本發(fā)明屬衛(wèi)星空間遙感領(lǐng)域，特別涉及天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星在軌執(zhí)行對(duì)地遙感和空間目標(biāo)探測(cè)任務(wù)，其探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定精度直接決定探測(cè)目標(biāo)的定位精度。對(duì)于采用掃描成像方式的星上相機(jī)，天基探測(cè)基準(zhǔn)與星上相機(jī)掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角度、衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道位置相關(guān)。由于衛(wèi)星平臺(tái)的基準(zhǔn)為星敏感器，因此天基探測(cè)的在軌基準(zhǔn)必須與星敏感器建立聯(lián)系。

地球靜止軌道環(huán)境業(yè)務(wù)(GOES)系列衛(wèi)星等國(guó)外遙感衛(wèi)星的天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定采用星上相機(jī)恒星觀測(cè)與星敏感器姿態(tài)確定聯(lián)合的方法。該方法需解決衛(wèi)星的星體在不同太陽(yáng)光照條件下受熱不均勻，造成星上相機(jī)內(nèi)部的掃描鏡及其安裝面、相機(jī)整機(jī)及其安裝面、星敏感器及其安裝支架結(jié)構(gòu)變形的標(biāo)定問(wèn)題。根據(jù)GOES系列衛(wèi)星的在軌數(shù)據(jù)，熱變形對(duì)天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定影響最大可達(dá)1000微弧，對(duì)應(yīng)靜止軌道衛(wèi)星星下點(diǎn)投影的變化范圍約為33km。對(duì)于天基探測(cè)精度要求較高的衛(wèi)星，如何減小熱變形對(duì)天基探測(cè)基準(zhǔn)的影響，顯得至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問(wèn)題是現(xiàn)有天基探測(cè)基準(zhǔn)的精度受溫度影響大；為解決所述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定裝置及方法。

本發(fā)明提供的天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定裝置包括：安裝于掃描鏡背部的陀螺，所述陀螺測(cè)量慣性坐標(biāo)系下掃描鏡法線向量；安裝于相機(jī)光機(jī)主體靠近探測(cè)器位置的光纖陀螺；安裝于相機(jī)光機(jī)主體外靠近探測(cè)器基座上的星敏感器，星敏感器和光纖陀螺組合測(cè)量慣性坐標(biāo)系下的探測(cè)器基準(zhǔn)向量。

本發(fā)明還提供天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定方法，采用本發(fā)明所提供的天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定裝置，包括：

步驟一、陀螺測(cè)量慣性坐標(biāo)系下掃描鏡法線向量；

步驟二、星敏感器和光纖陀螺組合測(cè)量慣性坐標(biāo)系下的入射光線的向量；

步驟三、根據(jù)掃描鏡的空間指向和探測(cè)器中目標(biāo)成像的位置向量，確定目標(biāo)在慣性空間的指向。

進(jìn)一步，所述慣性坐標(biāo)系下掃描鏡法線向量為：為掃描鏡法線在掃描鏡坐標(biāo)系的向量，G_A2為陀螺實(shí)時(shí)測(cè)量的姿態(tài)矩陣，A_G2為陀螺的安裝矩陣。

進(jìn)一步，慣性坐標(biāo)系下的入射光線的向量為：為探測(cè)器坐標(biāo)系的光線向量，A₁為探測(cè)器的安裝矩陣，G_A1為光纖陀螺和星敏感器聯(lián)合實(shí)時(shí)測(cè)量的姿態(tài)矩陣，A_G1為光纖陀螺的安裝矩陣。

進(jìn)一步，目標(biāo)反射光線在慣性系的向量為：為慣性坐標(biāo)系下的入射光線的向量，R為掃描鏡的反射作用矩陣，N_x，N_y，N_z為掃描鏡法線向量在慣性系的分量。

進(jìn)一步，R的標(biāo)定方法包括：步驟3.1、T0時(shí)刻采用探測(cè)器觀恒星，得到恒星在慣性系的向量為恒星在探測(cè)器坐標(biāo)系的位置為姿態(tài)矩陣為G_T0，探測(cè)器上成像的恒星在慣性系的向量為

步驟3.2、根據(jù)反射物象共軛原理建立觀測(cè)恒星在慣性系與實(shí)際恒星在慣性系的關(guān)系：R_o為T0時(shí)刻掃描鏡的反射作用矩陣，N_ox，N_oy，N_oz為T0時(shí)刻掃描鏡法線向量在慣性系的分量；

