光 电 子 技 术第３４卷第１期Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．１
２０１４年３月ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭａｒ．２０１４
檸殠
檸檸檸檸檸殠研究与试制
檸殠
檸檸檸檸檸殠
＊
基于双星敏感器的船体姿态测量系统设计＊
２
，何 昕１，魏仲慧１，张同双３郭敬明１，
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春１１．３００３３；
）中国科学院大学，北京１中国卫星海上测控部，江苏江阴２２．０００３９；３．１４４３１
摘 要：提出了一种基于双星敏感器的船体姿态测量系统。本系统采用两台大视场高精度一台指向船艉，一台指向左舷，组合定姿达到提高横摇角测量精度的目的。选用ＣＣＤ星敏感器，
成像后经实时图像处理器提取星点目标位置、灰度信息传给数据处ＴＨ７８８８Ａ作为ＣＣＤ传感器，理计算机，通过星图识别、姿态确定获取地心惯性坐标系下视轴指向，经岁差、章动、极移、船位、蒙气差等修正，获得惯导地平系下姿态矩阵。依据标定的星敏感器与甲板坐标系安装矩阵，解算船体将两台星敏感器解算的姿态角进行融合，达到获取三个高精度船体姿态角的目的。实验表姿态角，
、，该系统航向、纵摇及横摇测角精度分别达到８．及５．测量精度高、自主性强且能不明，４６″７．１６″１１″随时间漂移。
关键词：航天测量船；船体姿态；双星敏感器；组合定姿；安装矩阵
）中图分类号：ＴＮ９１１．７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５４８８Ｘ（２０１４０１０００５０６－－－
ＴｈｅＤｅｓｉｎｏｆａＳｈｉＡｔｔｉｔｕｄｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｓｔｅｍＢａｓｅｄ ｇｐｙ ｏｎＤｕａｌＳｔａｒＳｅｎｓｏｒｓ
１２１１３
，ＷＥＧＵＯＪｉｎｍｉｎＸｉｎＩＺｈｏｎｈｕｉＺＨＡＮＧＴｏｎｓｈｕａｎ ， ｇｇ，ＨＥｇｇｇ
，
（１．ＣｈａｎｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＯｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄ Ｐｈｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏＳｃｉｅｎｃｅｓ， ｇｆ ｐｙｙｆ
Ｃｈａｎｃｈｕｎ１３００３３，ＣＨＮ；ｇ２．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｉｎ０００３９，ＣＨＮ； ｙｆ ｙｆ ｊｇ１
３．ＣｈｉｎａＳａｔｅｌｌｉｔｅ ＭａｒｉｔｉｍｅＴｒａｃｋｉｎａｎｄ ＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎＤｅａｒｔｍｅｎｔ，ＪｉａｎｉｎＪｉａｎｓｕ２１４４３１，ＣＨＮ） ｇｇ ｐｇｙｇ ：ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｒｏｖｅｔｈｅｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｏｕｒｓａｃｅＴＴ＆Ｃ ｐｐｐｐ ｓｈｉａｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌｓｔａｒｓｅｎｓｏｒｓｉｓｒｏｏｓｅｄ．Ｔｈｅｓｓｔｅｍｕ －ｐｙｙｐ，ｐｐ ｓｅｓｔｗｏｗｉｌｄｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗａｎｄｈｉｈａｃｃｕｒａｃｓｔａｒｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｕｓｅｄｗｉｔｈｏｎｅｏｉｎｔｉｎｔｏｓｈｉｓｔｅｒｎ －－－ － ｇｙｐｇｐ
，ａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｏｉｎｔｉｎｔｏｏｒｔｓｉｄｅｗｈｉｃｈｉｍｒｏｖｅｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｏｆｒｏｌｌａｎｌｅｂｈ －ｐｇｐｐｙｇｙｙ ，，ｂｒｉｄａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｓｓｔｅｍ，ＴＨ７８８８ＡｉｓｕｓｅｄａｓＣＣＤｓｔａｒｓｅｎｓｏｒａｎｄａｆｔｅｒｉｍａ －ｙ
ｉｎｒｅａｌｔｉｍｅｉｍａｅｒｏｃｅｓｓｉｎｓｓｔｅｍｅｘｔｒａｃｔｓｓｔａｒｔａｒｅｔｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｒａｖａｌｕｅｔｏｄａｔａ－ ｇｇ，ｇｐｇｙｇｇｙ ｒｏｃｅｓｓｉｎｃｏｍｕｔｅｒｆｏｒｏｂｔａｉｎｉｎｏｔｉｃａｌａｘｉｓｏｉｎｔｉｎｗｉｔｈｒｅｓｅｃｔｔｏｉｎｅｒｔｉａｌｓａｃｅｂｓｔａｒｒｅｃ －ｐｇｐｇｐｐｇｐｐｙ
，，，ｏｎｉｔｉｏｎａｎｄａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ．Ａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆｒｅｃｅｓｓｉｏｎｎｕｔａｔｉｏｎｏｌｅｓｈｉｆｔ ｇｐｐ
收稿日期：２０１３０５０８－－
