一种采用双视场星敏感器的飞行器姿态角快速、高精度测量方法

采 用 双 视 场 星 敏 感 器 的 飞 行 器 姿 态 角 快 速 、 精 度 测 量 方 法 一 高
１ ７ ２７
已有 的星 敏感 器确 定 飞行 器姿 态角 方法 存在 如
下 缺点 ：１ （ ）耗 时 较 长 ， 文 献 ［ ］ 绍 的 方 法 需 要 如 １介
ｍａ ｅ ｖ ｒｎｇ，ａ ｎ ｗ ｔ ｏ ｏ ｍｅ ｓ ｒ ｔ ｅ ｐ ｃ ｃ ａｔ ａｔｔ ｄ ｃ ｕｒ ｔ ｌ ｎ ｓ ｆｌ ａ ｅ ｏ ａ ｄ ａ — ｅ ｄ ｓ ａ ｅ ｓ ｒ ｉ ｕｔ ｎｕｅ ｉ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｔ ａ ｕ ｅ ｈ ｓ ａ ｅ ｒ ｆ ｔｉｕ ｅ ａ ｃ ａ ｅ ｙ ａ ｄ ｗｉ ｙ ｂ ｓ ｄ ｎ ｕ ｌｆ ｌ ｔ ｒ ｓ ｎ ｏ ｓ ｐ ｔ ｉ
ｔ ｅｓｏ ｗｏ ｓｔ ｆＣＣＤｓ ．Ｔｈ ｄ ｉｌ ｅ ｓ ｒｉ ｓ ｄｔ ｅｅ ｔｔ ｅ ｅ ｔｒ ｅ ｒｔ ｅＮｏｔ ｌ ｎ ｏｒ ｃ ｇ ｉｅｔ ｒｈ Ｓａ ．Ｔｈ ｅ ｗｉｅｆｅｄ ｓ ｎ ｏ ｓｕ ｅ ｏｄ ｔｃ ｈｅｓ ｖ ｎｓａｓｎ ａ ｈ ｒｈ Ｐｏｅａ ｄ ｔ ｅ ｏ ｎｚ ｈｅＮｏ ｔｒ ｔ ｅ
２ 北 极 星 附 近 目标 选 择
角和 滚动 角 ， 组 姿 态 角 可 用 于 控 制 光 束 的 指 向 。 该
所 选 星 图 和 北 极 星 时 刻 处 于 跟 踪 之 下 ， 此 任 意 时 因
刻可快 速 读 出姿态 角用 于光 束 控制 系统 的输 入 。双 视 场 光路 与通讯 光 路 复用 ， 降低 了系统 质量 。
ｎ ｒｏ ｆｅｄ ｓ ｎ ｏ ｓ ｕ ｅ ｏｔａ ｋ ｔ ｒｈ Ｓａ ｎ Ｏｍｅ ｓ ｒ ｒｈ Ｓａ ’ ｉｅ ｔ ｎ ｖ ｃｏ ，ａ ｈ ｎ ｔ ｏ ａ ｅｗｉ ｒｈ ａ ｒｗ ｌ ｅ ｓ ｒｉ ｓ ｄ ｔ ｒｃ ｈｅＮｏ ｔｒａ ｄ ｔ ａ ｕ ｅＮｏ ｔｒ ｓｄｒ ｃｉ ｅ ｔｒ ｎｄ ｔｅ ｏ ｃ ｍｐ ｒ ｔ Ｎｏｔ ｉ ｔ ｔ ｏ ｈ Ｓ ａ Ｓｔ ｅ ｒ ｔ ａｌ ｉｅ ｔ ｎ ｖ ｃｏ ｎ ａ ｙ ｏｂｔｐ ｓｔｏ ． Ｔ ｐ ｃ ｃａｔａｔｔ ｅ ｉ ａｃ ｌｔ ｄ ｂ ｓｎｇｔ ｅ ｄｆｅｅ ｃ ｆｔ ｅ ｔ ｔｒ’ ｈ ｏｅｉ ｌ ｄ ｒｃｉ ｅ ｔｒｉ ｎ ｒ ｉ ｏ ｉｉｎ ｃ ｙ ｏ ｈｅｓ ａ ｅ ｒ ｆ ｔｉ ｕｄ ｓｃ ｌｕ ａｅ ｙ ｕ ｉ ｈ ｉ ｒ ｎ ｅｏ ｈ ｗｏ ｆ ｖ ｃｏ ｓ Ｉ ｉ ｄ ｃ ｄｆｏ ｔ ｄｅ ｈ ｔｍｅ ｓ ｒｍｅ ｔａ ｃ ｒ ｃ ｆａｔｔ ｅａ ｇｅ ａｌｂ ｅｔｒｔａ ” ＮｏＳａ ｅ ｒｈ ｎ ｎ ｏ ｅ ｔｒ ． ｔ ｓｅ ｕ ｅ ｒ ｍ ｈｅｍｏ ｌｔ ａ ａ ｕ ｅ ｎ ｃ ｕ ａ ｙ ｏ ｔｉ ｕｄ ｎ ｌ ｓｃ ｌ ｅｂ ｔｅ ｈ ｎ １ ． ｔ ｓ ａｃ ｉ ｇａ ｄ ｎ ｒ
