一种重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标方法及系统
技术领域
本发明涉及航天器控制、大地测量和空间科学等领域，特别是涉及一种重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标方法及系统。
背景技术
恒星敏感器(简称星敏感器)是当前广泛应用的天体敏感器，它是重力测量卫星系统中一个很重要的组成部分，用于确定重力卫星相对于惯性空间的姿态、为加速度计非保守力测量结果提供坐标转换信息以及结合轨道参数可为重力卫星提供高精度三轴姿态确定信息。星敏感器是一种以恒星为参照物进行姿态测量的敏感器件，其姿态信息来自于恒星星光的方向矢量在惯性参考坐标系的指向和恒星星光方向矢量在星敏感器测量坐标系的指向，姿态测量精度可达角秒级。但在实际应用中，星敏感器安装误差可达到角分级，带来的测量误差高于星敏感器的随机测量误差。虽然卫星发射前，在地面对星敏感器的安装矩阵误差进行了标定，但由于星敏感器需要长期在轨使用，元件老化、工作环境变化、星体发射冲击等因素使得安装矩阵发生变化，因此为了保证星敏感器稳定的测量精度，亟需一种星敏感器安装矩阵在轨定标方法，以实现较高精度的星敏感器的安装矩阵标定。
发明内容
本发明的目的是提供一种重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标方法及系统，能够提高星敏感器的安装矩阵标定精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标方法，所述重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标方法包括：
获取第一关系表示：其中，B为第一星敏感器姿态矩阵和第二星敏感器姿态矩阵的比值，为第一星敏感器的安装误差矩阵，为第一星敏感器的安装矩阵，为第二星敏感器的安装误差矩阵，为第二星敏感器的安装矩阵；
根据第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第一星敏感器在自身坐标系下的第一姿态角加速度；
根据第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第二星敏感器在自身坐标系下的第二姿态角加速度；
获取重力卫星加速度计测量的角加速度值；
以第一关系表示为约束，分别根据和计算所述第一星敏感器的安装误差姿态角和所述第二星敏感器的安装误差姿态角其中，为所述第一姿态角加速度，为所述第二姿态角加速度，为重力卫星加速度计测量的角加速度值。
可选地，所述根据第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第一星敏感器在自身坐标系下的第一姿态角加速度，具体包括：
对第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵进行坐标转换，得到第二星敏感器以第一星敏感器坐标系为参考坐标系的姿态矩阵，记为姿态转换矩阵；
将所述姿态转换矩阵与第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵相融合，得到融合矩阵；
根据所述融合矩阵计算第一姿态角加速度。
可选地，所述根据第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第二星敏感器在自身坐标系下的第二姿态角加速度，具体包括：
对第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵进行坐标转换，得到第一星敏感器以第二星敏感器坐标系为参考坐标系的姿态矩阵，记为姿态转换矩阵；
将所述姿态转换矩阵与第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵相融合，得到融合矩阵；
根据所述融合矩阵计算第二姿态角加速度。
可选地，在所述获取第一关系表示之前，还包括：
计算第一星敏感器姿态矩阵和第二星敏感器姿态矩阵的比值，具体包括：
获取第一星敏感器四元素观测值序列q1(tk)和第二星敏感器的q2(tk)；
采用公式计算第一星敏感器姿态矩阵序列值和第二星敏感器姿态矩阵序列值的比值的均值；
将所述均值作为所述第一星敏感器姿态矩阵和第一星敏感器姿态矩阵的比值；
其中，q1(tk)表示tk时刻的第一星敏感器的四元素观测量，q2(tk)表示tk时刻的第二星敏感器的四元素观测量，k＝1…n，n为观测数量。
可选地，在获取第一关系表示之前，还包括：
获取第二关系表示：
获取第三关系表示：
根据第二关系表示和第三关系表示，得到所述第一关系表示；
其中，R(q1)为第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵，R(q2)为第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵，为重力卫星本体在自身坐标系下的姿态矩阵。