：）基金项目国家自然科学基金资助项目（６０８７８０５２
，（：作者简介：郭敬明（男，博士研究生，助理研究员，主要从事星敏感船体姿态测量方面的研究；１９８５—）Ｅ－ｍａｉｌｍ４４１＠ｇｊ
１６３．ｃｏｍ）
，何 昕（男，研究员，博士生导师，主要从事光电设备测量、图像处理等方面的研究；１９６６—），魏仲慧（女，研究员，博士生导师，主要从事光电设备测量、图像存储等方面的研究。１９６１—）
６
光 电 子 技 术第３４卷
，ｓｈｉｏｓｉｔｉｏｎａｎｄａｔｍｏｓｈｅｒｅｒｅｆｒａｃｔｉｏｎａｔｔｉｔｕｄｅｍａｔｒｉｘｏｆｓｔａｒｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｒｅｓｅｃｔｔｏＩＮＳｈｏｒｉ －ｐｐｐｐ ｚｏｎｔａｌｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｓｔｅｍｉｓａｃｕｉｒｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｔｏｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｅｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｍａｔｒｉｘｏｆｄｕａｌｓｔａｒ ｙｑｇ
，，ｓｅｎｓｏｒｓｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌａｎｄｔｈｅｎｔｈｒｅｅｈｉｈｒｅｃｉｓｉｏｎｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅａｎｌｅ －ｐ ｐｐｙｇｐｇ ｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｄａｔａｆｕｓｉｏｎ．Ｉｔｉｓｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｏｆｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅｓｓ －ｙｐｙｙｐｙ
，，ｉｔｃｈｔｅｍｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｏ６．９″ｏｆｃｏｕｒｓｅ５．７″ｏｆａｎｄ４．５″ｏｆｒｏｌｌ．Ｈｉｈａｃｃｕｒａｃｓｔｒｏｎａｕｔｏｎｏｍ ｐｇｙｇｙ ｎｏｎｄｒｉｆｔｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｔｈｅｓｓｔｅｍａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ａｎｄ ｙ
：；；ＫｅｗｏｒｄｓｓａｃｅＴＴ＆Ｃｓｈｉｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｄｕａｌｓｔａｒｓｅｎｓｏｒｈｂｒｉｄａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｒｍｉｎａ －ｐｐ；ｐｙｙ
；ｔｉｏｎｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｍａｔｒｉｘ
角。经实验验证，本文提出的测量系统三个船体姿
引 言
“远望”号测量船是目前我国航天飞行器测控系统的一个重要组成部分，它是为了适应导弹、航天器试验的发展而在海上设置的测控站。航天测量船采用单站定位体制，测控设备以船舶为平台，其测量是在动态条件下，设备的位置、姿态在不停地变化，必须在测量设备跟踪被测目标的同时，对测量船的位置和姿态进行同步测量。目前航天测量船装备了以卫星导航设备以及标校经纬仪等为惯性导航为主，
辅的组合导航系统。但由于惯性导航系统具有误差累积的缺点，长时间工作时需要提供外部的位置、航
１］
。向校准信息，对惯性导航系统进行综合校准［
。态角测量精度均优于１０″
１ 双星敏感器船姿测量系统方案
星敏感器的姿态测量精度可由休斯公司的仿真评价公式估算：
σＰ＝σＹ＝σＲ＝
ｘ（）１
·ｘ（（）ｒａｄ）２
ｎ－１θｓｅｐ
式中，偏航方向的姿态测量误差σσＰ、Ｙ分别是俯仰、角度，指对星敏感器）的姿态测量误σＲ是横滚方向（
差角弧度，ｎ是参与计算的星数，σｘｙ是星敏感器像面座标中ｘ、单星测量误ｙ方向上的角度测量误差（，差）由此可以看出，θｓｅｐ为探测星的平均分离角度，横滚角的测量误差是偏航、俯仰测量误差的几倍。星（弹）载多星敏感器一般采用空间正交安装方
３］
，式［而船用星敏感器受视场角及船载测量设备遮
星敏感器是一种高精度的姿态测量装置，且不随时间漂移，具有自主导航能力，以恒星为参照物，利用探测单元某一时刻对天空直接捕获星图，经过数据处理单元对星图进行恒星质心提取、星图识别、星跟踪、姿态计算等一系列处理，获得星敏感器相对惯性空间的高精度姿态信息，目前广泛应用于卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器姿态测
２］
。随着高精度大视场星敏感器技术的成熟，量［利
挡等因素影响，不能沿载体坐标轴方向布置，不能空间正交，只能保证其水平投影处于正交状态。针对这一特点，本文提出一种基于双星敏感器的船姿测）量方案。具体设计思想如图（所示。１
本方案拟采用两台星敏感器组合测量达到提高船体姿态横摇角的目的。星敏感器Ａ１沿船体艏艉线排列，指向船艉，星敏感器Ａ根２指向船体左舷，
据船载设备遮挡因素，分别选择仰角为３５°和４０°。两台星敏感器各自解算出船体姿态角，分别为（Ｋ１，，（。为避免因单星敏感器横滚角Ｋ２，θθ１，１）２，２）ψψ