ＦＡＮ ｎ —ｈ ｎ， Ｗ ＡＮＧ ｏ ｇ ｑ ａ ，ＦＯ Ｘｉｎ— ｈ ｏ Ｈｏ ｇ ｓ ｅ Ｔ ｎ —ｕ ｒ ｔ ａ ｃ ａ （ ｈ ｅｏｄＤ ｐ ｒ ｎ ｆ ｈ ｎｔｕｅｏ ｅＳｃｎ ｒｌ ｒ Ｆ ｒｅ Ｂ ｉｎ ００ ５ Ｃ ｉａ Ｔ ｅＳｃｎ ｅ ａｍｅｔ ｅＩｓｔｔ ｆ ｈ ｅｏｄＡ ｔｌ ｙ ｏｃ ， ｅｉｇ１０ ８ ， ｈｎ ） ｔ ｏｔ ｉ ｔ ｉｅ ｊ
北 极
以 １ 为 间 隔采 样 数 百 次 数 据 ， 行 ２ ３ Ｓ 进 ４ ０次乘 法 运 算 和 １８ ９ ６次 加法 运算 ； ２ （ ）要 求 星敏 感器 能测 ６等 上 的微 弱星 ， Ｃ Ｄ和信 号处 理 电路 有很 高 的降 噪 对 Ｃ
措 施 要 求 ；（ ）需 要 光 学 系 统 具 有 较 大 的 视 场 ３ 角 或 多 视 场 以 对 多 颗 具 有 一 定 角 距 离 的 星 进
ｆｒ ｒ ｎ ｐ ｌｅ Ｏ ａ ｚ ｒ ｒ ｉ ｓ ａ ｅ ｒ ｆ． Ｔ ｔｒｓ ｎ ｏ ａ ｎ ｏ ｔｃ ｌｓ ｓｅ ｗｉ ｄ ｎ ａｒ ｗ ｅｄ ｏ ｉｗ ｎ ｏｗａ ｄ ａ ｄ ａ ｐｉ ｄ ｔ ｅｏ ｏ ｂｔ ｐ ｃ ｃａ ｔ ｈｅｓａ ｅ ｓ ｒｈ ｓａ ｐｉａ ｙ ｔｍ ｔ ａ ｗｉｅ ａ ｄ ａ ｎ ｒｏ ｆ ｌ ｆｖｅ ａ ｄ ｈ ｉ
航
学
ａ
ＤＯＩ ０ ３ ７ ／ ． ｓｎ １ ０ — ３ ８ ２ １ ． ６ ０ １ ：１ ． ８ ３ ｛ ｉｓ ． ０ ０ １ ２ ． ０ １ ０ ． １
报
Ａ ｓ ｎｄ Ａｃ ｕ ａ ｅ Ｍ ｅ ｈｏ ｏ ａ ｅ ｒ ｆ ｔｔ ｄｅ Ｄｅ ｅ ｍ ｉ ａ ｉ ｎ Ｆａ ｔａ ｃ ｒ ｔ ｔ ｄ ｆ ｒ Ｓｐ ｃ ｃ ａ ｔ Ａｔｉｕ ｔ ｒ ｎ ｔｏ Ｂａ ｅ ｎ ａ Ｄｕａ ． ｅ ｄ Ｓ ａ ｅ ｓ ｒ ｓｄ ｏ １Ｆｉ ｌ ｔ ｒ Ｓ ｎ ｏ
识 别 北 极 附 近 ７颗 ５等 以 下 的 星 组 成 的 星 图 ， 图 星
图 １ 北 极 星 敏感 器 和 激 光 通 讯 光 路
Ｆｉ １ Ｔｈｅ ｏ ｔｃ ｌ ｓ ｓ ｅ ｈ ｔ ｃ ｎ ｔ ｕ ｔ ｈ ｒｈ Ｓ ａ ｇ． ｐ ｉ ａ ｙ ｔ ｍｓ ｔ ａ ｏ ｓ ｒ ｃ ｓ ｔ ｅ Ｎｏ ｔ ｔ ｒ
第 ３ ２卷 第 ６期
２ １年 ６月 ０１
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ６ １３
．
Ｊｎ ｕｅ
２ １ ０ １
一
种 采 用 双 视 场 星 敏 感 器 的 飞 行 器 姿 态 角 快 速 、 精 度 测 量 方 法 高
范宏 深 ，王 同权 ，佛 显超
（ 二 炮 兵装 备 研 究 院 第 二 研 究 所 ， 京 １０ ８ ） 第 北 ０ ０５