步驟3.3、第二次采用探測(cè)器觀恒星，第二次觀星時(shí)刻的反射作用矩陣為：

Δ_x，Δ_y，Δ_z為兩次觀星時(shí)間間隔內(nèi)陀螺測(cè)量的掃描鏡法線向量角度增量在慣性系的分量；

步驟3.4、聯(lián)合兩次觀測(cè)恒星在慣性系與實(shí)際恒星在慣性系的關(guān)系，求解R_o。

進(jìn)一步，陀螺安裝面的溫度控制變化為±0.5K。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：

通過(guò)在掃描鏡的背部安裝陀螺，在距探測(cè)器盡可能近的地方安裝光纖陀螺，減少了因?yàn)闊嶙冃我鸬膶?duì)掃描鏡和探測(cè)器測(cè)量的誤差，從而提高天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定精度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定裝置的機(jī)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

由背景技術(shù)可知，現(xiàn)有天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定方法受熱變形影響大。星上相機(jī)與衛(wèi)星平臺(tái)之間采用固連方式，通過(guò)掃描鏡運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)成像，為了減少測(cè)量路徑上的變形對(duì)標(biāo)定精度的影響，如圖1所示，本發(fā)明的實(shí)施例中掃描鏡02背部安裝陀螺03，用于測(cè)量慣性坐標(biāo)系下的掃描鏡02法線向量。所述陀螺03采用高帶寬陀螺，帶寬一般為幾百赫茲以上，具體可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境確定。由于掃描鏡法線向量在慣性系的變化包含衛(wèi)星姿態(tài)角變化，無(wú)法獨(dú)立確定掃描鏡角度變化，因此同時(shí)在相機(jī)01光機(jī)主體靠近探測(cè)器位置的基座上安裝光纖陀螺04，為減小熱變形的影響，所述光纖陀螺04的安裝位置可以盡可能接近探測(cè)器；并在相機(jī)光機(jī)主體外靠近探測(cè)器的基座上安裝星敏感器，通過(guò)星敏感器和陀螺組合聯(lián)合測(cè)量慣性坐標(biāo)系下的探測(cè)器基準(zhǔn)向量。該方案較于傳統(tǒng)天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定方案的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需考慮熱變形影響。

本發(fā)明實(shí)施例提供的天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定方法以首次觀測(cè)恒星的時(shí)刻為陀螺的測(cè)量初始時(shí)刻，在標(biāo)定周期內(nèi)根據(jù)陀螺的測(cè)量數(shù)據(jù)確定掃描鏡的空間指向，再根據(jù)探測(cè)器中目標(biāo)成像的空間位置向量，確定成像目標(biāo)在實(shí)際慣性空間的指向。整個(gè)測(cè)量過(guò)程受熱變形影響小，標(biāo)定精度高。具體包括：

步驟一、設(shè)掃描鏡法線在掃描鏡坐標(biāo)系的向量為陀螺實(shí)時(shí)測(cè)量的姿態(tài)矩陣為G_A2，陀螺的安裝矩陣為A_G2，則可得掃描鏡法線在慣性系的向量

由于陀螺存在測(cè)量誤差隨時(shí)間變大的特性，所以在本實(shí)施例中，先對(duì)陀螺的測(cè)量誤差進(jìn)行校正，再進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。在軌可采用相機(jī)觀星方式對(duì)陀螺誤差進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)恒星在探測(cè)器的成像位置計(jì)算出恒星矢量的慣性系指向，并根據(jù)恒星庫(kù)信息對(duì)比計(jì)算指向偏差，根據(jù)該偏差校正高精度陀螺的誤差。由于衛(wèi)星在工作段的視場(chǎng)范圍包含冷空間，故可根據(jù)相機(jī)全區(qū)域掃描過(guò)程中敏感到的恒星信息，根據(jù)上述標(biāo)定方法對(duì)陀螺誤差進(jìn)行周期性標(biāo)定。

步驟二、設(shè)探測(cè)器坐標(biāo)系的光線向量為安裝矩陣為A₁，光纖陀螺和星敏感器聯(lián)合實(shí)時(shí)測(cè)量的姿態(tài)矩陣為G_A1，光纖陀螺的安裝矩陣為A_G1，則可得入射光線在慣性系的向量