为实现上述目的，本发明还提供了一种重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标系统，所述重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标系统包括：
第一关系表示获取模块，用于获取第一关系表示：其中，B为第一星敏感器姿态矩阵和第二星敏感器姿态矩阵的比值，为第一星敏感器的安装误差矩阵，为第一星敏感器的安装矩阵，为第二星敏感器的安装误差矩阵，为第二星敏感器的安装矩阵；
第一姿态角加速度计算模块，用于根据第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第一星敏感器在自身坐标系下的第一姿态角加速度；
第二姿态角加速度计算模块，用于根据第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第二星敏感器在自身坐标系下的第二姿态角加速度；
加速度计角加速度获取模块，用于获取重力卫星加速度计测量的角加速度值；
安装误差姿态角计算模块，用于以第一关系表示为约束，分别根据和计算所述第一星敏感器的安装误差姿态角和所述第二星敏感器的安装误差姿态角其中，为所述第一姿态角加速度，为所述第二姿态角加速度，为重力卫星加速度计测量的角加速度值。
可选地，所述第一姿态角加速度计算模块，具体包括：
第一坐标转换单元，用于对第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵进行坐标转换，得到第二星敏感器以第一星敏感器坐标系为参考坐标系的姿态矩阵，记为姿态转换矩阵；
第一矩阵融合单元，用于将所述姿态转换矩阵与第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵相融合，得到融合矩阵；
第一姿态角加速度计算单元，用于根据所述融合矩阵计算第一姿态角加速度。
可选地，所述第二姿态角加速度计算模块，具体包括：
第二坐标转换单元，用于对第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵进行坐标转换，得到第一星敏感器以第二星敏感器坐标系为参考坐标系的姿态矩阵，记为姿态转换矩阵；
第二矩阵融合单元，用于将所述姿态转换矩阵与第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵相融合，得到融合矩阵；
第二姿态角加速度计算单元，用于根据所述融合矩阵计算第二姿态角加速度。
可选地，所述重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标系统还包括：
比值计算模块，用于计算第一星敏感器姿态矩阵和第二星敏感器姿态矩阵的比值，具体包括：
观测值序列获取单元，用于获取第一星敏感器四元素观测值序列q1(tk)和第二星敏感器的四元素观测值序列q2(tk)；
均值计算单元，用于采用公式计算第一星敏感器姿态矩阵序列值和第二星敏感器姿态矩阵序列值的比值的均值；
比值确定单元，用于将所述均值作为所述第一星敏感器姿态矩阵和第一星敏感器姿态矩阵的比值；
其中，q1(tk)表示tk时刻的第一星敏感器的四元素观测量，q2(tk)表示tk时刻的第二星敏感器的四元素观测量，k＝1…n，n为观测数量。
可选地，所述重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标系统还包括：
第二关系表示获取模块，用于获取第二关系表示：
第三关系表示获取模块，用于获取第三关系表示：
第一关系表示确定模块，用于根据第二关系表示和第三关系表示，得到所述第一关系表示；
其中R(q1)为第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵，R(q2)为第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵，为重力卫星本体在自身坐标系下的姿态矩阵。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标方法及系统，该方法首先通过第一星敏感器和第二星敏感器的姿态矩阵、安装误差矩阵以及安装矩阵，获取第一关系表示；然后根据第一星敏感器坐标系下的姿态矩阵计算第一姿态角加速度信息，根据第二星敏感器坐标系下的姿态矩阵计算第二姿态角加速度信息；最后以第一关系表示为约束条件，计算第一星敏感器的安装误差姿态角和第二星敏感器的安装误差姿态角。本发明利用相对定标方法获得的第一关系表示作为约束条件，结合星敏感器的加速度和重力加速度计的角加速度对星敏感器进行在轨定标，能够提高星敏感器的安装矩阵在轨标定标精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标方法流程图；
图2为本发明重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标系统模块结构示意图。
符号说明：
