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航天器姿态控制技术中的星敏感器辅助设计研究随着航天器的不断发展和进步，航天器的姿态控制技术也日益重要。
姿态控制是指控制航天器在空间中的方向、位置和速度，以实现特定的任务。
在航天器姿态控制系统中，星敏感器是一种重要的传感器，通过获取天空中的星星信息，实现对航天器姿态的精确测量和控制。
本文将讨论航天器姿态控制技术中的星敏感器辅助设计研究。
星敏感器是一种通过感知星星的空间方向，进而确定航天器姿态的传感器。
它利用光学方法对星光进行探测，并通过处理数据来确定航天器的姿态。
首先，星敏感器辅助设计需要考虑星敏感器的工作原理和性能。
星敏感器主要利用感光元件（如光电二极管）感知星光，并将光信号转换为电信号。
接下来，电信号经过放大和滤波等处理后，传递给姿态控制系统，进一步进行数据处理和姿态调整。
为了提高星敏感器的精确度和可靠性，在设计中需要重点考虑以下几个方面：1. 星敏感器的灵敏度和动态范围：在星敏感器的辅助设计中，需要确保星敏感器具有足够的灵敏度和适当的动态范围。
灵敏度是指星敏感器对星光的感知能力，灵敏度越高，传感器对星光的探测精度越高。
动态范围是指传感器能够处理的最大和最小星光强度之间的范围。
合理设计的星敏感器应具有宽动态范围，以适应不同亮度的星星。
2. 星敏感器的抗噪声能力：在航天器姿态控制中，星敏感器通常需要在复杂的空间环境中工作，如强烈的太阳光干扰、恶劣的气象条件等。
因此，星敏感器的抗噪声能力非常重要。
通过合理的信号处理算法和滤波技术，可以有效地降低星敏感器受到的噪声干扰，从而提高姿态控制的精确度。
3. 星敏感器的快速响应能力：航天器在运行过程中可能会面临各种突发情况或异常状况，需要快速调整姿态以应对。
因此，星敏感器的快速响应能力也是辅助设计中需要考虑的因素之一。
快速响应能力包括星敏感器的数据处理速度、信号传输速度和姿态控制系统的响应速度。
通过合理的星敏感器辅助设计，可以实现对航天器姿态的精确控制。
航天器在不同任务中需要保持特定的姿态，比如对地观测、轨道保持以及目标对接等。
一种星敏感器-陀螺组合定姿的实时在轨标定方法刘磊;刘也;曹建峰;胡松杰;唐歌实【期刊名称】《飞行器测控学报》【年(卷),期】2014(033)002【摘要】研究了一种星敏感器-陀螺组合定姿方式中的姿态敏感器误差的实时在轨标定方法.首先,选择直观的欧拉角作为姿态描述参数,根据星敏感器和陀螺的测量原理建立星敏感器-陀螺在轨标定的测量方程和状态方程,并以此建立数学模型.其次,采用简单高效的EKF(Extended Kalman Filter,扩展卡尔曼滤波)作为估值算法,进行了在轨标定数值仿真.对于航天器姿态定向中出现的姿态角和星敏感器安装角之间的耦合问题,通过在特定姿态通道上施加简单姿态机动实现了解耦.数值结果表明,该实时在轨标定方法,尤其是所提出的姿态角和星敏感器安装角解耦策略,可以实现对航天器姿态的实时精确估计以及对星敏感器安装误差、陀螺常值漂移和相关漂移等误差的实时在轨标定.该方法可用于航天器姿态测量设备的实时在轨标定和航天器姿态的高精度实时确定.【总页数】6页(P152-157)【作者】刘磊;刘也;曹建峰;胡松杰;唐歌实【作者单位】航天飞行动力学技术重点实验室北京·100094;北京航天飞行控制中心北京·100094;航天飞行动力学技术重点实验室北京·100094;北京航天飞行控制中心北京·100094;航天飞行动力学技术重点实验室北京·100094;北京航天飞行控制中心北京·100094;航天飞行动力学技术重点实验室北京·100094;北京航天飞行控制中心北京·100094;航天飞行动力学技术重点实验室北京·100094;北京航天飞行控制中心北京·100094【正文语种】中文【中图分类】V448.22【相关文献】1.基于时变比例系数的陀螺仪/星敏感器组合定姿方法研究 [J], 张和芬;姜洋;余婧;于龙江;王跃2.一种陀螺与星敏感器组合定姿算法 [J], 李晨;韩崇昭;朱洪艳;周海银;王小亮3.火箭上面级星敏感器/陀螺组合定姿实时仿真系统 [J], 张利宾;崔乃刚;浦甲伦4.一种利用星敏感器对陀螺进行在轨标定的算法 [J], 陈雪芹;耿云海5.立方星陀螺/双星敏感器组合定姿方法 [J], 马海宁;陆正亮;张翔;廖文和因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