将两星敏感器解算测量精度低造成横摇角误差大，
的船体姿态角进行数据融合，具体方法如下式：
（
Ｋ１＋Ｋ２）２
用其测量船体姿态成为可能。
针对海上测控任务需求的不断提高，本文采用高精度星敏感器来提高航天测量船综合测量精度，建立了基于星敏感器船姿测量的数学模型，设计了一套基于双星敏感器的船姿测量系统，一台指向船艉，一台指向左舷。硬件结构上，采用ＴＨ７８８８Ａ作成像后经光纤传输系统传到机下电为ＣＣＤ传感器，控箱，经实时图像处理器提取星点目标位置、灰度信通过星图息给数据处理计算机处理。软件设计上，识别、姿态确定获取地心惯性坐标系下视轴指向，经岁差、章动、极移、船位、蒙气差等修正，得到惯导地平系下姿态角。依据标定的星敏感器与甲板坐标系安装矩阵，解算船体姿态角，将两台星敏感器解算的姿态角进行融合，从而得到三个高精度的船体姿态
Ｋ＝
（）３
（）４１ψ＝ψ
（）５θ＝θ２
俯仰分别影响船体航向、纵１偏航、 星敏感器Ａ
第１期郭敬明，等：基于双星敏感器的船体姿态测量系统设计
７
图２ 单星敏感器船姿确定
Ｆｉ．２ Ｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｌｅｓｔａｒ ｇｐｇ
ｓｅｎｓｏｒ
，瞬时真赤道地心系（再由瞬时真赤道地心系ＣＴ）（，经地球自转修正转准地固坐标系（再由ＣＴ）ＥＴ）
准地固坐标系（经极移修正转地固坐标系ＥＴ）（），再根据船位参数由地固坐标系（转地ＣＴＳＣＴＳ）
［４］
，平系（由星敏感器惯导地平系姿态矩阵ＭＤＰＤＰ）得到星敏感器惯导地平系下方位角α，俯仰角β，滚
摇姿态，而横滚角影响船体三个姿态角，因此，航向、纵摇测量精度高；星敏感器Ａ俯仰分别影响２偏航、横摇姿态，而横滚角影响船体三个姿态船体航向、
角，因此，航向、横摇精度高。将星敏感器Ａ１、Ａ２测量的航向平均值作为融合后的航向，将星敏感器Ａ１测量的纵摇作为融合后的纵摇，将星敏感器Ａ２测
量的横摇作为融合后的横摇。
图３ 坐标变换
Ｆｉ．３ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｇ
图１ 双星敏感器船姿测量方案图
Ｆｉ．１ Ｔｈｅｏｆｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｔｅｍｌａｎ ｇｐｙｐ
ｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌｓｔａｒｓｅｎｓｏｒ
坐标变换如图３所示
。动角γ，
２ 单星敏感器船姿确定
单星敏感器船姿确定流程如图２所示。图像传感器拍摄星图后，经过图像处理电路经过预处理、连通性分析提取出星点的位置和灰度信息，输出给星图识别模块，经过三角形识别算法在导航星库中找到观测星的对应匹配，得到视场内的所有恒星赤经、赤纬，经过自行、光行差修正后，利用所有恒星的参考矢量及其观测矢量，通过姿态确定算法计算星敏感器在Ｊ经过坐标２０００．０地心惯性坐标系下指向，变换转换到惯导地平系下，经过蒙气差修正后，重构再根据船载星敏感器惯导地平坐标系下姿态矩阵，
，星敏感器的安装矩阵（船坞内标校时得到）计算出船体姿态矩阵。
星敏感器技术部分包括图像获取单元、星图预处理单元、星图识别单元及姿态确定单元。
星敏感器获取Ｊ２０００．０地心惯性坐标系（ＣＩＳ）视轴指向后，需经岁差修正转瞬时平赤道地心系（，再从瞬时平赤道地心系（经章动修正转ＭＴ）ＭＴ）
地面光学设备（包括天文望远镜、航天测控系统的经纬仪、星敏感器等）观测恒星时，由于可见光穿越大气层时受大气折射的影响，得到的视位置高度与恒星的真位置高度存在一定的偏差（该高度偏差，称作蒙气差）因此需要对观测数据进行蒙气差修
５］
。考虑到大气折射影响，正［根据星敏感器地平系
选择蒙气差模型修正，然后得到新的姿态仰角不同，
，角（重构姿态矩阵得到Ｍ′，′α，δγ）ＤＰ。
）（当星敏感器地平仰角大于等于１蒙气差１４°，ρ采用中国天文年历中蒙气差模型：
（）１＋αＡｔ＋Ｂ）６ｔ０ρ＝（ρ
式中，可直接利用下式计算：０为蒙气差常数，ρ
２
０．０９７２４６８″ｔａｎＺ＋＋０．０１０９３３２ｔａｎＺ－０＝６ρ
３４
０．０７２９００２ｔａｎＺ＋０．００１８３２７ｔａｎＺ－
５
（）０．００００１０７ｔａｎＺ７
其中Ｚ为天顶距，Ｚ＝９０°－δ。αｔ为气温变差乘数
修订系数，当δ≤４５°时可由下式计算：
．０－０．００７２０２７ｔａｎＺ＋０．０１３３６５１ｔａｎ Ｚ－αｔ＝１
２
８
光 电 子 技 术
３４
０．００７３４１７ｔａｎＺ＋０．００１８７００ｔａｎＺ－
第３４卷
５
（）０．０００１７００ｔａｎＺ８
与温度ｔ有关；ＡＢ为气压变差乘ｔ为气温变差乘数，
数，与测量站附近气压Ｐ有关：
经过岁差、章动、极移等修正获得惯导地平系 ２．
下姿态矩阵。
由星敏感器俯仰角采用相应的蒙气差修正模３．
型进行修正，重构惯导地平系下姿态矩阵。根据标校经纬仪测量的航向信息，即船体姿４．
计算星敏感器安装矩阵，多次测量求平均态真值，值。
船航行时，重复１～３步中计算星敏感器惯导５．
地平系下姿态矩阵。
由第４步中标定的安装矩阵，计算实时船体６．
姿态矩阵，求解船体姿态角。进行双星敏感器船姿数据融合，输出融合后７．的船姿。
，）ＡＢ＝９－１（ｔ＝
１＋０．００３６７×ｔ１０１３．２４７２）当地平仰角５采用Ｐ２°≤４°时，ｏｌｋｏｖｏ蒙 （β≤１气差模型：
（）１０×０ρ＝１７３．０１３．２５２１５＋ｔ
可直接利用下式计算： ０为蒙气差常数，ρ
″″３
０．２２９３ｔａｎＺ－０．０６５６０ｔａｎＺ＋０＝６ρ
″５″７