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｔｏ ｄ ｔｒ ｎｅ ａｔ ｕ ｅ ｆｓ ａ ｅ ｒｆｓ ｗｉ ａｅ ｏ ｓ ｒ ｃ ： ｅｅｍｉ ｔｉ ｄ ｓｏ ｐ ｅ ｃ ａｔ ｔ ｌｓ ｒｃ ｍｍｕ ｉａｉｎ ｎ ｅ ｈ ｏ ｄｔｏ ｆｔ ｉ ｒ ｑ ｅ ｔｙ ａｔｔｄ ｔ ｈ ｎｃ ｔ ｓ ｕ ｄ ｒｔ ｅ ｃ ｎ ｉｉｎ ｏ ｈｅｒｆｅ ｕ ｎｌ ｔ ｕ ｅ ｏ ｉ
ｓ ｎ ｏ ｎ ａ ｅ ｏ ｍｕｎｃ ｔｏ ｙ ｔ ｅ ｓ ｒａ ｄ ｌｓ ｒ ｃ ｍ ｉａ ｉｎ ｓ ｓｅｍ
本身 为窄 视场 提供 北 极 星方 位 指 示 ； 窄视 场 星敏 感
器 通 过 北 极 星 方 向 矢 量 测 量 飞 行 器 的 偏 航 角 、 仰 俯
道 法 线 方 向 ， Ｃ 激 光 器 和 光 子 探 测 器 的 光 轴 在 Ｃ Ｄ、 方 向 。 １为 光 学 系 统 在 —ｙ平 面 的投 影 。 图
程 不 需 要 耗 时 的星 图 数 据 库 搜 索 ， 帧 图像 就 可 以完 成 一 次 快 速 测 量 。 一 关 键 词 ：星 敏 感 器 ；姿 态 ；激 光通 信 ；精 度 中 图分 类 号 ：Ｖ ４ ． ； Ｐ ２ ４ ８ ２ Ｔ ７２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ０ — ２ （ ０ １ ０ — ７ －５ ０ ０ １ ８ ２ １ ） ６ １ ６０ ３ ２
的光 束 快 速 、 确 地 定 向 。 类 似 Ｄ Ｐ这 样 对 激 光 通 精 Ｓ 讯 时 效 性 要 求 较 高 的 飞 行 器 ， 姿 态 经 常 机 动 的 飞 或 行器 ， 要一种 快速 、 精 度定 姿方法 。 需 高
激光通讯技术可将多个飞行器组成分布式 网
络， 从而 提高单 个 飞行 器 及 整 个 系统 的 执 行任 务 能
（ 图 ２ 示 ） 为宽 视 场 星 敏感 器 的 探测 目标 ， 如 所 作 可
保证 星 图 时 刻 处 于 宽 视 场 内 ； 极 星 俯 仰 角 占 ＝ 北
８ 。５ ５ ” ９ １ １ 为星 图 中最 大 者 ， 刻处 于窄 视场 内 ， 时 可 达 到最高 的 角分 辨率 且 其 亮 度 最 高 ， 为窄 视 场 星 选
行测 量 ， 降低 了 Ｃ Ｄ相机 角分 辨率 或 增 加 了 系统 质 Ｃ
量 ， 据 处理 量 大 。 以上 缺 点 使 其 难 以满 足快 速测 数
量需 要 。
本文 提 出 了一 种采 用 双视 场 星敏感 器 的 飞行器 姿态 高精 度 、 速 测 量 方 法 ，较 好 地 克 服 了上 述 的 快 缺点 。 以零轨 道应 用 为例 ， 宽视 场 星 敏感 器 探 测 和