1-第一关系表示获取模块，2-第一姿态角加速度计算模块，3-第二姿态角加速度计算模块，4-加速度计角加速度获取模块，5-安装误差姿态角计算模块，,6-比值计算模块，7-第二关系表示获取模块，8-第三关系表示获取模块，9-第一关系表示确定模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标方法及系统，以相对定标方法获得的第一关系表示作为约束条件，能够提高星敏感器的安装矩阵标定精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
姿态四元数是具有四个元素的超复数，它可以描述一个坐标系或一个矢量相对于另一个坐标系的旋转，即一个坐标系相对于另一个坐标系的姿态。定义如下：
q＝[q0 q1 q2 q3]T；
姿态四元数与姿态角(γ,θ,ψ)的对应关系为：
在选定的参考坐标系中，如果一个坐标系的姿态四元数为q则该坐标系的姿态矩阵为：
如图1所示，本发明重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标方法包括以下步骤：
S1：获取第一关系表示：其中，B为第一星敏感器姿态矩阵和第二星敏感器姿态矩阵的比值，为第一星敏感器的安装误差矩阵，为第一星敏感器的安装矩阵，为第二星敏感器的安装误差矩阵，为第二星敏感器的安装矩阵。
S2：根据第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第一星敏感器在自身坐标系下的第一姿态角加速度。
S3：根据第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第二星敏感器在自身坐标系下的第二姿态角加速度。
S4：获取重力卫星加速度计测量的角加速度值。
S5：以第一关系表示为约束，分别根据和计算所述第一星敏感器的安装误差姿态角和所述第二星敏感器的安装误差姿态角其中，为第一姿态角加速度，为第二姿态角加速度，为重力卫星加速度计测量的角加速度值。
实质上，所述第一关系表示为第一星敏感器和第二星敏感器之间的相对安装矩阵角度相对偏差关系，其中，安装误差矩阵和可以表示为(θ1θ2θ3)和(β1β2β3)。
此外，理论上加速度计角加速度通过坐标转换后与星敏感器角加速度应该一致。若星敏感器存在安装矩阵偏差，则此时引入安装误差角作为参数进行估计，利用星敏感器姿态角加速度信息和加速度计1B级的角加速度数据结合星敏感器的安装矩阵、安装误差矩阵联立方程，将第一关系表示作为约束条件，利用多个历元的四元素观测数据进行附有约束条件的参数平差，得到第一星敏感器和第二星敏感器的安装误差角估值，即获得(θ1θ2θ3)和(β1β2β3)的估计值。
进一步地，所述根据第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第一星敏感器在自身坐标系下的第一姿态角加速度，具体包括：
S21：对第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵进行坐标转换，得到第二星敏感器以第一星敏感器坐标系为参考坐标系的姿态矩阵，记为姿态转换矩阵。
S22将所述姿态转换矩阵与第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵相融合，得到融合矩阵
S23：根据所述融合矩阵计算第一姿态角加速度。
具体地，所述根据所述融合矩阵计算第一姿态角加速度信息包括：
所述根据所述融合矩阵计算第一姿态角加速度信息具体包括：
根据所述融合矩阵得到融合四元素观测量
对所述融合四元素观测量进行CRN数字滤波： 为融合四元素观测量的一阶导数。
根据和得到第一星敏感器的姿态角速度ωq＝[ωx,ωy,ωz]T，
对第一星敏感器的姿态角速度ωq进行CRN数字滤波：得到第一星敏感器的姿态角加速度
其中，ωx为星敏感器的姿态角速度在x轴的分量，ωy星敏感器的姿态角速度在y轴的分量，ωz星敏感器的姿态角速度在z轴的分量。
优选地，在获取融合矩阵时，采用星敏感器1A级到1B级数据处理方法对星敏感器的观测数据进行加权融合，得到1B级四元素观测数据，以降低星敏感器的观测噪声。
进一步地，所述根据第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第二星敏感器在自身坐标系下的第二姿态角加速度，具体包括：
S31：对第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵进行坐标转换，得到第一星敏感器以第二星敏感器坐标系为参考坐标系的姿态矩阵，记为姿态转换矩阵。
S32：将所述姿态转换矩阵与第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵相融合，得到融合矩阵。
S33：根据所述融合矩阵计算第二姿态角加速度。
优选地，在所述获取第一关系表示之前，还包括：
S6：计算第一星敏感器姿态矩阵和第二星敏感器姿态矩阵的比值，具体包括：
S61：获取第一星敏感器四元素观测值序列q1(tk)和第二星敏感器的q2(tk)。
S62：采用公式计算第一星敏感器姿态矩阵序列值和第二星敏感器姿态矩阵序列值的比值的均值。
S63：将所述均值作为所述第一星敏感器姿态矩阵和第一星敏感器姿态矩阵的比值，那么所述第一关系表示为：通过计算一段时间内的星敏感器的观测值序列的均值，增大样本数据量，能够提高获取第一关系表示的精度。
