敏感器的星间夹角测量方法、系统、计算机设备及终端

1.本发明属于星间夹角测量技术领域，尤其涉及一种敏感器的星间夹角测量方法、系统、计算机设备及终端。


背景技术：

2.目前，在地面站受限情况下，考虑到星间链路的建立，实现了导航卫星间距离、速度的测量，确保导航系统在非常情况下不至于瘫痪。卫星导航系统长期自主导航的传统方式是采用星间测距进行自主定轨，但是由于没有外部基准，不能得到卫星星座旋转和偏移的情况。恒星可看成是位于无穷远处，近似不动的理想点光源，利用它的这个特性进行角距的测量，就能得到星间方向观测值。从而确定惯性系中星座的绝对方向信息，控制导航星座的整体旋转和漂移。结合星间测距、动力学模型及轨道先验信息即可实现星座自主定轨。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的采用星间测距进行卫星自主定轨的方式，由于没有外部基准，不能得到卫星星座旋转和偏移的情况。
4.解决以上问题及缺陷的难度为：在没有地面站的支持下，为在轨道上自主导航定轨的导航卫星提供方向和角度信息。测角方法需要较为成熟，同时保证精度和可靠性。此外，不能在导航卫星上添加过多的仪器和设备，不能为导航卫星自身的重量添加负担。
5.解决以上问题及缺陷的意义为：对现有的导航卫星及星座的长期自主运行提供精确的角距信息，将导航卫星和恒星联系起来。利用恒星是位于无穷远处且近似静止不动的特点来获取导航卫星的方向信息，表示导航卫星的漂移和旋转情况，从而消除随着时间变化星座的旋转和漂移带来的累计误差的影响。在此条件下，为导航卫星、编队卫星和导航星座的长期高精度定轨提供重要的和可靠的观测信息。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种敏感器的星间夹角测量方法、系统、计算机设备及终端，尤其涉及一种新型敏感器坐标变换及星间夹角测量方法、系统、设备及终端。
7.本发明是这样实现的，一种敏感器的星间夹角测量系统，所述敏感器的星间夹角测量系统包括：
8.导航卫星数据模拟模块，用于模拟导航卫星运行的坐标数据，并将模拟的卫星数据传入敏感器图像生成模块；
9.恒星数据导入模块，用于导入测量恒星的赤经和赤纬数据；
10.坐标系转换模块，用于通过坐标转换将导航卫星和恒星所在的天球坐标系转换到图像坐标系和像平面坐标系；
11.敏感器图像生成模块，用于将导航卫星和恒星的坐标数据由实际空间位置转换到像平面坐标系，并生成敏感器图像；
12.星图对比修正模块，用于将生成的敏感器图像与实际星图进行对比，辅助找到导
航卫星和恒星并修正误差，得到导航卫星和恒星准确的质心坐标；
13.星间夹角计算模块，用于由星图对比修正单元得到的图像，计算出角距测量值。
14.进一步，所述导航卫星数据模拟模块包括：
15.卫星轨道生成单元，用于通过定义卫星轨道六参数和开始时间，生成导航卫星坐标数据；
16.卫星坐标系转换单元，用于将icrf坐标系转换为j2000坐标系；
17.模拟真实数据单元，用于通过初始卫星参数和转换后的卫星坐标系生成j2000坐标系卫星数据。
18.进一步，所述恒星数据导入模块，用于在stk仿真软件的恒星数据库导入指定恒星的赤经和赤纬数据。
19.进一步，所述坐标系转换模块包括：
20.图像坐标系转换单元，用于将天球坐标系转换到以感光面的中心为坐标原点的图像坐标系；
21.像空间坐标系转换单元，用于将以感光面的中心为坐标原点的图像坐标系转换为新型敏感器坐标系，即像空间坐标系。
22.进一步，所述敏感器图像生成模块，用于通过坐标系转换，将导航卫星和恒星生成在新型敏感器的成像平面上，生成的图像能够表示出卫星和恒星的坐标以及星间的夹角；
23.所述星图对比修正单元，用于将生成的敏感器图像与实际星图进行对比，辅助找到星图上的导航卫星和恒星，并利用先验的敏感器图像对星图上的误差进行修正，得到导航卫星和恒星准确的质心坐标；
24.所述星间夹角计算模块，用于由星图对比修正单元得到的图像，计算得到两个导航卫星基线和卫星与恒星连线的夹角。
25.本发明的另一目的在于提供一种应用所述的敏感器的星间夹角测量系统的敏感器的星间夹角测量方法，所述敏感器的星间夹角测量方法包括以下步骤：
26.步骤一，导航卫星数据模拟模块按照卫星的轨道六参数模拟得到卫星在轨道上运动的位置和速度，并仿真出真实状态的卫星；
27.步骤二，恒星数据导入模块按照恒星的赤经和赤纬数据将恒星坐标导入到天球坐标系中，得到导航卫星和恒星在天球坐标系的坐标；
28.步骤三，利用带有星敏感器的照相设备在卫星处进行拍照，星敏感器在光轴指向上要同时拍到卫星和恒星；