（）０．０００１６１１３ｔａｎＺ－２．８７ａｎＺ１１×ｔ重构星敏感器惯导地平系下 经蒙气差修正后，
姿态矩阵Ｍ′ＤＰ为：（）Ｍ′Ｒｚ（′）Ｒｘ（１２－δα）γ）ＤＰ＝Ｒｙ（
，，分别表示绕Ｘ、Ｒｘ（Ｒｙ（ＲＹ和 其中，θ）θ）θ）ｚ（Ｚ轴逆时针旋转θ角后形成的矩阵。
测量船进坞坐墩时，船载标校经纬仪确定测量，船航向Ｋ真（由此得到船体姿态矩阵θ真＝０）ψ真＝
ｂ
真值Ｒ可计算星敏感器坐标系与甲板坐标０，ＤＰ＝Ｒ
３ 系统设计
）系统框架图如图（所示，星敏感器船姿测量系４统由光学系统、机械结构、光纤传输系统、实时图像处理器及数据处理计算机等几部分组成。
图像传感器电路完成对星空图像的采集，Ａ１、由ＣＡ２图像传感器电路相同，ＣＤ焦平面组件、ＣＣＤ
驱动电路、前端电路、视频信号处理器、相机时序控制器及制冷与温控单元组成，制冷可以提高信噪比，减小暗电流噪声；光纤传输单元负责机上、机下图像实时图像处理器完成星图预及相机通讯指令传输；
处理，连通性分析，星点目标实时提取，实时输出星点目标的位置及灰度给数据处理计算机；图像采集卡负责采集Ｃ可ａｍｅｒａＬｉｎｋ接口图像到计算机内，以将星图存储到计算机中保存原始图像文件，以便时统终端对各种算法的检验和以后进一步的处理；负责提供整个系统的外同步信号，ＧＰＳ提供时间信串口通信卡负责主控计算机与各分系统的通信息；指令传输
。
系的安装矩阵为：
（）１３
ｂ
船航行时， 完成星敏感器安装矩阵标定ＲＳ后，
）可由公式（可得船体姿态矩阵计算公式：１４
ｂｂ
，Ｒ′ＲｓＤＰ＝ＭＤＰ
即可得到３个船体姿态角Ｋ，θ：ψ，
１ｂｂ－
（］［］／］［］）Ｋ＝ｔａｎＲ２０Ｒ００ＤＰ［ＤＰ［
１ｂ－
（］［］）ｉｎＲ１０ＤＰ［ψ＝ｓ
ｂ１－
ＲＭ′ＤＰ）Ｒ０ｓ＝（
（）１４（）１５
（）１６
１ｂｂ－
（］［］／］［］）（）ａｎＲ１２Ｒ１１１７θ＝－ｔＤＰ［ＤＰ［
单星敏感器船姿确定算法流程如下：
船坞坐墩时，星敏感器测星经过星图识别，姿１．
态确定获得地心惯性系下视轴指向。
图４ 系统框架图
Ｆｉ．４ Ｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｓｔｅｍ ｇｙ
第１期郭敬明，等：基于双星敏感器的船体姿态测量系统设计
９
具体流程：
系统上电后，１．ＣＣＤ成像单元完成星图采集，经机上光纤传输系统传到机下电控箱。
机下光纤接收时统的外同步与时间码，将时间２．
之后传给实时图像处理器。信息叠加到图像最后一行，
实时图像处理器接收图像后，一路传给图像３．
存储卡，一路经阈值分割、连通性分析提取星点目标的位置坐标及灰度值传给数据处理计算机。经星图识别，姿态确定，船姿计算等，两星敏４．
感器分别解算船体姿态角。
进行船姿数据融合，输出融合后船姿。５．
分辨率为１０２４×１０２４的１２位灰度图像。采用ＦＰ－ＧＡ＋双ＤＳＰ为实时图像处理系统。串口通信卡选
用ＭＯＸＡ公司的ＣＰ１１８Ｕ八口串口通信卡。－／由温补晶振、ＧＰＳＢ码时统卡采用ＰＣＩ总线结构，
两片控制芯片及一片ＦＧＰＳ接收机及天线、ＰＧＡ组由Ｃ成。图像存储卡为ＰＣＩ总线结构，ａｍｅｒａＬｉｎｋ解码单元、串口接口电路、ＳＲＡＭ存储单元、ＦＰＧＡ逻辑控制单元及ＰＣＩ接口电路组成。系统硬件实）所示。物图如图（５
为了验证此系统的有效性，通过外场实验对本平台进行试验验证，如图（所示。本文采用张磊６）
６］
等［提出的改进的三角形识别算法，利用散列查找
４ 实验结果及分析
首先搭建一套双星敏感器船姿测量系统，包括两台星相机、光纤传输系统、ＦＰＧＡ＋双ＤＳＰ的实时图像处理器、串口通信卡、时统卡、图像存储卡及（数据处理计算机。使用配置为ＩｎｔｅｌＲ）ＣＰＵＥ５３００ ，６ＧＨｚ２．００ＧＢ双通道ＤＤＲＩＩ内存的高性能＠２．
研华工业控制计算机作为数据处理计算机。探测器／，为ＴＨ帧频为１像元大小１输出７８８８Ａ，０ｆｓ４μｍ，
星对角距）在特征库中分别找法对三角形的每条边（
出满足角距判决门限、同时满足星等差判决门限的导航星对，利用三角形几何约束关系减小冗余。图（）、）图（分别为２７８０１３年３月１５日２０∶１６∶７∶
其６３０时星敏感器Ａ１、Ａ２同一时刻观测的星图，中，星图中红色星代表提取的伪目标。ＳｋＭａｙｐ是一款电子星图软件，可以显示出地球上任意地区在对比Ｓ某个时间的星空，ｋＭａｙｐ生成的星图和真实
星图，可以判断识别是否正确。
然后根据视场内识
图５ 系统硬件实物图Ｆｉ．５ Ｆｉｕｒｅｏｆｓｓｔｅｍｈａｒｄｗａｒ
ｅ ｇｇｙ
图６ 双星敏感器船姿测量系统外场试验
Ｆｉ．６ Ｅｘｅｒｉｍｅｎｔｏｆｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌｓｔａｒｓｅｎｓｏｒ ｇｐｐｙ
１０
光 电 子 技 术第３４卷
（图７ 星敏感器Ａ船艉）星图识别结果１
）Ｆｉ．７ ＳｔａｒｒｅｃｏｎｉｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｓｔａｒｓｅｎｓｏｒＡ１（ｏｉｎｔｔｏｓｔｅｒｎ
ｇｇｐ
（图８ 星敏感器Ａ左舷）星图识别结果２
）Ｆｉ．８ ＳｔａｒｒｅｃｏｎｉｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｓｔａｒｓｅｎｓｏｒＡ２（ｔｏｓｉｄｅｏｉｎｔｏｒｔ ｇｇｐｐ
别星天球坐标及靶面坐标，采用Ｑｕｅｓｔ算法计算单
］７－８
，星敏感器地心惯性坐标系下视轴指向［再根据单星敏感器船姿确定算法计算船姿。最后，由双星姿态测量误差敏感器船姿数据融合算法输出船姿，）及损失函数值如图（所示。９
对２０１３年３月１５日测量的船姿数据进行处理后，统计得到：星敏感器Ａ纵摇及１测量船体航向、
