[发明专利]基于三点反射合作的卫星指向与姿态测量方法与装置

摘要

基于三点反射合作的卫星指向与姿态测量方法与装置属于测量测试领域中角度测量技术；该装置在待测小卫星上配置了三个角锥棱镜，此三个角锥棱镜在平面内构成法向量不随待测小卫星转动而发生改变的直角三角形，基准小卫星的激光器正对着三个角锥棱镜构成的直角三角形斜边中点位置，建立待测小卫星上处于直角边上的两个角锥棱镜间的距离与它们在基准小卫星上的投影距离的数学关系，该方法利用这种数学关系对待测小卫星相对基准小卫星的基线偏转角和空间姿态角进行测量；该装置和方法仅通过对待测小卫星相对基准小卫星的角度进行测量就可以间接获得待测小卫星相对于基准小卫星的指向和空间姿态，测量装置简单，测量结果准确。

主权项

基于三点反射合作的卫星指向与姿态测量方法，其特征在于包括以下步骤：a、第一时刻，激光器发射的激光束经分光棱镜透射，再由第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜反射后，沿原路返回，第二次经过分光棱镜反射后经望远镜成像，并由图像传感器采集，并将图像数据输送给计算机进行处理；通过数学运算，得到在不考虑望远镜放大率的情况下的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d1和第二角锥棱镜与第三角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d2；b、根据基准小卫星的轨道半径r1、待测小卫星的轨道半径r2、待测小卫星上第一角锥棱镜与第二角锥棱镜之间的距离l1，利用第a步得到的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d1，用计算式： d 1 = l 1 r 1 - r 2 cos α r 1 2 + r 2 2 - 2 r 1 r 2 cos α 求得基准小卫星转动半径与待测小卫星转动半径的夹角α；c、根据基准小卫星的轨道半径r1、待测小卫星的轨道半径r2、待测小卫星上第二角锥棱镜与第三角锥棱镜之间的距离l2，利用第a步得到的第二角锥棱镜与第三角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d2，以及第b步得到的基准小卫星转动半径与待测小卫星转动半径的夹角α，并且设基准小卫星的坐标为(r1，0，0)，用计算式： h = l 2 2 - d 2 2 r 1 2 + r 2 2 - 2 r 1 r 2 cos α d 2 求得基准小卫星所在转动平面与待测小卫星所在转动平面的距离h，待测小卫星的坐标为(r2 cosα，r2 sinα，h)；d、第二时刻，激光器发射的激光束经分光棱镜透射，再由第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜反射后，沿原路返回，第二次经过分光棱镜反射后经望远镜成像并由图像传感器采集，并将图像数据输送给计算机进行处理；通过数学运算，得到第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d′1；e、根据基准小卫星的轨道半径r1、待测小卫星的轨道半径r2、待测小卫星上第一角锥棱镜与第二角锥棱之间的距离l1，第二角锥棱与第三角锥棱之间的距离l2，利用第a步得到的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d1，第b步得到的基准小卫星转动半径与待测小卫星转动半径的夹角α，第d步得到的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d′1，用计算式： β = arcsin l 1 d 1 ′ ( r 1 - r 2 cos α ) l 2 d 1 r 1 2 + r 2 2 - 2 r 1 r 2 cos α - arcsin r 1 - r 2 cos α r 1 2 + r 2 2 - 2 r 1 r 2 cos α 求得相对第一时刻，基准小卫星和待测小卫星所转过的角度，并且得到此时基准小卫星的坐标为(r1 cosβ，r1 sinβ，0)、待测小卫星的坐标为(r2 cos(α+β)，r2 sin(α+β)，h)；f、根据基准小卫星的轨道半径r1，待测小卫星的轨道半径r2，利用第b步得到的基准小卫星转动半径与待测小卫星转动半径的夹角α，以及第c步得到的基准小卫星所在转动平面与待测小卫星所在转动平面的距离h，用计算式： d = r 1 2 + r 2 2 - 2 r 1 r 2 cos α + h 2 得到基准小卫星和待测小卫星之间的距离d。