一种基于动态复干涉响应的干涉式星敏感器测角性能评估及工作边界确定方法

本发明属于星敏感器动态性能评估，具体涉及一种基于动态复干涉响应的干涉式星敏感器测角性能评估及工作边界确定方法。

背景技术：

1、星敏感器是一种通过采集并处理星空图像来解算载体在惯性空间姿态的高精度测量设备，具有自主性强、无误差累积等特点，已广泛应用于各类航天器。随着高机动航天器对姿态测量精度、动态范围及更新速率要求的不断提高，星敏感器的实际测量能力已不能局限于静态条件下的测量精度。在有限曝光时间内，平台姿态变化会使恒星入射方向及其像面投影持续变化，并通过探测器曝光积分作用于最终测量结果。因此，建立平台运动参数、曝光时间与星敏感器测角性能之间的定量关系，是评价星敏感器动态适应能力的重要基础。

2、对于传统几何成像式星敏感器，恒星方向主要由探测器焦平面上的星点几何位置确定。平台运动时，星点在曝光期间发生连续位移，从而形成运动拖尾、能量扩散及信噪比下降等现象。现有动态星图分析方法通常通过建立星像运动轨迹、动态点扩散函数及运动模糊模型等方式，分析平台角运动或姿态振动对星点质心定位精度的影响。虽然平台运动改变了星像的空间形态和能量分布，但其最终用于方向解算的核心观测量仍然是星点几何位置。

3、干涉式星敏感器采用了不同于传统几何成像式星敏感器的信息获取方式。该类星敏感器通过在光路中设置干涉组件，将恒星入射方向变化转换为干涉相位变化，并通过分光组件形成多个具有预定相移关系的测量通道。根据不同测量通道之间的相对能量关系恢复干涉相位，再结合星点几何位置提供的粗测角信息，实现恒星入射方向的高精度测量。因此，平台运动对干涉式星敏感器的影响不仅表现为星点在像面上的空间运动，还会通过曝光期间干涉相位的连续变化改变多个测量通道之间的积分能量关系。

4、现有干涉式星敏感器研究主要针对给定恒星入射方向条件下的静态成像与测角过程。当平台在单次曝光期间发生角运动或姿态抖动时，恒星入射方向、干涉相位及各测量通道瞬时响应均随时间变化，探测器最终获得的并非某一瞬时姿态对应的干涉信号，而是整个曝光时间窗口内时变干涉信号的积分结果。因此，仅采用星点拖尾长度、空间模糊程度或静态干涉响应模型，难以准确描述平台运动经有限曝光作用于干涉信号后对调制度、相位恢复及最终测角结果产生的影响。

5、尤其是在匀速角运动和周期姿态抖动等多种运动成分同时存在时，不同运动成分在曝光积分之前共同作用于同一时变干涉相位，其动态响应并不能在一般情况下视为多个独立退化过程的简单叠加。因此，如何面向干涉式星敏感器的干涉测角特点，建立平台姿态运动、有限曝光积分与动态测角性能之间的统一定量关系，并进一步确定星敏感器在不同平台运动及曝光条件下的动态工作边界，仍是该类星敏感器动态性能评估和工程应用中需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是提高干涉式星敏感器测角性能的准确性，提出一种基于动态复干涉响应的干涉式星敏感器测角性能评估及工作边界确定方法。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于动态复干涉响应的干涉式星敏感器测角性能评估方法，包括如下步骤：

4、s1. 根据待评估干涉式星敏感器的测量原理和任务需求，确定系统参数、目标恒星方向信息、探测器曝光参数以及平台姿态运动信息；

5、s2. 建立平台姿态运动与时变恒星入射角之间的映射模型，根据目标恒星在惯性坐标系中的方向信息以及曝光期间的平台姿态变化信息，计算曝光时间窗口内目标恒星相对于干涉式星敏感器的瞬时方向，根据瞬时方向信息，获得干涉敏感方向上的时变入射角；

6、s3. 建立时变入射角与时变干涉相位及多通道响应之间的映射模型，得到各测量通道的瞬时响应；

7、s4. 建立有限曝光动态干涉响应模型，包括计算曝光后的通道积分响应、基于曝光期间相位变化构建动态干涉因子，然后计算动态复干涉响应、动态相位偏差；

8、s5. 根据曝光后的多通道积分响应，利用相移解算方法恢复动态干涉相位，根据干涉相位与入射角之间的映射关系，获得动态条件下的恒星入射角测量结果，将恒星入射角测量结果与参考角度进行比较，得到动态测角误差；

9、s6. 根据动态干涉因子及动态条件下的恒星入射角测量结果，对当前平台运动条件下的干涉式星敏感器动态测量状态进行评估。

10、进一步的，步骤s1中系统参数包括用于描述干涉测角性能的相关参数；目标恒星方向信息用于确定恒星在惯性空间中的初始方向；探测器曝光参数包括单次积分时间；平台姿态运动信息用于描述曝光期间星敏感器与目标恒星之间的相对角运动状态；

