本發(fā)明涉及星載轉(zhuǎn)臺誤差修正裝置及方法，尤其涉及一種基于星相機(jī)的星載轉(zhuǎn)臺指向誤差修正裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、星載轉(zhuǎn)臺廣泛應(yīng)用于空間碎片監(jiān)測、激光通信、空間碎片跟蹤測量等領(lǐng)域。星載轉(zhuǎn)臺入軌后，由于發(fā)射沖擊導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放，以及衛(wèi)星進(jìn)出陽照和陰影區(qū)冷熱交替，最終引起星載轉(zhuǎn)臺指向誤差。指向誤差按照來源分為外部誤差和內(nèi)部誤差，外部誤差即星載轉(zhuǎn)臺安裝底座的結(jié)構(gòu)變形引入的誤差，內(nèi)部誤差即星載轉(zhuǎn)臺運(yùn)動軸系之間的不垂直度和變形等引入的誤差。因此衛(wèi)星發(fā)射后，需要對星載轉(zhuǎn)臺的指向誤差進(jìn)行修正。

2、星載轉(zhuǎn)臺安裝底座的結(jié)構(gòu)變形描述了星載轉(zhuǎn)臺安裝底座相對于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的整體變形，可以采用笛卡爾直角坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣描述變化。星載轉(zhuǎn)臺運(yùn)動軸系之間的不垂直度和變形描述了星載轉(zhuǎn)臺內(nèi)部的結(jié)構(gòu)非正交關(guān)系，可以通過球面三角函數(shù)計算并采用小角度等效的軸系誤差修正方法，將變形參數(shù)轉(zhuǎn)換為星載轉(zhuǎn)臺的指向誤差。對于地基轉(zhuǎn)臺、艦載轉(zhuǎn)臺或機(jī)載轉(zhuǎn)臺，軸系誤差能夠嚴(yán)格標(biāo)定，且認(rèn)為固定不變，而星載轉(zhuǎn)臺雖然在地面上可以與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系調(diào)整對齊，但其隨衛(wèi)星發(fā)射入軌后，衛(wèi)星及星載轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)變形不可避免，部分變形數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于軸系誤差，導(dǎo)致地面上采用小角度等效的軸系誤差修正方法不再適用。因此星載轉(zhuǎn)臺在軌誤差修正應(yīng)包括安裝誤差修正和軸系誤差修正兩個步驟，前者校正安裝變形等較大誤差，后者修正殘留的較小軸系誤差。

3、現(xiàn)有安裝誤差修正方法大多基于恒星測量標(biāo)校，依次對多顆恒星成像處理，通過處理星載轉(zhuǎn)臺指向每一顆恒星的指向誤差獲取修正信息。其存在的缺點(diǎn)如下：（1）標(biāo)校精度受限于單顆恒星的質(zhì)心提取絕對精度，而單顆恒星的成像質(zhì)量、像移拖尾導(dǎo)致其質(zhì)心提取隨機(jī)誤差較大；（2）轉(zhuǎn)動范圍覆蓋不全且標(biāo)定效率低。由于恒星天體在j2000慣性天球分布不均勻，星載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動范圍受限，以及衛(wèi)星軌道運(yùn)動等，每個被觀測恒星的觀測角度、觀測時刻均需要嚴(yán)格編排，不容易覆蓋星載轉(zhuǎn)臺的整個轉(zhuǎn)動范圍，且通常難以在一個衛(wèi)星的軌道周期內(nèi)完成標(biāo)定，標(biāo)定效率低?，F(xiàn)有軸系誤差修正方法包括基于球面三角函數(shù)的方法和基于歐拉角轉(zhuǎn)換的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法，但基于球面三角函數(shù)軸系誤差計算方法雖然比較直觀，但其數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程復(fù)雜，而基于歐拉角轉(zhuǎn)換的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軸系誤差計算方法雖然過程清晰，但旋轉(zhuǎn)順序容易出錯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有基于恒星測量標(biāo)校的安裝誤差修正方法存在的質(zhì)心提取隨機(jī)誤差較大、轉(zhuǎn)動范圍覆蓋不全且標(biāo)定效率低，以及現(xiàn)有基于球面三角函數(shù)軸系誤差計算方法數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程復(fù)雜、基于歐拉角轉(zhuǎn)換的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軸系誤差計算方法旋轉(zhuǎn)順序容易出錯的技術(shù)難題，而提供一種基于星相機(jī)的星載轉(zhuǎn)臺指向誤差修正裝置及方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)解決方案如下：

3、一種基于星相機(jī)的星載轉(zhuǎn)臺指向誤差修正裝置，所述星載轉(zhuǎn)臺包括相互垂直設(shè)置的方位軸和俯仰軸，方位軸的定子通過星載轉(zhuǎn)臺安裝底座安裝在衛(wèi)星平臺上，其轉(zhuǎn)子與俯仰軸的定子連接；方位軸上設(shè)置有方位角編碼器，俯仰軸上設(shè)置有俯仰角編碼器；其特殊之處在于，包括星相機(jī)、星務(wù)計算機(jī)、轉(zhuǎn)臺電控箱以及星相機(jī)數(shù)據(jù)處理單元；

