天文导航基础(二)

天文导航基础
第三章
天文导航敏感器
3.1.1姿态和姿态确定
• 姿态
航天器的姿态是指飞行器绕质心旋转运动的参量，常用其固 联的体坐标系相对某参考坐标系的方位或指向来描述。姿态运动 学研究旋转运动变量的自身性质，而不涉及产生运动的原因 姿态参数有多种描述形式，包括方向余弦矩阵、欧拉轴/角、 欧拉四元数和欧拉角等
xi

地心赤道惯性坐标系
3.1.2航天器常用坐标系
ze
Greenwich子午面
Oe
r 航天器
ye
xe

赤道面
地心赤道旋转坐标系
3.1.2航天器常用坐标系
xb xo zb
zo
ω0
地球
yb y
o
轨道坐标系和星体坐标系的示意图
3.1.3姿态参数-欧拉角
zb
za
za
za


O xb xa

ya
yb
Z2
Z a Z1
Z1 Zb


Y2 Yb

O

Ya
Y1

Xa
X1 X 2
Xb
zxy旋转顺序
3.1.3姿态参数 - 欧拉角
2. 方向余弦矩阵和zxy顺序的欧拉角的关系
C C S S S Cba C y Cx Cz C S S C S C S C S S S C C C S S S C C C S S C C
1
0 S 1 C 0 C S C 1 0 ba C 0 S C C 0
S S C C S
C S S C ba C
3.1.6航天器姿态确定基础
3 1 2 1 2 cos cos cos sin sin cos 2 2 2 2 2
1 e3 sin 3 2 1 2 1 2 1 2 e1 sin 2 cos 2 e2 cos 2 sin 2 e1 e2 sin 2 sin 2
0 C S C C 1 1 S S S ba C 0 C C S
1
0 C 0
C S S C ba C
3.1.5姿态运动学方程 ( 欧拉角)
ZYX转动次序
0 1 ba 0 C 0 S S S C C C
天文导航敏感器
yS
飞行器
0.5 H D
A

扫描锥
R
Ho

E
Hi
hCO 2

OS
Re
xS
地心
zS
H
圆锥扫描式地球敏感器的测量几何原理
星体对地球的视角半径
天文导航敏感器
圆锥扫描红外敏感器的两种典型布局
天文导航敏感器
1
3
单个探头视场
A'
A
C

C' O
O' B

D'
D
xS
B'
2
地球圆盘
信息处理电路 （含软件）
输出信号
太阳敏感器的基本环节
天文导航敏感器
中国空间技术研究院院标准《太阳敏感器分类、代号及铭牌》 （Q/W643—96） a. b. c. d. e. f. g. 模拟式太阳敏感器 余弦式太阳敏感器 V缝式太阳敏感器 编码式太阳敏感器 出现式太阳敏感器（又称太阳指示器，或0-1太阳敏感器） 电荷藕合器件（CCD）太阳敏感器 光电二级管阵列太阳敏感器
五眼式0-1太阳敏感器视场分布
五眼式0-1太阳敏感器(探头)
天文导航敏感器
天文导航敏感器
地球敏感器
基准信号 视场 扫描 运动 接收 到的 红外 能量 探 测 器 地球方波 放大 处理 线路
地球红外 辐射
前后沿 脉冲
计算 电路
姿态角信息
地平穿越式地球敏感器原理图
天文导航敏感器
yS
扫描方向 红外视场 红外扫描锥
O
O ya yb xa

ya

xa xb

ya
基元旋转矩阵
3.1.3姿态参数-欧拉角
Zb Z2
Za Z1 Yb

O

Y2 Y1 Ya

Xa
Xb
X1 X 2
zxz旋转顺序
3.1.3姿态参数 - 欧拉角
方向余弦矩阵和zxz顺序欧拉角的关系
C C S C S Cba Cz Cx Cz S C C C S S S
C31 C 32
C S S C C S S C C C S C
S S C S C
tg 1
cos 1 C33 tg 1
C13 C 23
3.1.3姿态参数 - 欧拉角
tan 1
C21 C22
sin 1 C23
C13 tan C 33
1
3.1.3姿态参数 - 欧拉角
3. 方向余弦矩阵和zyx顺序的欧拉角的关系
C C Czyx , , Cx C y C z C S S S C S S C S C C S C C S S S S S C S S S S C C C
C12 tan C11 sin 1 C13
1
C23 tan C 33
1
3.1.3姿态参数 – 欧拉轴/角
Cba cos E3 1 cos e e T sin e
2 cos ex 1 cos ex ey 1 cos ez sin ex ez 1 cos ey sin 2 ex ey 1 cos ez sin cos ey 1 cos ey ez 1 cos ex sin 2 ex ez 1 cos ey sin ey ez 1 cos ex sin cos e z 1 cos



3.1.5姿态运动学方程 ( 欧拉角)
ZXY转动次序
C ba 0 S
C 0 S
0 C S 1 S 0 C C
1 1 C11 C22 C33 2 1 q0 C12 C21 4q3 q3 q1 q2 1 C13 C31 4q3 1 C23 C32 4q3
3.1.4姿态参数 – 欧拉参数(姿态四元数)
相继角位移对应的欧拉参数 Sa
Qba
Qcb
Sb
Qca
Sc
Qca mat Qba Qcb
q0 q mat Q 1 q2 q3 q1 q0 q3 q2 q2 q3 q0 q1