、横摇的平均测量误差分别为０．及０．００５″－０．０４４″，、均方根误差分别为１及１００５″３１．５８５″１５．５８８″４６．
，其中航向测量精度相对星敏感器的方位角测４１０″星敏感器方位、俯仰及滚动测量均量精度下降明显（
、），方根误差分别为１和１这是１．９７０″６．０５０″９０．３５０″由于星敏感器滚动测量误差耦合到航向上造成的。星敏感器Ａ２的方位、
俯仰及滚动测量精度分别为
图９ 双星敏感器组合船体姿态测量误差
Ｆｉ．９ ＡｔｔｉｔｕｄｅＥｒｒｏｒｏｆＳｈｉｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌｓｔａｒｓｅｎｓｏｒｓ ｇｐ
（下转第２０页）
２０
光 电 子 技 术第３４卷
参 考 文 献
［］，１ｈｏｅｎｉｘＳＪＫｎｉｈｔＰＬ．Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎａｎｄｅｎｔｒｏｉｎｍｏｄｅｌｓｏｆ Ｐ ｇｐｙ
，１ｕａｎｔｕｍｏｔｉｃａｌＲｅｓｏｎａｎｃｅ［Ｊ］．Ａｎｎ．Ｐｈｓ．９８８，１８６： ｑｐｙ３８１４０７．－
［２］ｏｗｅｎＧ，ＢｏｓｅＳ．Ｔｅｌｅｏｒｔａｔｉｏｎａｓａｄｅｏｌａｒｉｚｉｎｕａｎｔｕｍ Ｂ ｐｐｇｑ
，ｒ，ａｅｌａｔｉｖｅｅｎｔｒｏｎｄｃｌａｓｓｉｃａｌｃａａｃｉｔＪ］．Ｐｈｓ．ｃｈａｎｎｅｌ ｙｐｙ［ｙ，（）：Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２００１，８７２６２６７９０１１１４．－－
［］［］，３ｔｅａｎｅＡ．ＱｕａｎｔｕｍｃｏｍｕｔｉｎＪ．Ｒｅ．Ｐｒｏ．Ｐｈｓ．１９９８， Ｓ ｐｇｐｇｙ
６１：１１７１７３．－
［］４ｒａｄｋｉｎＥ，ＭｏｏｒｅＪＥ．Ｅｎｔａｎｌｅｍｅｎｔｅｎｔｒｏｏｆ２Ｄｃｏｎｆｏｒｍａｌ Ｆ ｇｐｙ
：ｕａｎｔｕｍｃｒｉｔｉｃａｌｏｉｎｔｓｈｅａｒｉｎｔｈｅｓｈａｅｏｆａｕａｎｔｕｍｄｒｕｍ ｑｐｇｐｑ ［］（）：Ｊ．Ｐｈｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２００６，９７５０５０４０４１４．－－ｙ
［］５ｅｍｅＪ．Ａｒｏａｃｈｅｓｔｏｅｒｒｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．Ｐｒｏｒｅｓｓｕａｎｔｕｍ Ｋ ｐｐｐｇｑ
ｉｎｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｓｅｒｉｅｓ［Ｃ］．Ｂｉｒｈａｅｕｓｅｒ２００６：８５１２３．ｈｓｉｃｓ －ｐｙ［］’６ｋｅｒｔＡ Ｋ．ＱｕａｎｔｕｍｃｒｔｏｒａｈｂａｓｅｄｏｎＢｅｌｌｓｔｈｅｏｒｅｍ Ｅ ｙｐｇｐｙ
［］，（）：Ｊ．Ｐｈｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ１９９１，６７６６６１６６３．－ｙ
［７］ｏｕｋｏｂａｚａＥ，ＴａｎｎｏｒＤＪ．Ｅｎｔｒｏｅｘｃｈａｎｅａｎｄｅｎｔａｎｌｅ Ｂ －ｐｙｇｇ
ｍｅｎｔｉｎｔｈｅＪａｎｅｓｕｍｍｉｎｓｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｐｈｓ．Ｒｅｗ．Ａ， －Ｃ ｙｇｙ（）：２００５，７１６０６３８２１１７．－－
［］８ｋ光子Ｊａｎｅｓｕｍｍｉｎｓ模型 王继成，廖庆洪，王月媛，等．－Ｃｙｇ
与运动原子相互作用中的熵交换及纠缠［Ｊ］．物理学报，（）：２０１１，６０１１１１４２０８１７．－－
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櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃（、，、上接第１和９由此解算得及横摇均方根测量误差达到８．０页）７．１４″６．１８″８．６１″４６８″７．１６４″及５．到的船体航向、纵摇及横摇的平均测量误差分别为、，及０．均方根误差分别为６－０．００３″０．００２″０１１″１．
、。双星敏姿态确定算法的及１８０．０７７″１．５７３″４０６″、航向、纵摇及横摇平均测量误差分别为－２７．０６３″，及－３．平均误差较大主要是由于安－６２．９３０″９４８″
且可作为系统误差进行修装矩阵标定不准造成的，
正。航向、纵摇及横摇均方根测量误差分别为８．、，三个方向测量精度均优于４６８″７．１６４″及５．１１６″
，从而避免了星敏感器滚动角的测量误差对船体１０″
航向角的影响。
，，三个方向测量精度均优于１证明了该系统０″１１６″
的可行性和可靠性。今后的研究方向主要集中在提高星图提取精度及星图识别稳定性方面，其直接影响后续船体姿态输出精度。
参 考 文 献
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５ 结 论
本文针对不断提高的海上测控任务需求，提出了一种基于双星敏感器的船体姿态测量系统。建立了基于星敏感器船姿测量的数学模型，设计了一套基于双星敏感器的船姿测量系统，一台指向船艉，一台指向左舷。分别通过坐标变换、蒙气差修正得到星敏感器惯导地平系下姿态角，再由标定的安装矩阵分别解算船姿，最后通过数据融合避免星敏感器滚动角的测量误差对船体航向角的影响，输出三个航向、纵摇高精度船体姿态角。外场实验数据表明，
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光 电 子 技 术第３４卷第１期Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．１