其中，q1(tk)表示tk时刻的第一星敏感器的四元素观测量，q2(tk)表示tk时刻的第二星敏感器的四元素观测量，k＝1…n，n为观测数量。
进一步地，在获取第一关系表示之前，还包括：
S71：获取第二关系表示：
S72：获取第三关系表示：
S73：根据第二关系表示和第三关系表示，得到所述第一关系表示。
其中，R(q1)为第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵，R(q2)为第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵，为重力卫星本体在自身坐标系下的姿态矩阵。
为实现上述目的，如图2所示，本发明还提供了一种重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标系统，所述重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标系统包括：第一关系表示获取模块1、第一姿态角加速度计算模块2、第二姿态角加速度计算模块3、加速度计角加速度获取模块4和安装误差姿态角计算模块5。
第一关系表示获取模块1，用于获取第一关系表示：其中，B为第一星敏感器姿态矩阵和第二星敏感器姿态矩阵的比值，为第一星敏感器的安装误差矩阵，为第一星敏感器的安装矩阵，为第二星敏感器的安装误差矩阵，为第二星敏感器的安装矩阵。
第一姿态角加速度计算模块2，用于根据第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第一星敏感器在自身坐标系下的第一姿态角加速度。
第二姿态角加速度计算模块3，用于根据第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵计算第二星敏感器在自身坐标系下的第二姿态角加速度。
加速度计角加速度获取模块4，用于获取重力卫星加速度计测量的角加速度值。
安装误差姿态角计算模块5，用于以第一关系表示为约束，分别根据和计算所述第一星敏感器的安装误差姿态角和所述第二星敏感器的安装误差姿态角其中，为所述第一姿态角加速度，为所述第二姿态角加速度，为重力卫星加速度计测量的角加速度值。
具体地，所述第一姿态角加速度计算模块2，具体包括：第一坐标转换单元21、第一矩阵融合单元22和第一姿态角加速度计算单元23。
第一坐标转换单元21，用于对第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵进行坐标转换，得到第二星敏感器以第一星敏感器坐标系为参考坐标系的姿态矩阵，记为姿态转换矩阵。
第一矩阵融合单元22，用于将所述姿态转换矩阵与第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵相融合，得到融合矩阵。
第一姿态角加速度计算单元23，用于根据所述融合矩阵计算第一姿态角加速度。
进一步地，所述第二姿态角加速度计算模块3，具体包括：第一坐标转换单元31、第一矩阵融合单元32和第一姿态角加速度计算单元33。
第二坐标转换单元31，用于对第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵进行坐标转换，得到第一星敏感器以第二星敏感器坐标系为参考坐标系的姿态矩阵，记为姿态转换矩阵。
第二矩阵融合单元32，用于将所述姿态转换矩阵与第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵相融合，得到融合矩阵。
第二姿态角加速度计算单元33，用于根据所述融合矩阵计算第二姿态角加速度。
进一步地，所述重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标系统还包括：比值计算模块6。
比值计算模块6，用于计算第一星敏感器姿态矩阵和第二星敏感器姿态矩阵的比值，具体包括：
观测值序列获取单元61，用于获取第一星敏感器四元素观测值序列q1(tk)和第二星敏感器的四元素观测值序列q2(tk)。
均值计算单元62，用于采用公式计算第一星敏感器姿态矩阵序列值和第二星敏感器姿态矩阵序列值的比值的均值。
比值确定单元63，将所述均值作为所述第一星敏感器姿态矩阵和第一星敏感器姿态矩阵的比值。
其中，q1(tk)表示tk时刻的第一星敏感器的四元素观测量，q2(tk)表示tk时刻的第二星敏感器的四元素观测量，k＝1…n，n为观测数量。
进一步地，所述重力卫星星敏感器安装矩阵在轨定标系统还包括：
第二关系表示获取模块7，用于获取第二关系表示：
第三关系表示获取模块8，用于获取第三关系表示：
第一关系表示确定模块9，根据第二关系表示和第三关系表示，得到所述第一关系表示。
其中，R(q1)为第一星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵，R(q2)为第二星敏感器在自身坐标系下的姿态矩阵，为重力卫星本体在自身坐标系下的姿态矩阵。
一般地，重力卫星上安装有两个或两个以上的星敏感器，本发明在星敏感器数量大于、等于两个的情况下均适用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