29.步骤四，对拍出的星图进行处理，用仿真数据得到的先验成像图对拍照图像进行修正，得到准确的成像图，计算得到两颗卫星基线连线和其中一颗卫星与恒星之间连线的角距观测量。
30.进一步，所述敏感器的星间夹角测量方法还包括求得两个卫星连线os和其中一个卫星与恒星连线or的夹角，包括：
31.在导航卫星o处安装星敏感器进行拍照，所得的图像在像平面上，要得到两个卫星连线os和其中一个卫星与恒星连线or1的夹角∠sor1，就要求出像平面上卫星s和恒星r1的投影，也就是求出b1和a1的坐标；在新型星敏感器成像平面上，图像坐标系中的像点b1在此像空间坐标系上的坐标值为(x,y,z＝f)，其中f为新型星敏感器的焦距，x和y是需要求解的
坐标值；在新型星敏感器的成像平面上，它的z轴指向将随着拍照位置的变化而变化，但是能够保证每次摄影时z轴的正向都指向地球质心，每一点的z坐标都为焦距f；因此，在新型敏感器坐标系上的坐标值全部取决于在成像平面上的位置；在像空间坐标系上，s(a,b,c)处的坐标是由导入的两个导航卫星坐标计算得到，在像空间的各个坐标有如下关系：
[0032][0033]
由式(1)，可求得像平面上b1(x,y)的坐标；
[0034]
对于任意一颗恒星ri,它的赤经和赤纬为(αi,δi)，在新型敏感器像平面上的投影点为ai(xi,yi,zi)；
[0035]
在像空间坐标系中，由zi＝f＝sinδi·
oai(i＝1,2,3,
…
)，可得
[0036][0037]
因此，恒星在新型敏感器像平面上的投影点可以求出：
[0038][0039]
由式(2)，可得ai(xi,yi,zi)，根据上述推导，能够求出a1(x1,y1,z1)的坐标量；
[0040]
由此，可以求得点b1(x,y,z)和点a1(x1,y1,z1)的坐标；
[0041]
a(x1,y1,z1)为卫星1在新型敏感器成像平面上的投影，b(x2,y2,z2)为恒星在新型敏感器成像平面上的投影，卫星连线的基线和卫星与恒星连线的星间夹角为θ，当求出卫星2和恒星在像平面上投影的坐标后，就得到了先验的新型敏感器成像图，用先验的成像图对真实的拍摄照片进行修正，由修正后的星图上的几何关系，得：
[0042][0043][0044][0045]
根据三角形余弦公式，可得：
[0046]
ab2＝as2 bs
2-2as
·
bscos∠asb
[0047]
求出空间内角距观测量：
[0048][0049]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理
器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0050]
导航卫星数据模拟模块按照卫星的轨道六参数模拟得到卫星在轨道上运动的位置和速度，并仿真出真实状态的卫星；恒星数据导入模块按照恒星的赤经和赤纬数据将恒星坐标导入到天球坐标系中，得到导航卫星和恒星在天球坐标系的坐标；利用带有星敏感器的照相设备在卫星处进行拍照，星敏感器在光轴指向上要同时拍到卫星和恒星；对拍出的星图进行处理，用仿真数据得到的先验成像图对拍照图像进行修正，得到准确的成像图，计算得到两颗卫星基线连线和其中一颗卫星与恒星之间连线的角距观测量。
[0051]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0052]
导航卫星数据模拟模块按照卫星的轨道六参数模拟得到卫星在轨道上运动的位置和速度，并仿真出真实状态的卫星；恒星数据导入模块按照恒星的赤经和赤纬数据将恒星坐标导入到天球坐标系中，得到导航卫星和恒星在天球坐标系的坐标；利用带有星敏感器的照相设备在卫星处进行拍照，星敏感器在光轴指向上要同时拍到卫星和恒星；对拍出的星图进行处理，用仿真数据得到的先验成像图对拍照图像进行修正，得到准确的成像图，计算得到两颗卫星基线连线和其中一颗卫星与恒星之间连线的角距观测量。
[0053]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的敏感器的星间夹角测量系统。
[0054]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的敏感器的星间夹角测量方法，利用仿真出的先验信息对星图进行修正，相比优于通过从星敏感器的图像得到质心坐标的方法，因为星敏感器图像可能含有较多杂点并且测量有误差，本发明提出的方法能够更为简便准确的得到星间夹角，为星间夹角的仿真测量提出了一种新方案。通过坐标系转换到新型敏感器的像空间坐标系，作为先验值对拍出的真实星图进行修正，最终得到两颗卫星基线连线和其中一颗卫星与恒星之间连线的角距观测量。
[0055]