11、平台姿态运动信息采用连续姿态轨迹、离散姿态序列、角速度参数、周期姿态扰动参数或多种运动形式组合参数表示。

12、进一步的，步骤s3的具体实现方法包括如下步骤：

13、s3.1. 根据干涉式星敏感器的测角原理，对于步骤s2得到的曝光期间变化的时变入射角α(t)，对应获得时变干涉相位为，其中，干涉相位由干涉测量系统结构参数及恒星入射方向共同决定；

14、s3.2. 根据干涉式星敏感器多个测量通道之间的相移关系，建立曝光期间各测量通道的瞬时响应模型，对于第k个测量通道的瞬时响应表示为：

15、

16、其中，表示公共响应分量，表示干涉调制分量，表示第k个测量通道对应的相移量。

17、进一步的，步骤s4的具体实现方法包括如下步骤：

18、s4.1. 对各测量测量通道的瞬时响应进行积分，得到曝光结束后的通道积分响应，表达式为：

19、

20、其中，表示第k个通道的积分能量，表示积分时间；

21、s4.2. 根据多个测量通道之间的相移关系，构造曝光后的复干涉观测量，以曝光参考时刻对应的干涉相位作为参考，将曝光期间相位变化表示为：

22、

23、其中，表示曝光期间相位变化，表示曝光中间时刻的干涉相位；

24、构建动态干涉因子模型，表达式为：

25、

26、其中，表示动态干涉因子，表示虚数单位；

27、s4.3. 根据动态干涉因子的模值获得调制度保持率，根据动态干涉因子的相位获得动态相位偏差。

28、进一步的，步骤s5根据获得的曝光后多通道积分响应，利用相移解算方法恢复动态干涉相位，结合干涉相位与入射角之间的映射关系，获得动态条件下的恒星方向测量结果；将测量结果与参考方向进行比较，计算动态测角误差，其中，表示理论入射角：

29、进一步的，步骤s6的具体实现方法为当动态干涉因子幅值满足预设稳定测量阈值，且动态相位偏差满足预设相位变化约束时，认为当前平台运动条件下的干涉式星敏感器处于稳定测量状态。

30、一种基于动态复干涉响应的干涉式星敏感器工作边界确定方法，依托于所述的一种基于动态复干涉响应的干涉式星敏感器测角性能评估方法实现，包括如下步骤：

31、s101. 确定待分析动态参数；

32、s102. 利用动态复干涉响应以及动态条件下的恒星入射角测量结果建立动态测角性能评价指标；

33、s103. 基于匀速角运动对应的时变入射角计算对应动态干涉相位，输入到动态干涉因子模型，计算不同匀速角运动条件下的动态干涉响应；

34、s104. 将周期姿态抖动对应的时变入射角计算对应动态干涉相位，输入到动态干涉因子模型，计算不同周期姿态抖动条件下的动态干涉响应；

35、s105. 将步骤s103和步骤s104计算的对应动态干涉相位进行叠加，输入到动态干涉因子模型，计算匀速角运动与周期姿态抖动共同作用条件下的动态干涉响应；

36、s106. 基于步骤s101-步骤s105，对待分析的平台运动参数和曝光参数进行遍历计算，得到动态测角性能评价结果确定干涉式星敏感器动态工作边界。

37、进一步的，步骤s101中的待分析动态参数包括平台角速度、姿态抖动幅值、姿态抖动频率、姿态抖动初始相位、探测器曝光时间。

38、进一步的，步骤s102中动态测角性能评价指标包括：

39、调制度保持率，用于评价曝光后有效干涉信息的保持程度；

40、动态相位偏差用于评价有限曝光积分引起的系统性相位偏移；

41、动态测角误差用于评价动态条件下最终角度测量结果与真实角度之间的偏差。

42、进一步的，步骤s106对于每一组动态参数组合，首先根据动态测角性能评估方法，计算对应的动态复干涉响应、调制度保持率、动态相位偏差以及动态测角误差；

43、然后，根据步骤s102建立的动态测角性能评价指标，对当前动态参数组合是否满足测量要求进行判断；当动态参数组合满足预设性能约束条件时，将该参数组合定义为动态测角可用状态；当不满足性能要求时，将该参数组合定义为动态测角不可用状态；

44、通过对全部动态参数空间进行分析，获得满足测量要求的动态参数区域。

45、本发明的有益效果：

46、本发明所述的一种基于动态复干涉响应的干涉式星敏感器测角性能评估方法，通过建立平台姿态运动、时变恒星入射角、时变干涉相位以及有限曝光动态干涉响应之间的定量关联，实现了平台动态条件下干涉测角性能的统一建模与参数化表征；在此基础上，通过联合分析有限曝光后干涉响应的幅值和相位变化，可同时评价调制度退化、随机测角误差放大、动态相位偏移及相位分支变化等动态效应。进一步通过对平台角运动、姿态抖动及曝光参数进行分析，可确定干涉式星敏感器的动态测角可用区域及工作边界，为星敏感器曝光参数设置、平台稳定度指标确定及动态性能设计提供理论依据。