定向的数据更新速率和测量精度。

一种基于双轴水平仪的单星定向方法，包括以下步骤：

S1：将星敏感器上的六面棱体任意两个正交的侧面分别记为第一侧面和第二侧面，并将矢量v_right在准地平参考系X_n轴和Z_n轴上的分量分别记为t₄和t₆，其中，矢量v_right通过将第二侧面的法向矢量绕准地平参考系Z_n轴旋转设定方位角后得到；

S2：按照如下公式计算t₄和t₆：

其中，α为星敏感器上的双轴水平仪参考系X_s轴与六面棱体参考系X轴之间的夹角，和分别为双轴水平仪在X_s和Y_s轴上的测量示数，和分别为双轴水平仪在X_s和Y_s轴上的测量零偏；

S3：将单个天体在棱体参考系下的观测矢量记为v_PRI，并将星表中查询得到的单个天体在惯性参考系的参考矢量记为v_GND，且v_GND与v_PRI满足如下关系：