Qca mati Qcb Qba
q3 q0 q q2 , mati Q 1 q2 q1 q0 q3 q1 q0 q3 q2 q2 q3 q0 q1 q3 q2 q1 q0
yS
S
xS
单轴太阳模拟敏感器的测量模型
天文导航敏感器
太阳光线和 狭缝组成的 平面
zS
太阳方向
s
太阳光 光线 码盘
光电池
编码式太阳敏感器的测量模型
我国生产的编码式太阳敏感器(探头)
天文导航敏感器
光刻狭缝
太阳像中心元

光零位元 h
第一亚元 CCD光敏面
XS X0
CCD太阳敏感器的工作几何模型
天文导航敏感器
1 1 C11 C22 C33 2 1 q2 C12 C21 4q1 q1 1 q3 C13 C31 4q1 1 q0 C23 C32 4q1
1 1 C11 C22 C33 2 1 q3 C23 C32 4q2 q2 q0 q1 1 C31 C13 4q2 1 C12 C21 4q2
3.1.4姿态参数 – 欧拉参数(姿态四元数)
欧拉参数与方向余弦矩阵的关系
2 Cba q0 q T q E3 2qq T 2q0 q 2 2 2 q0 q12 q2 q3 2 q1q2 q3 q0 2 q1q3 q2 q0
3.1.3姿态参数 – 欧拉轴/角
e
v
a
b u
u'

欧拉轴/角坐标变换示意图
3.1.3姿态参数 – 欧拉轴/角
e
zb
za

z
yb
y x
xa xb
ya
3.1.3姿态参数 – 欧拉轴/角
相继角位移对应的欧拉轴/角
, e
1 1
Sa
Sb
3 3
, e
2 2
Sc
, e

O 基准点
zS
xS
我国生产的单圆锥扫描地球敏感器 (探头)
单圆锥扫描红外敏感器的测量坐标系
天文导航敏感器
扫描轴
扫入时刻ti
0.5HD
地中
扫出时刻 to 地球方波
瞬时视场
HS
基准面无偏差 基准 t S
HS
基准面正偏差
基准 HS
Hi Ho
运动方向
基准面负偏差 基准
单圆锥扫描式地球敏感器的工作示意图 圆锥扫描式地球敏感器的工作原理
• 姿态确定
为完成飞行任务，通常需要确定航天器本体坐标系相对于某 一参考坐标系或某一特定目标(如某天体)的姿态参数的过程。 姿态确定的方法基本上可分为参考矢量法、惯性测量法及统 计估计法等。
3.1.2航天器常用坐标系
黄道、赤道、春分点
3.1.2航天器常用坐标系
zi
飞行器
春分点方向
Oe
r
yi
赤道面
天文导航敏感器
天文航海中的测量仪器
来自百度文库
天文导航敏感器
六分仪的测角原理
天文导航敏感器
天文导航敏感器
观测天体高度的要领
• 把天体的反射影像拉到水天线附近 • 摇摆六分仪，找天体垂直圈，等待相切。 • 记下准确相切的时间
天文导航敏感器
太阳敏感器
入射光
空间 滤波器
光谱 滤波器 光学探头部分
光电 探测器
kb

s
O


jb ib
坐标系绕单参考矢量的转动
3.1.6航天器姿态确定基础
w w*
e

3 1
u* u

2
v v*
双矢量定姿中观测矢量存在误差的情况
3.2天文导航敏感器
• 3.2.1航海测量仪器
• 3.2.2太阳敏感器
• 3.2.3地平敏感器 • 3.2.4星敏感器 • 3.2.5SS-ANARS和MAMS
滚动角 俯仰角
4 yS
单地平摆动扫描式地球敏感器测量原理
天文导航敏感器
地平跟踪式地球敏感器
天文导航敏感器
敏感器视场 地球 西
北
热电堆视场 地球 东
南 (a) (b)
辐射热平衡式地球敏感器的原理
天文导航敏感器
2.3 星敏感器
杂散光遮光罩 光学镜头 成像焦平面 电源接口
天文导航敏感器
太阳光
n

光电池
余弦式太阳敏感器的工作原理
天文导航敏感器
输出 透镜 敏感元件
零点 入射角
V
单轴模拟式太阳敏感器的工作原理
天文导航敏感器
双三角模拟太阳敏感器的工作原理图
我国生产的模拟太阳敏感器
天文导航敏感器
zS
测量值α：
s

Sy tan Sz
1
S


2 q1q2 q3q0
2 2 2 q0 q12 q2 q3
2 q2 q3 q1q0
2 q1q3 q2 q0 2 q2 q3 q1q0 2 2 2 q0 q12 q2 q3
1 1 C11 C22 C33 2 1 q1 C23 C32 4q0 q0 q2 q3 1 C31 C13 4q0 1 C12 C21 4q0