步驟三、根據(jù)反射物象共軛原理，利用掃描鏡的空間指向和探測(cè)器中目標(biāo)成像的位置向量，得到反射光線即相機(jī)視線在慣性系的向量，確定目標(biāo)在慣性空間的指向：

其中，R為掃描鏡的反射作用矩陣，可表示為

其中，N_x，N_y，N_z為掃描鏡法線向量在慣性系的分量。

反射作用矩陣R的測(cè)量基準(zhǔn)需要通過(guò)恒星觀測(cè)標(biāo)定進(jìn)行確定，標(biāo)定方法包括：

步驟3.1、設(shè)T0時(shí)刻觀測(cè)的恒星在慣性系的向量為T0時(shí)刻在探測(cè)器成像的恒星在探測(cè)器坐標(biāo)系的位置為通過(guò)星敏感器和探測(cè)器附近安裝的陀螺聯(lián)合確定的T0時(shí)刻姿態(tài)矩陣G_T0，能夠計(jì)算得到探測(cè)器上成像的恒星在慣性系的向量為

步驟3.2、根據(jù)反射物象共軛原理建立觀測(cè)恒星在慣性系與實(shí)際恒星在慣性系的關(guān)系：

其中，R_o為掃描鏡的反射作用矩陣，可表示為

其中，N_ox，N_oy，N_oz為掃描鏡法線向量在慣性系的分量。

通過(guò)以上關(guān)系中已知的變量和能夠反解R_o，共包含3個(gè)待解參數(shù)。由于觀測(cè)一次恒星能夠確定兩維參數(shù)，因此需要觀測(cè)兩次恒星。

步驟3.3、第二次觀星時(shí)刻的反射作用矩陣為：

其中，Δ_x，Δ_y，Δ_z為兩次觀星時(shí)間間隔內(nèi)陀螺測(cè)量的掃描鏡法線向量角度增量在慣性系的分量。

步驟3.4、根據(jù)兩次觀星參數(shù)，反解得到R_o，通過(guò)R_o和下次觀星時(shí)間間隔內(nèi)陀螺測(cè)量的掃描鏡法線向量角度增量在慣性系的分量，確定下次觀星時(shí)刻的反射作用矩陣R。

進(jìn)一步，為了精確獲取掃描相機(jī)每個(gè)曝光時(shí)刻的掃描鏡中心法線慣性角度信息，需要安裝在掃描鏡上的陀螺輸出頻率與掃描相機(jī)曝光頻率一致?？紤]到工程可行性，可適當(dāng)降低陀螺數(shù)據(jù)更新率的指標(biāo)要求，同時(shí)從應(yīng)用需求角度需進(jìn)一步對(duì)掃描相機(jī)速度均勻性提出要求。通過(guò)星上活動(dòng)部件頻率(掃描鏡工作過(guò)程中的制冷機(jī)工作頻率約70Hz，反作用飛輪和天線振動(dòng)頻率約25Hz，掃描頻率0.5Hz)分析，考慮各種干擾的2倍頻及25％的頻率余量，提出陀螺數(shù)據(jù)更新頻率要求為不小于200Hz。

從工程實(shí)現(xiàn)角度考慮，由于陀螺安裝在掃描鏡背部，為保證掃描鏡法線方向光線的一致性，陀螺安裝面的溫度控制變化要求為±0.5K。由于星上掃描相機(jī)后光路部分采用冷光學(xué)設(shè)計(jì)，溫控要求較高，因此探測(cè)器部分的變形量相對(duì)較小，探測(cè)器光軸一致性較高?？紤]到掃描鏡采用直流電機(jī)閉環(huán)控制方式，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的抖動(dòng)將直接影響陀螺的測(cè)量數(shù)據(jù)精度和有效性。因此，陀螺的使用需要考慮工作環(huán)境的影響。

以本發(fā)明專利的方法建立了某衛(wèi)星天基探測(cè)標(biāo)定模型，仿真計(jì)算其在軌標(biāo)定的指標(biāo)滿足度。根據(jù)指標(biāo)理論分析數(shù)據(jù)，對(duì)比仿真計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示，表中數(shù)據(jù)顯示該方法計(jì)算天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定的誤差不超過(guò)5％，驗(yàn)證了本方法的準(zhǔn)確性。

表1基于恒星觀測(cè)模型的天基探測(cè)基準(zhǔn)標(biāo)定指標(biāo)與仿真結(jié)果對(duì)比

本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并不是用來(lái)限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。