２０１４年３月ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭａｒ．２０１４
檸殠
檸檸檸檸檸殠研究与试制
檸殠
檸檸檸檸檸殠
＊
基于双星敏感器的船体姿态测量系统设计＊
２
，何 昕１，魏仲慧１，张同双３郭敬明１，
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春１１．３００３３；
）中国科学院大学，北京１中国卫星海上测控部，江苏江阴２２．０００３９；３．１４４３１
摘 要：提出了一种基于双星敏感器的船体姿态测量系统。本系统采用两台大视场高精度一台指向船艉，一台指向左舷，组合定姿达到提高横摇角测量精度的目的。选用ＣＣＤ星敏感器，
成像后经实时图像处理器提取星点目标位置、灰度信息传给数据处ＴＨ７８８８Ａ作为ＣＣＤ传感器，理计算机，通过星图识别、姿态确定获取地心惯性坐标系下视轴指向，经岁差、章动、极移、船位、蒙气差等修正，获得惯导地平系下姿态矩阵。依据标定的星敏感器与甲板坐标系安装矩阵，解算船体将两台星敏感器解算的姿态角进行融合，达到获取三个高精度船体姿态角的目的。实验表姿态角，
、，该系统航向、纵摇及横摇测角精度分别达到８．及５．测量精度高、自主性强且能不明，４６″７．１６″１１″随时间漂移。
关键词：航天测量船；船体姿态；双星敏感器；组合定姿；安装矩阵
）中图分类号：ＴＮ９１１．７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５４８８Ｘ（２０１４０１０００５０６－－－
ＴｈｅＤｅｓｉｎｏｆａＳｈｉＡｔｔｉｔｕｄｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｓｔｅｍＢａｓｅｄ ｇｐｙ ｏｎＤｕａｌＳｔａｒＳｅｎｓｏｒｓ
１２１１３
，ＷＥＧＵＯＪｉｎｍｉｎＸｉｎＩＺｈｏｎｈｕｉＺＨＡＮＧＴｏｎｓｈｕａｎ ， ｇｇ，ＨＥｇｇｇ
，
（１．ＣｈａｎｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＯｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄ Ｐｈｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏＳｃｉｅｎｃｅｓ， ｇｆ ｐｙｙｆ
Ｃｈａｎｃｈｕｎ１３００３３，ＣＨＮ；ｇ２．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｉｎ０００３９，ＣＨＮ； ｙｆ ｙｆ ｊｇ１
３．ＣｈｉｎａＳａｔｅｌｌｉｔｅ ＭａｒｉｔｉｍｅＴｒａｃｋｉｎａｎｄ ＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎＤｅａｒｔｍｅｎｔ，ＪｉａｎｉｎＪｉａｎｓｕ２１４４３１，ＣＨＮ） ｇｇ ｐｇｙｇ ：ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｒｏｖｅｔｈｅｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｏｕｒｓａｃｅＴＴ＆Ｃ ｐｐｐｐ ｓｈｉａｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌｓｔａｒｓｅｎｓｏｒｓｉｓｒｏｏｓｅｄ．Ｔｈｅｓｓｔｅｍｕ －ｐｙｙｐ，ｐｐ ｓｅｓｔｗｏｗｉｌｄｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗａｎｄｈｉｈａｃｃｕｒａｃｓｔａｒｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｕｓｅｄｗｉｔｈｏｎｅｏｉｎｔｉｎｔｏｓｈｉｓｔｅｒｎ －－－ － ｇｙｐｇｐ
，ａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｏｉｎｔｉｎｔｏｏｒｔｓｉｄｅｗｈｉｃｈｉｍｒｏｖｅｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｏｆｒｏｌｌａｎｌｅｂｈ －ｐｇｐｐｙｇｙｙ ，，ｂｒｉｄａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｓｓｔｅｍ，ＴＨ７８８８ＡｉｓｕｓｅｄａｓＣＣＤｓｔａｒｓｅｎｓｏｒａｎｄａｆｔｅｒｉｍａ －ｙ
ｉｎｒｅａｌｔｉｍｅｉｍａｅｒｏｃｅｓｓｉｎｓｓｔｅｍｅｘｔｒａｃｔｓｓｔａｒｔａｒｅｔｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｒａｖａｌｕｅｔｏｄａｔａ－ ｇｇ，ｇｐｇｙｇｇｙ ｒｏｃｅｓｓｉｎｃｏｍｕｔｅｒｆｏｒｏｂｔａｉｎｉｎｏｔｉｃａｌａｘｉｓｏｉｎｔｉｎｗｉｔｈｒｅｓｅｃｔｔｏｉｎｅｒｔｉａｌｓａｃｅｂｓｔａｒｒｅｃ －ｐｇｐｇｐｐｇｐｐｙ
，，，ｏｎｉｔｉｏｎａｎｄａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ．Ａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆｒｅｃｅｓｓｉｏｎｎｕｔａｔｉｏｎｏｌｅｓｈｉｆｔ ｇｐｐ
收稿日期：２０１３０５０８－－
：）基金项目国家自然科学基金资助项目（６０８７８０５２
，（：作者简介：郭敬明（男，博士研究生，助理研究员，主要从事星敏感船体姿态测量方面的研究；１９８５—）Ｅ－ｍａｉｌｍ４４１＠ｇｊ