4、所述星相機(jī)安裝在星載轉(zhuǎn)臺俯仰軸的轉(zhuǎn)子上；

5、所述星務(wù)計算機(jī)分別與轉(zhuǎn)臺電控箱和星相機(jī)數(shù)據(jù)處理單元通信連接，用于向轉(zhuǎn)臺電控箱和星相機(jī)數(shù)據(jù)處理單元分別實(shí)時發(fā)送時刻信息、以及星載轉(zhuǎn)臺和星相機(jī)的加斷電控制指令、工作時序指令，同時星務(wù)計算機(jī)還用于采集衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)并發(fā)送至轉(zhuǎn)臺電控箱；

6、所述轉(zhuǎn)臺電控箱，用于根據(jù)星務(wù)計算機(jī)發(fā)送的時刻信息、星載轉(zhuǎn)臺加斷電指令和工作時序指令，驅(qū)動星載轉(zhuǎn)臺在不同時刻分別調(diào)整至對應(yīng)的方位角和俯仰角，使星相機(jī)指向不同空域；

7、所述星相機(jī)數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)星務(wù)計算機(jī)發(fā)送的時刻信息、星相機(jī)加斷電指令和工作時序指令，控制星相機(jī)拍攝不同空域的星圖，并對星相機(jī)拍攝的星圖進(jìn)行實(shí)時處理，獲得不同時刻拍攝的星圖中心對應(yīng)慣性坐標(biāo)系下的赤經(jīng)角度、赤緯角度；

8、所述轉(zhuǎn)臺電控箱還分別與星相機(jī)數(shù)據(jù)處理單元以及星載轉(zhuǎn)臺的方位角編碼器和俯仰角編碼器之間通信連接，用于根據(jù)不同時刻拍攝的星圖中心對應(yīng)的慣性坐標(biāo)系下的赤經(jīng)角度、赤緯角度、星務(wù)計算機(jī)發(fā)送的時刻信息、衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，以及方位角編碼器和俯仰角編碼器發(fā)送的不同時刻的方位角和俯仰角，計算安裝誤差和軸系誤差。

9、進(jìn)一步地，所述星相機(jī)的視場大于等于4°，探測能力大于等于6等星，測角精度小于等于30″。

10、進(jìn)一步地，所述星載轉(zhuǎn)臺的方位軸轉(zhuǎn)動范圍為-90°~+90°，俯仰軸轉(zhuǎn)動范圍為-30°~+60°。

11、另外，本發(fā)明還提供了一種基于星相機(jī)的星載轉(zhuǎn)臺指向誤差修正方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

12、步驟1，搭建上述一種基于星相機(jī)的星載轉(zhuǎn)臺指向誤差修正裝置；

13、步驟2，控制星載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動指向不同空域時，通過星相機(jī)分別拍攝對應(yīng)星圖；

14、步驟3，安裝誤差修正；

15、步驟3.1，根據(jù)不同時刻拍攝的星圖中心對應(yīng)的慣性坐標(biāo)系下的赤經(jīng)角度和赤緯角度，分別計算對應(yīng)時刻星相機(jī)光軸在慣性坐標(biāo)系下的矢量，并將其記為星相機(jī)光軸矢量；

16、步驟3.2，根據(jù)不同時刻衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，將對應(yīng)星相機(jī)光軸矢量轉(zhuǎn)換至衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下；根據(jù)不同時刻星載轉(zhuǎn)臺的方位角和俯仰角，將對應(yīng)星相機(jī)光軸矢量轉(zhuǎn)換至轉(zhuǎn)臺參考坐標(biāo)系下；

17、步驟3.3，根據(jù)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)臺參考坐標(biāo)系下的星相機(jī)光軸矢量，采用最小二乘法擬合獲得擬修正的安裝矩陣；

18、步驟3.4，根據(jù)擬修正的安裝矩陣和多組不同時刻星相機(jī)拍攝的星圖，分別計算星載轉(zhuǎn)臺方位角和俯仰角的指向誤差，進(jìn)而獲得星載轉(zhuǎn)臺指向角度與理論角度的殘差；判斷殘差是否小于指向誤差要求，若是，則將安裝矩陣更新為當(dāng)前擬修正的安裝矩陣，完成星載轉(zhuǎn)臺的指向誤差修正；否則，將安裝矩陣更新為當(dāng)前擬修正的安裝矩陣后，執(zhí)行步驟4；

19、步驟4，軸系誤差修正；

20、步驟4.1，采用歐拉角轉(zhuǎn)換計算衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)的旋轉(zhuǎn)矢量，并根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)的旋轉(zhuǎn)矢量與旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系，獲得基于四元數(shù)矢量旋轉(zhuǎn)的軸系誤差求解模型；

21、步驟4.2，將步驟3.4中獲得的多組星載轉(zhuǎn)臺方位角的指向誤差輸入軸系誤差求解模型中，并采用最小二乘法進(jìn)行擬合，計算獲得星載轉(zhuǎn)臺的軸系誤差；所述星載轉(zhuǎn)臺的軸系誤差包括俯仰軸傾斜量和照準(zhǔn)差；