带有恒星自行校正的星敏感器定姿李欣璐;杨进华;张刘;金光【摘要】To provide higher measure precision of the star sensor attitude, the principles of error that appears because the three Euler angles are influenced by proper motion are studied in this paper. The proper motion level is divided intoⅠtoⅨ and stored in the guide star catalogue and the yearly variation of different star proper promotion in the last 20 years according to the output of three Euler angles is analyzed in depth. The simulation experiment results show that the precision can increase over 75″after adjusting the three Euler angles in the last 20 years by QUEST method. The new condition number can be minimized by choosing the star with relatively lower proper motion level to perform the calculation of the attitude when the magnitude of the stars is similar. This can improve the precision and stabilization of the star sensor attitude measurement greatly in the engineering.%为了提供高精度星敏感器姿态测量精度，对三轴定姿受恒星自行影响产生误差的机理进行研究，将恒星自行量分成Ⅰ-Ⅸ级存储在导航星库中，并深入分析不同恒星自行量级在20年间对三轴姿态角输出的逐年变化情况。
天文定姿中星图仿真研究连月勇;张超;詹银虎【摘要】为测试和评估星敏感器性能,提出一种航天器上星敏感器成像的仿真方法.建立基于航天器平台的恒星视位置计算模型,利用星点模型在天球上绘制出全天星图,通过星敏成像原理完成任意姿态下的视场转换.使用OpenGL的透视投影功能自动成像可见星,省略导航星搜索环节,提高仿真效率.仿真使用的视位置计算模型更精确,星点模型弥散效果更好,提高了星点亚像元细分定位的精度.仿真结果表明,星点定位标准差在0.023像素以内,在32°视场内,星间角距误差较低,仿真效果逼近真实星空.%A new method of star map simulation is proposed to test and evaluate the performance of star sensors.To start with,a star position calculation model based on the spacecraft is established,and stars are drawed in the celestial sphere according to the star point model.Then the field of view is changed on any attitude by the imaging method of star sensor.OpenGL's perspective projection function is used to automatically image the star which can be seen in the field so as simplify the step of navigation star search and improve the simulation efficiency.The apparent position calculation model used for simulation is more precise,and the star model dispersion effect is better,which improves the centroid sub-pixel location accuracy.Simulation results show that the standard deviation of star positioning is less than 0.023 pixel and lower star angular distance error in the 32° field of view remains,which displays the high precision of star position and high imitation of real starry sky.【期刊名称】《计算机工程》【年(卷),期】2016(042)012【总页数】6页(P302-306,313)【关键词】天文导航;姿态参数;星图仿真;卫星仿真软件;计算模型【作者】连月勇;张超;詹银虎【作者单位】信息工程大学导航与空天目标工程学院,郑州 450001;信息工程大学导航与空天目标工程学院,郑州 450001;信息工程大学导航与空天目标工程学院,郑州 450001【正文语种】中文【中图分类】TP391高精度星敏感器是天文导航的主要设备之一。