本发明将卫星和恒星的连线联系起来，利用恒星是位于无穷远处、近似静止不动的特点来表示导航卫星的漂移和旋转情况。本发明对自主运行的导航星座角距信息的获得提出更为精确的方案，消除星座整体旋转带来的误差累积影响，提供更加精确的导航卫星长期自主定轨的角距测量方法。
附图说明
[0056]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0057]
图1是本发明实施例提供的敏感器的星间夹角测量方法流程图。
[0058]
图2是本发明实施例提供的敏感器的星间夹角测量系统结构框图。
[0059]
图3是本发明实施例提供的坐标系转换图。
[0060]
图4是本发明实施例提供的星间夹角测量原理图。
[0061]
图5是本发明实施例提供的星间夹角测量仿真图。
具体实施方式
[0062]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0063]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种敏感器的星间夹角测量方法、系统、计算机设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0064]
如图1所示，本发明实施例提供的敏感器的星间夹角测量方法包括以下步骤：
[0065]
s101，导航卫星数据模拟模块按照卫星的轨道六参数模拟得到卫星在轨道上运动的位置和速度，并仿真出真实状态的卫星；
[0066]
s102，恒星数据导入模块按照恒星的赤经和赤纬数据将恒星坐标导入到天球坐标系中，得到导航卫星和恒星在天球坐标系的坐标；
[0067]
s103，利用带有星敏感器的照相设备在卫星处进行拍照，星敏感器在光轴指向上要同时拍到卫星和恒星；
[0068]
s104，对拍出的星图进行处理，用仿真数据得到的先验成像图对拍照图像进行修正，得到准确的成像图，计算得到两颗卫星基线连线和其中一颗卫星与恒星之间连线的角距观测量
[0069]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0070]
实施例1
[0071]
如图2所示，本发明实施例提供的敏感器的星间夹角测量系统包括：
[0072]
导航卫星数据模拟单元，用于模拟导航卫星运行的坐标数据，将模拟的卫星数据传入敏感器图像生成单元；
[0073]
导航卫星数据模拟模块，用于模拟导航卫星运行的坐标数据，并将模拟的卫星数据传入敏感器图像生成模块；
[0074]
恒星数据导入模块，用于导入测量恒星的赤经和赤纬数据；
[0075]
坐标系转换模块，用于通过坐标转换将导航卫星和恒星所在的天球坐标系转换到图像坐标系和像平面坐标系；
[0076]
敏感器图像生成模块，用于将导航卫星和恒星的坐标数据由实际空间位置转换到像平面坐标系，并生成敏感器图像；
[0077]
星图对比修正模块，用于将生成的敏感器图像与实际星图进行对比，辅助找到导航卫星和恒星并修正误差，得到导航卫星和恒星准确的质心坐标；
[0078]
星间夹角计算模块，用于由星图对比修正单元得到的图像，计算出角距测量值。
[0079]
本发明实施例提供的导航卫星数据模拟单元，包括：
[0080]
卫星轨道生成单元，用于通过定义卫星轨道六参数和开始时间，生成导航卫星坐标数据；
[0081]
卫星坐标系转换单元，用于将icrf坐标系转换为j2000坐标系；
[0082]
模拟真实数据单元，用于通过初始卫星参数和转换后的卫星坐标系生成j2000坐标系卫星数据。
[0083]
本发明实施例提供的恒星数据导入单元，包括：
[0084]
在stk仿真软件的恒星数据库导入指定恒星的赤经和赤纬数据。
[0085]
本发明实施例提供的坐标系转换单元，包括：
[0086]
图像坐标系转换单元，用于将天球坐标系转换到以感光面的中心为坐标原点的图像坐标系；
[0087]
像空间坐标系转换单元，用于将以感光面的中心为坐标原点的图像坐标系转换为新型敏感器坐标系(像空间坐标系)。
[0088]
本发明实施例提供的敏感器图像生成单元，包括：
[0089]
通过坐标系转换单元用于通过坐标系转换，将导航卫星和恒星生成在新型敏感器的成像平面上，生成的图像能够表示出卫星和恒星的坐标以及星间的夹角。
[0090]
本发明实施例提供的星图对比修正单元，包括：
[0091]
将生成的敏感器图像与星图进行对比，辅助找到星图上的导航卫星和恒星，用先验的敏感器图像对星图上的误差进行修正，得到导航卫星和恒星准确的质心坐标。
[0092]
本发明实施例提供的星间夹角计算单元，包括：
[0093]