22、步驟4.3，星載轉(zhuǎn)臺指向某目標(biāo)時，計算轉(zhuǎn)臺參考坐標(biāo)系下的目標(biāo)矢量并將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)臺參考坐標(biāo)系下的方位角和俯仰角；再結(jié)合星載轉(zhuǎn)臺的軸系誤差，計算星載轉(zhuǎn)臺指向誤差修正后的方位角和俯仰角，完成星載轉(zhuǎn)臺的指向誤差修正。

23、進(jìn)一步地，步驟3.3中，所述擬修正的安裝矩陣表達(dá)式為：

24、

25、上式中，，，、、為星相機(jī)光軸矢量在轉(zhuǎn)臺參考坐標(biāo)系下的三個分量，、、為星相機(jī)光軸矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的三個分量，， n為計算對應(yīng)時刻星相機(jī)光軸在慣性坐標(biāo)系下的矢量時星相機(jī)拍攝的星圖數(shù)量，t表示矩陣轉(zhuǎn)置。

26、進(jìn)一步地，步驟4.1中，所述軸系誤差求解模型為：

27、

28、上式中，為方位角指向誤差，為俯仰角指向誤差， b為俯仰軸傾斜量，e為星載轉(zhuǎn)臺的俯仰角， c為照準(zhǔn)差。

29、進(jìn)一步地，步驟2中，控制星載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動指向不同空域時，方位角轉(zhuǎn)動范圍為-90°~+90°，俯仰角轉(zhuǎn)動范圍為-30°~+60°；所述星載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動指向的空域數(shù)量大于等于30個。

30、進(jìn)一步地，步驟3.4中，根據(jù)擬修正的安裝矩陣和多組不同時刻星相機(jī)拍攝的星圖，計算星載轉(zhuǎn)臺方位角和俯仰角的指向誤差，進(jìn)而獲得星載轉(zhuǎn)臺指向角度與理論角度的殘差具體為：

31、步驟a，根據(jù)擬修正的安裝矩陣、以及多組不同時刻星相機(jī)拍攝的星圖中心對應(yīng)的星載轉(zhuǎn)臺方位角、俯仰角、赤經(jīng)角度、赤緯角度、衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，計算修正后對應(yīng)星圖在轉(zhuǎn)臺參考坐標(biāo)系下星相機(jī)光軸矢量，并將轉(zhuǎn)臺參考坐標(biāo)系下星相機(jī)光軸矢量轉(zhuǎn)換為星載轉(zhuǎn)臺的方位角和俯仰角；

32、步驟b，將轉(zhuǎn)換得到的星載轉(zhuǎn)臺的方位角和俯仰角分別與不同時刻星圖中心對應(yīng)的方位角編碼器和俯仰角編碼器輸出的方位角和俯仰角作差，得到方位角的指向誤差和俯仰角的指向誤差；

33、步驟c，通過下式計算星載轉(zhuǎn)臺指向角度與理論角度的殘差：

34、

35、上式中，為方位角的指向誤差，為俯仰角的指向誤差，， m為計算星載轉(zhuǎn)臺方位角和俯仰角的指向誤差時星相機(jī)拍攝的星圖數(shù)量。

36、進(jìn)一步地，步驟a中，所述多組不同時刻星相機(jī)拍攝的星圖為步驟3.1中不同時刻星相機(jī)拍攝的星圖，或者為其他時刻星相機(jī)拍攝的星圖。

37、進(jìn)一步地，步驟3.4中，所述指向誤差要求為0.05°。

38、本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果如下：

39、1、由于標(biāo)校精度受限于單顆恒星的質(zhì)心提取絕對精度，本發(fā)明提供的一種基于星相機(jī)的星載轉(zhuǎn)臺指向誤差修正裝置，將星相機(jī)安裝在星載轉(zhuǎn)臺俯仰軸的轉(zhuǎn)子上，星相機(jī)基于視場中多顆恒星的質(zhì)心定位相對測量實(shí)現(xiàn)星相機(jī)光軸的高精度天文定位，對小范圍像移拖尾不敏感，測量隨機(jī)誤差小，大大提高了本發(fā)明的標(biāo)校精度；同時由于星載轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動范圍覆蓋全，本發(fā)明在星載轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)順序指向不同的天區(qū)，并拍攝星圖即可，無需針對不同的恒星指定星載轉(zhuǎn)臺方位角和俯仰角指向角度序列，大大提高了標(biāo)定效率，可以廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星或深空應(yīng)用的高精密星載轉(zhuǎn)臺的指向誤差修正。

40、2、本發(fā)明提供的一種基于星相機(jī)的星載轉(zhuǎn)臺指向誤差修正方法，根據(jù)不同時刻衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)，結(jié)合最小二乘法擬合求解擬修正的安裝矩陣（即帶誤差的安裝矩陣），進(jìn)而進(jìn)行安裝誤差修正，該方法使得指向誤差減小一個量級以上；同時本發(fā)明采用歐拉角轉(zhuǎn)換和四元數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)合的空間轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行軸系誤差修正，在保證修正精度的前提下大大提高了計算效率。