北京航空航天大学专业综合实验报告院宇航学院级 111514指导老师2015年1月3日SP1952V£GUN'号 11151146 姓名 高荣荣王海涌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：0Z是光轴指向：星图模拟是根据光轴指向及旋角（?？,?？,丫）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CCD面阵上并模拟出目标图像的过程。
其中，需要确定第二赤道坐标系、敏感器固联（安装矩阵为常数阵）换关系。
令0-UVW为第二赤道坐标系，系下的分量列阵的关系可以表示为：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：叫=arcta n比第n颗星的单位矢量在星敏感器坐标系中的分量列阵:航天器本体坐标系、星敏感器坐标系的转换矩阵。
星，那么只考虑第二赤道坐标系和星敏感器坐标系之间的转令0' -XYZ为星敏感器坐标系。
那么星光矢量在两个坐标[X,YZ]T= Tsi[U,V,W]T 其中Tsi为转换矩阵。
tan^n =V nf/COS^n①=arctan—Vn-------f /cos%tan 叫sn -或，根据星像点质心坐标直接计算得单位矢量:r X J「Un 1r 丨 I 1 I I vZJ Jn [Vn J式中？?为星敏感器测量误差矢量。
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)o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：兀点"=区」？入上式各矩阵赋予命名， 当观测星数n 等于 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 = TsbTblT ,则载体相对于发射点惯性系I 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I 系相对于赤道惯性系i 系的转移矩阵：「一COS As in ©cos （k +S ） -si n Asi n （几 +S ）cos © cos （几 +S ）|_sin Asin cos （几+S ）—cosAsin （k + S ）-cos As in （几+S ）+si nAcos （几+S ） cos A cos *〔cos %i n （k+S ）si n ©sin Asin ©sin （几 +S ） +cos Acos （几 + S ） -sin Acos©」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 (入，0 )为发射v +V s「X 1 X 2M 乙1「5 U 2V 1 V2M W!W 2M 「t 11 t1LXnY n L UnV n w nt 21[t 312t 22 t 32t 13 t 23 t 33S = CTis对应关系式：3颗时，星历矩阵 C3X 3为非奇异矩阵，那么转移矩阵Tis = G1S 。
T |i=TeT ei=GHA Y;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 那么：TbI =(Tii Tis)-1矩阵元素对照得主值:0 = arcta n （如）； 屮 =—arcs in （切）;t ii姿态角0和e 的取值范围都在[-90° ,90° ];0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' 14.57,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;GH??>= ??+ (1 + ??)?=26.3156Tbs =单位阵IT bir t n 1t 12 tj11121 t 22 t23 1^31 t32t 33 j欧拉角法表示火箭姿态 发惯系I ,原点在发射点 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：S ]—土o -空o -土归S b 那么，从Sl 到Sb 的坐标变换矩阵：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coS cos cos sin -sin 1 T bi = pinsin cos -cossin [bossin cos +sinsin sirtsin sin +coscos cossin sin -sin cossin cos I cos cos J* = arcta n （込t 33「cosGHA -sinGHA C ie= si nGHA cosGHAI 001「-sn 0 j c e t= cos 1j-sincos cos cost-sinsin cog sin 」cos sin j其中，星模软件使用方法见附录；3.在PC 仿真平台，存储接收的模拟星图，并选定六颗颗亮星。
结果如图所示。