ｄ ｔｂ ｓ ｓｎ ｅ ｎ ｈ ｉ ｏ ｓｍｅ ｓｊｓ ｔｅｔ Ｏｐｏ ｅｓａｆａ ｆ ｍａｅｏ ｅｓａ ｅｓｒ ａａ ａｅｉ ｅｄａ ｄｔｅｔ ｃｎ ｕ ｄｉ ｕｔ ｈ ｉ ｔ ｒｃｓ ｒｍｅｏ ｇ ｆｔ ｔｒｓｎ ｏ． ｍｅ ｍｅ ｉ ｈ
Ｋ ｅ ｗｏｒ ｓ： Ｓ ａ ｅ ｓ ｒ；Ａｔｉ ｅ； Ｌ ｓ ｒ ｃ ｍｍ ｕ ｉ ａ ｉ ｎ；Ａｃ ｕ ａ ｙ ｙ ｄ ｔｒ ｓ ｎ ｏ ｔｔ ｕｄ ａ ｅ ｏ ｎ ｃ ｔｏ ｃ ｒｃ
当飞 行 器轨 道 具 有 一 定倾 角 时 ， 方 法 同样 适 该 用： 先根 据 飞行 任务 确定 飞 行器 的轨 道平 面 ， 轨道 在 平 面法 线方 向附近选 择 一组 能进 入宽 视 场 的星体 作
为 宽 视 场 星 敏 感 器 的 测 量 对 象 ， 位 置 居 中 者 为 窄 选 选 北 极 星 附 近 视 星 等 在 ５等 以 下 的 ７ 颗 星 图
０ 引 言
土地 面 站能正 常工 作 ， 整 个 预警 系统 仍 能 正 常运 则 转 ， 而极大提 高 了整 个 系 统 的 生存 能 力 和 应用 能 从 力 。一个 飞 行 器 在 与 另 一 个 飞 行 器 建 立 激 光 通 讯 时， 必须 首先精 确测 定各 自的姿态数 据 ， 以便对 各 自
摘
要 ：针 对 姿 态 经 常 机 动 的 飞 行 器 之 间 建 立 激 光 通 信 问 题 ， 究 了一 种 针 对 这 种 飞 行 器 的 姿 态 角 高 精 度 、 研
快 速 测量 新 方 法 。这 种 姿 态 角 测 量 方 法 采 用 一 种 由宽 、 两 种 视 场 组 成 的 双 视 场 星 敏 感 器 ， 以 ０轨 道 飞 行 器 应 窄 并
宇 与其 理 论 值 进 行 比较 精 确 求 出 了 偏 航 、 仰 和 滚 动 三 个 姿 态 角 。 分 析 表 明 ， 态 角 的 角 分 辨 率 小 于 １； 量 过 量值 俯 姿 ”测
ａ
用 为 例 进 行 了姿 态 角 测 量 仿 真 ： 中 的宽 视 场 用 于 识 别 北 极 星 ， 其 窄视 场 用 于跟 踪 北 极 星 ； 过 对 北 极 星 方 向 矢 量 测 通
力 ， 美 国 Ｄ Ｐ导 弹 预 警 卫 星 在 以 ６／ ｉ 如 Ｓ ｒｒ ｎ自旋 速 度 ａ 下通 过相互 之 间的短 时激 光通讯 实现 了预警 数据共
享， 即使建 在世 界其它 地 区的地 面站 均失效 ， 只要 本
收稿 日期 ：０ ０ ５２ ； 修 回 日期 ：００ １．７ ２ １ ￣ ．４ ２ １ －１０
敏 感 器 跟 踪 目标 。图 ２ 中 北 极 星 距 离 天 球 北 极 约 ０ ７ ５ 。 故 窄 视 场 角 选 择 为 ２ ； 号 星 距 离 北 极 约 ．３８ ， 。７ ８ ， 宽 视 场 选 定 １ 。 。故 ６。