北京航空航天大学

专业综合实验报告

学 院 宇航学院 班 级 111514

学 号 姓 名 高荣荣

指导老师 王海涌

2015年1月3日

星敏感器姿态确定仿真综合实验

摘要：通过对电子星图模拟器和星敏感器PC仿真平台的操作，实现星敏感器姿态确定，以及借助星象天文馆，来实现电子星图模拟器对星的标定。完成星敏感器系统仿真。

关键词：星敏感器定姿 星图模拟 星图姿态矩阵

一 实验目的

通过电子星图模拟器(ESS)和星敏感器PC仿真平台的操作，熟悉星图模拟和星敏感器姿态基本流程及各模块功能，完成星敏感器系统仿真。

二 实验原理

1.星图模拟原理

(1)星图模拟系统是一种近似模拟星空的仿真系统。为星敏感器算法调试、星敏感器产品测试及天文导航半物理仿真系统运行提供标准的星图输入，并提供已知参考星光矢量及星像中心的理想映射坐标。

分光学物理星模、电子星模和计算机软件星模三种。

(2)星图模拟系统的实现

旋转关系：OZ是光轴指向：

星图模拟是根据光轴指向及旋角(α0,β0,γ)所确定的既定视场，将其范围内的星空目标映射到星敏感器

其中，需要确定第二赤道坐标系、航天器本体坐标系、星敏感器坐标系的转换矩阵。星敏感器固联(安装矩阵为常数阵)，那么只考虑第二赤道坐标系和星敏感器坐标系之间的转换关系。

令O-UVW为第二赤道坐标系，令O’-XYZ为星敏感器坐标系。那么星光矢量在两个坐标系下的分量列阵的关系可以表示为：[X,Y,Z]T = Tsi[U,V,W]T，其中Tsi为转换矩阵。

2.星敏感器定姿基本原理

OsXsYsZs — 星敏感器坐标系

Ouv — CCD 成像面坐标系

OsO之间距离 f 为光学透镜的焦距

由图中的几何关系可得：

第 n 颗星的单位矢量在星敏感器坐标系中的分量列阵：

或，根据星像点质心坐标直接计算得单位矢量：

式中VS

星敏视场内 n 颗恒星在星敏感器坐标系Sb中的单位矢量坐标分别为 (X1, Y1, Z1), (X2, Y2, Z2), …, (Xn, Yn, Zn)。

经过星图匹配，获知这 n 颗恒星在惯性空间 i 系中单位矢量坐标：[U1, V1, W1], [U2, V2, W2], … , [Un, Vn, Wn]，是由星表中赤经赤纬经过直角坐标转换求得。

则存在以下矩阵转换关系式：

上式各矩阵赋予命名，对应关系式：S = CTis

当观测星数 n 等于3颗时，星历矩阵C3×3为非奇异矩阵，那么转移矩阵Tis ＝ C-1S。

n > 3时，可以采用最小二乘法得到计算式：

Tis = (CTC)-1CTS

姿态矩阵Tsi = TsbTblTli，则载体相对于发射点惯性系l系的姿态矩阵 Tbl = (Tsb)-1 (Tis)-1(Tli)-1 =(Tli Tis Tsb)-1，这里 Tsb 为星敏感器固联常量安装矩阵，

发射点惯性坐标系 l系相对于赤道惯性系i系的转移矩阵：

其中：A 为轴xl的方位角；

S 为发射时刻的格林尼治恒星时，或发射时刻的春分点的格林时角GHAΥ；

(λ, φ) 为发射点经纬度。

如果安装矩阵与火箭本体坐标系方向重合，则安装矩阵Tbs = 单位阵 I

那么：Tbl = (Tli Tis)-1

欧拉角法表示火箭姿态

发惯系l，原点在发射点L，轴yl在当地铅垂线向上，轴 xl 在当地水平，且在名义射击平面内。

发射点惯性坐标系 Lxlylzl转动 3 次转到本体坐标系 oxbybzb 。

转动顺序：

那么，从Sl到Sb的坐标变换矩阵：

矩阵元素对照得主值：

姿态角θ和ψ的取值范围都在[-90°,90°]；

φ的取值范围都在[-180°,180°]

然后基于主值再获得真值。

三 实验步骤

1. 设定观星地址和观星时间，采用静基座天顶观测方式，解算出相机光轴的赤经、赤纬和旋角。

(1)设定观星地点为北京市延庆县马匹营村，北纬40°30′14.571″，东经116°04′20.815″

(2)设定北京时间为2011年8月20日22h22min222s

(3)2011年8月20日当天世界时0时对应的恒星时为12h16m40.6407s;

GHAr=S

由此得RA=300.2372

Dec=40.5041

指定 γ=0

2开启ESS，进行参数设置，选择“星图模拟” “单帧重复”菜单命令，将( α， β，γ )计算值填入ESS的人机界面，观察“发送的星图”，此时ESS持续不断地将模拟星图数字视频传输给星敏感器PC仿真平台。

设置：指定仿真星等阈值：6