１６３．ｃｏｍ）
，何 昕（男，研究员，博士生导师，主要从事光电设备测量、图像处理等方面的研究；１９６６—），魏仲慧（女，研究员，博士生导师，主要从事光电设备测量、图像存储等方面的研究。１９６１—）
６
光 电 子 技 术第３４卷
，ｓｈｉｏｓｉｔｉｏｎａｎｄａｔｍｏｓｈｅｒｅｒｅｆｒａｃｔｉｏｎａｔｔｉｔｕｄｅｍａｔｒｉｘｏｆｓｔａｒｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｒｅｓｅｃｔｔｏＩＮＳｈｏｒｉ －ｐｐｐｐ ｚｏｎｔａｌｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｓｔｅｍｉｓａｃｕｉｒｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｔｏｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｅｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｍａｔｒｉｘｏｆｄｕａｌｓｔａｒ ｙｑｇ
，，ｓｅｎｓｏｒｓｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌａｎｄｔｈｅｎｔｈｒｅｅｈｉｈｒｅｃｉｓｉｏｎｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅａｎｌｅ －ｐ ｐｐｙｇｐｇ ｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｄａｔａｆｕｓｉｏｎ．Ｉｔｉｓｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｏｆｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅｓｓ －ｙｐｙｙｐｙ
，，ｉｔｃｈｔｅｍｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｏ６．９″ｏｆｃｏｕｒｓｅ５．７″ｏｆａｎｄ４．５″ｏｆｒｏｌｌ．Ｈｉｈａｃｃｕｒａｃｓｔｒｏｎａｕｔｏｎｏｍ ｐｇｙｇｙ ｎｏｎｄｒｉｆｔｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｔｈｅｓｓｔｅｍａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ａｎｄ ｙ
：；；ＫｅｗｏｒｄｓｓａｃｅＴＴ＆Ｃｓｈｉｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｄｕａｌｓｔａｒｓｅｎｓｏｒｈｂｒｉｄａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｒｍｉｎａ －ｐｐ；ｐｙｙ
；ｔｉｏｎｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｍａｔｒｉｘ
角。经实验验证，本文提出的测量系统三个船体姿
引 言
“远望”号测量船是目前我国航天飞行器测控系统的一个重要组成部分，它是为了适应导弹、航天器试验的发展而在海上设置的测控站。航天测量船采用单站定位体制，测控设备以船舶为平台，其测量是在动态条件下，设备的位置、姿态在不停地变化，必须在测量设备跟踪被测目标的同时，对测量船的位置和姿态进行同步测量。目前航天测量船装备了以卫星导航设备以及标校经纬仪等为惯性导航为主，
辅的组合导航系统。但由于惯性导航系统具有误差累积的缺点，长时间工作时需要提供外部的位置、航
１］
。向校准信息，对惯性导航系统进行综合校准［
。态角测量精度均优于１０″
１ 双星敏感器船姿测量系统方案
星敏感器的姿态测量精度可由休斯公司的仿真评价公式估算：
σＰ＝σＹ＝σＲ＝
ｘ（）１
·ｘ（（）ｒａｄ）２
ｎ－１θｓｅｐ
式中，偏航方向的姿态测量误差σσＰ、Ｙ分别是俯仰、角度，指对星敏感器）的姿态测量误σＲ是横滚方向（
差角弧度，ｎ是参与计算的星数，σｘｙ是星敏感器像面座标中ｘ、单星测量误ｙ方向上的角度测量误差（，差）由此可以看出，θｓｅｐ为探测星的平均分离角度，横滚角的测量误差是偏航、俯仰测量误差的几倍。星（弹）载多星敏感器一般采用空间正交安装方
３］
，式［而船用星敏感器受视场角及船载测量设备遮
星敏感器是一种高精度的姿态测量装置，且不随时间漂移，具有自主导航能力，以恒星为参照物，利用探测单元某一时刻对天空直接捕获星图，经过数据处理单元对星图进行恒星质心提取、星图识别、星跟踪、姿态计算等一系列处理，获得星敏感器相对惯性空间的高精度姿态信息，目前广泛应用于卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器姿态测
２］
。随着高精度大视场星敏感器技术的成熟，量［利
挡等因素影响，不能沿载体坐标轴方向布置，不能空间正交，只能保证其水平投影处于正交状态。针对这一特点，本文提出一种基于双星敏感器的船姿测）量方案。具体设计思想如图（所示。１
本方案拟采用两台星敏感器组合测量达到提高船体姿态横摇角的目的。星敏感器Ａ１沿船体艏艉线排列，指向船艉，星敏感器Ａ根２指向船体左舷，
据船载设备遮挡因素，分别选择仰角为３５°和４０°。两台星敏感器各自解算出船体姿态角，分别为（Ｋ１，，（。为避免因单星敏感器横滚角Ｋ２，θθ１，１）２，２）ψψ
将两星敏感器解算测量精度低造成横摇角误差大，
的船体姿态角进行数据融合，具体方法如下式：
（