得到亮星的坐标，星等，赤经和赤310.3580418 45.28035837 1.3 243.0664099 873.2034322 305.5571248 40.25669994 2.3 514.3430786 718.3319065 311.5528582 33.97025572 2.6 810.0597353 993.0520476 296.2438958 45.13073903 3.0 272.523317 369.3284183 303.4079165 46.741358354.0190.4634936621.7853499 299.076604335.08341932 4.0 783.1009519466.73437074.运行虚拟天文馆软件 ，选定()中地址和观星时间，目视对比模拟星图和 stellarium 界面，找出这六颗选定亮星的匹配星，记录其星号、赤经、赤 纬和星等属性信息，计算在春分点赤道惯性系 i系下的恒星方位矢量。
运行虚拟天文馆结果如图所示：y i= CjeC et=sina 0 cos60L z i . [1 [sin 60Dec=40.5041Y =0指定 2开启ESS 进行参数设置，选择“星图模拟” 计算值填入ESS 的人机界面，观察“发送的星图” 频传输给星敏感器 PC 仿真平台。
设置：指定仿真星等阈值：6峰值饱和灰度对应星等：8得到模拟星图：“单帧重复”菜单命令，将(a, 3, Y )，此时ESS 持续不断地将模拟星图数字视由此得 RA=300.2372COS^。
PBW* KfcO Mmtto訴rm二星名/星等赤经/ （J2000）赤纬天津四/1.25 （脉动变星）310.25/20h41m25s 45.16天津一/2.20 （恒星）305.52/20h22m13.7s 40.17天津九/2.45 （恒星）311.50/20h16m41s 34.015 Cyg-18 Cyg-HIP 97165 A/2.9 （双星）296.25/19h45m20s 45.07O1 Cyg-31 CygV0695/3.8 （食双星系统）303.404/20h13m37.9s 46.46n Cyg-21 Cyg-HIP 98110/3.85（恒星）299.011/19h56m45s 35.06注意事项：（1）在运用虚拟天文馆软件时，要注意调节观察视角，一般为调节观察视角读数为22.8 °。
（2）根据纬度关系显示，将虚拟天文馆的视场调节到指定的范围内，本次实验，大约根据纬度关系调节到45°的范围内。
（3）在记录赤经、赤纬的信息时，有两种表示的方法：一种是两者之间有非常细微的差距。
因为地轴的进动，使得春分点不断西退，春分点的位置来确定，所以随着春分点位置的不断变化，赤经赤纬也会不断变化。
指的是以2000年春分点作为基准天体的坐标，日期版就是以现在的春分点作为基准的坐标。
差距是非常细微的，对一般的爱好者来说，忽略这个微小的差距也无妨，但是对于专业的观测来说，这点误差是要命的。
在本实验中，记录的是J2000下的赤经赤纬信息。
记录星等信息时，有目视星等和绝对星等两种星等信息。
绝对星等是假定把恒星放在距地球10秒差距（32.6光年）的地方测得的恒星的亮度，用以区别于视星等。
它反映天体的真实发光本领。
由于本实验中记录的是目视星等。
5. 给定该相机焦距f的标定值，查找星敏感器PC平台下的日志文件获取6颗选定亮星的星象质心，是在星图预处理环节由灰度重心法计算获得的，计算星敏感器本体系s系下的星光矢量。
（1）.焦距f = 2889.2643，单位：pixel，主点0 的值（508.3, 513.3） pixel。
（2）.阵列平面坐标系和星敏感器本体坐标系的关系如图所示：20度左右事宜。
本次实验，以便容易找到星星。
J2000,另一种是J2011.2。
而赤经赤纬又是依靠J2000版「sin 日 n cossin6. 基于i 系下的恒星方位矢量和姿态矩阵，并换算出星敏感器的光轴赤经赤纬和旋角，对比星敏感器 果。
Matlab 程序见附录；得到赤经赤纬及旋角为：RA=300.2372 Dec=40.5041四实验结论及误差分析：1.以观测者所在位置，运用查表法得到的赤经赤纬为 Ra=300.2372, Dec=40.5041, Gamma=0; 再运用模拟星图ESS 和虚拟天文馆得到的赤经赤纬为 RaDeter=300.2385, DecDeter=40.5180 ,GammaDeter= -0.3402;所以，经运算得到绝对误差和相对误差如下：绝对误差为：|Ra -RaDeter|=0.0013|Dec -DecDeter|=0.0139 IGamma -GammaDeter|=0.3402相对误差为：n (Ra)=0.004% n (Dec)=0.031% n (Gamma)=0.340%u,row ^1Ji光 111 1 轴1f 1 i 1遮光罩sF Q 厂-7=— H _ ■—二 h Y >f(0, 0)* v,colz主点i O (u 0, V o)tawn =3ta 门“丘旦f/cosa n其中星敏感器本体系S 系下的星光矢量由下式计算得到r Sn|Y nCOS s 系下的星光矢量,计算出观星时刻星敏感器相对于i 系的PC 仿真平台的计算结(1024, 1024)XZA(U n , V n )成像阵列2. 在星图模拟和虚拟天文馆的对比找星过程中，也存在一定的误差，主要是，星等误差，赤经和赤纬对比误差等等。