所述敏感器图像生成模块，用于通过坐标系转换，将导航卫星和恒星生成在新型敏感器的成像平面上，生成的图像能够表示出卫星和恒星的坐标以及星间的夹角。
[0094]
本发明提出的星间夹角测量方法，将卫星和恒星的连线联系起来，利用恒星是位于无穷远处、近似静止不动的特点来表示导航卫星的漂移和旋转情况。本发明利用仿真出的先验信息对星图进行修正，提出了更为简便准确的敏感器测量星间夹角的方法。本发明通过将仿真的导航卫星和恒星生成在新型敏感器的成像平面中，为拍摄的实际星图提供修正参考，提出了一种更为简便的导航卫星星间夹角的测量方法。
[0095]
实施例2
[0096]
如图2所示，导航卫星数据模拟模块按照卫星的轨道六参数模拟得到卫星在轨道上运动的位置和速度，并仿真出真实状态的卫星。恒星数据导入模块按照恒星的赤经和赤纬数据将恒星坐标导入到天球坐标系中，得到导航卫星和恒星在天球坐标系的坐标。利用带有星敏感器的照相设备在卫星处进行拍照，星敏感器在光轴指向上要同时拍到卫星和恒星。对拍出的星图进行处理，用仿真数据得到的先验成像图对拍照图像进行修正，得到准确的成像图，计算得到两颗卫星基线连线和其中一颗卫星与恒星之间连线的角距观测量。
[0097]
在其中一颗导航卫星上建立图像坐标系。为了获得空间夹角，把两颗卫星基线的连线和其中一颗卫星与恒星的连线根据坐标系转换单元转换到位于新型敏感器的成像平面上，像点在新型敏感器坐标系上的坐标与在图像坐标系的坐标相对应。敏感器图像生成单元将生成位于新型敏感器的成像平面上的星像图。将生成的敏感器图像与星图进行对比，辅助找到星图上的导航卫星和恒星，用先验的敏感器图像对星图上的误差进行修正，得到导航卫星和恒星准确的质心坐标，最终运用星间夹角测量方法测量出星间的角度量。
[0098]
如图3所示，在导航卫星o处安装星敏感器进行拍照，所得的图像在像平面上，要得到两个卫星连线os和其中一个卫星与恒星连线or1的夹角∠sor1，就要求出像平面上卫星s和恒星r1的投影，也就是求出b1和a1的坐标；在新型星敏感器成像平面上，图像坐标系中的像点b1在此像空间坐标系上的坐标值为(x,y,z＝f)，其中f为新型星敏感器的焦距，x和y是需要求解的坐标值；在新型星敏感器的成像平面上，它的z轴指向将随着拍照位置的变化而变化，但是能够保证每次摄影时z轴的正向都指向地球质心，每一点的z坐标都为焦距f；因此，在新型敏感器坐标系上的坐标值全部取决于在成像平面上的位置；在像空间坐标系上，
s(a,b,c)处的坐标是由导入的两个导航卫星坐标计算得到，在像空间的各个坐标有如下关系：
[0099][0100]
由式(1)，可求得像平面上b1(x,y)的坐标；
[0101]
对于任意一颗恒星ri,它的赤经和赤纬为(αi,δi)，在新型敏感器像平面上的投影点为ai(xi,yi,zi)；
[0102]
在像空间坐标系中，由zi＝f＝sinδi·
oai(i＝1,2,3,
…
)，可得
[0103][0104]
因此，恒星在新型敏感器像平面上的投影点可以求出：
[0105][0106]
由式(2)，可得ai(xi,yi,zi)，根据上述推导，能够求出a1(x1,y1,z1)的坐标量；
[0107]
由此，可以求得点b1(x,y,z)和点a1(x1,y1,z1)的坐标；
[0108]
a(x1,y1,z1)为卫星1在新型敏感器成像平面上的投影，b(x2,y2,z2)为恒星在新型敏感器成像平面上的投影，卫星连线的基线和卫星与恒星连线的星间夹角为θ，当求出卫星2和恒星在像平面上投影的坐标后，就得到了先验的新型敏感器成像图，用先验的成像图对真实的拍摄照片进行修正，由修正后的星图上的几何关系，得：
[0109][0110][0111][0112]
根据三角形余弦公式，可得：
[0113]
ab2＝as2 bs
2-2as
·
bscos∠asb
[0114]
求出空间内角距观测量：
[0115][0116]
如图5所示，在stk中导出两颗导航卫星在轨运行的坐标，同时导出恒星的赤经和赤纬。以卫星1为坐标原点，计算出卫星2和恒星在像平面上的投影，得到先验的新型敏感器成像图。再用先验的成像图对拍摄得到的图片进行修正，得到修正后的成像图。根据角距观
测量的公式计算得到每一时刻的角距测量量，从而可以将角距测量量用于卫星的自主导航。
[0117]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现时，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0118]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。