Ｋ１＋Ｋ２）２
用其测量船体姿态成为可能。
针对海上测控任务需求的不断提高，本文采用高精度星敏感器来提高航天测量船综合测量精度，建立了基于星敏感器船姿测量的数学模型，设计了一套基于双星敏感器的船姿测量系统，一台指向船艉，一台指向左舷。硬件结构上，采用ＴＨ７８８８Ａ作成像后经光纤传输系统传到机下电为ＣＣＤ传感器，控箱，经实时图像处理器提取星点目标位置、灰度信通过星图息给数据处理计算机处理。软件设计上，识别、姿态确定获取地心惯性坐标系下视轴指向，经岁差、章动、极移、船位、蒙气差等修正，得到惯导地平系下姿态角。依据标定的星敏感器与甲板坐标系安装矩阵，解算船体姿态角，将两台星敏感器解算的姿态角进行融合，从而得到三个高精度的船体姿态
Ｋ＝
（）３
（）４１ψ＝ψ
（）５θ＝θ２
俯仰分别影响船体航向、纵１偏航、 星敏感器Ａ
第１期郭敬明，等：基于双星敏感器的船体姿态测量系统设计
７
图２ 单星敏感器船姿确定
Ｆｉ．２ Ｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｌｅｓｔａｒ ｇｐｇ
ｓｅｎｓｏｒ
，瞬时真赤道地心系（再由瞬时真赤道地心系ＣＴ）（，经地球自转修正转准地固坐标系（再由ＣＴ）ＥＴ）
准地固坐标系（经极移修正转地固坐标系ＥＴ）（），再根据船位参数由地固坐标系（转地ＣＴＳＣＴＳ）
［４］
，平系（由星敏感器惯导地平系姿态矩阵ＭＤＰＤＰ）得到星敏感器惯导地平系下方位角α，俯仰角β，滚
摇姿态，而横滚角影响船体三个姿态角，因此，航向、纵摇测量精度高；星敏感器Ａ俯仰分别影响２偏航、横摇姿态，而横滚角影响船体三个姿态船体航向、
角，因此，航向、横摇精度高。将星敏感器Ａ１、Ａ２测量的航向平均值作为融合后的航向，将星敏感器Ａ１测量的纵摇作为融合后的纵摇，将星敏感器Ａ２测
量的横摇作为融合后的横摇。
图３ 坐标变换
Ｆｉ．３ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｇ
图１ 双星敏感器船姿测量方案图
Ｆｉ．１ Ｔｈｅｏｆｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｔｅｍｌａｎ ｇｐｙｐ
ｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌｓｔａｒｓｅｎｓｏｒ
坐标变换如图３所示
。动角γ，
２ 单星敏感器船姿确定
单星敏感器船姿确定流程如图２所示。图像传感器拍摄星图后，经过图像处理电路经过预处理、连通性分析提取出星点的位置和灰度信息，输出给星图识别模块，经过三角形识别算法在导航星库中找到观测星的对应匹配，得到视场内的所有恒星赤经、赤纬，经过自行、光行差修正后，利用所有恒星的参考矢量及其观测矢量，通过姿态确定算法计算星敏感器在Ｊ经过坐标２０００．０地心惯性坐标系下指向，变换转换到惯导地平系下，经过蒙气差修正后，重构再根据船载星敏感器惯导地平坐标系下姿态矩阵，
，星敏感器的安装矩阵（船坞内标校时得到）计算出船体姿态矩阵。
星敏感器技术部分包括图像获取单元、星图预处理单元、星图识别单元及姿态确定单元。
星敏感器获取Ｊ２０００．０地心惯性坐标系（ＣＩＳ）视轴指向后，需经岁差修正转瞬时平赤道地心系（，再从瞬时平赤道地心系（经章动修正转ＭＴ）ＭＴ）
地面光学设备（包括天文望远镜、航天测控系统的经纬仪、星敏感器等）观测恒星时，由于可见光穿越大气层时受大气折射的影响，得到的视位置高度与恒星的真位置高度存在一定的偏差（该高度偏差，称作蒙气差）因此需要对观测数据进行蒙气差修
５］
。考虑到大气折射影响，正［根据星敏感器地平系
选择蒙气差模型修正，然后得到新的姿态仰角不同，
，角（重构姿态矩阵得到Ｍ′，′α，δγ）ＤＰ。
）（当星敏感器地平仰角大于等于１蒙气差１４°，ρ采用中国天文年历中蒙气差模型：
（）１＋αＡｔ＋Ｂ）６ｔ０ρ＝（ρ
式中，可直接利用下式计算：０为蒙气差常数，ρ
２
０．０９７２４６８″ｔａｎＺ＋＋０．０１０９３３２ｔａｎＺ－０＝６ρ
３４
０．０７２９００２ｔａｎＺ＋０．００１８３２７ｔａｎＺ－
５
（）０．００００１０７ｔａｎＺ７
其中Ｚ为天顶距，Ｚ＝９０°－δ。αｔ为气温变差乘数
修订系数，当δ≤４５°时可由下式计算：
．０－０．００７２０２７ｔａｎＺ＋０．０１３３６５１ｔａｎ Ｚ－αｔ＝１
２
８
光 电 子 技 术
３４
０．００７３４１７ｔａｎＺ＋０．００１８７００ｔａｎＺ－
第３４卷
５
（）０．０００１７００ｔａｎＺ８
与温度ｔ有关；ＡＢ为气压变差乘ｔ为气温变差乘数，
数，与测量站附近气压Ｐ有关：
经过岁差、章动、极移等修正获得惯导地平系 ２．
下姿态矩阵。
由星敏感器俯仰角采用相应的蒙气差修正模３．
型进行修正，重构惯导地平系下姿态矩阵。根据标校经纬仪测量的航向信息，即船体姿４．
计算星敏感器安装矩阵，多次测量求平均态真值，值。
船航行时，重复１～３步中计算星敏感器惯导５．
地平系下姿态矩阵。
由第４步中标定的安装矩阵，计算实时船体６．
姿态矩阵，求解船体姿态角。进行双星敏感器船姿数据融合，输出融合后７．的船姿。
，）ＡＢ＝９－１（ｔ＝
１＋０．００３６７×ｔ１０１３．２４７２）当地平仰角５采用Ｐ２°≤４°时，ｏｌｋｏｖｏ蒙 （β≤１气差模型：
（）１０×０ρ＝１７３．０１３．２５２１５＋ｔ
可直接利用下式计算： ０为蒙气差常数，ρ
″″３
０．２２９３ｔａｎＺ－０．０６５６０ｔａｎＺ＋０＝６ρ
″５″７
（）０．０００１６１１３ｔａｎＺ－２．８７ａｎＺ１１×ｔ重构星敏感器惯导地平系下 经蒙气差修正后，
姿态矩阵Ｍ′ＤＰ为：（）Ｍ′Ｒｚ（′）Ｒｘ（１２－δα）γ）ＤＰ＝Ｒｙ（
，，分别表示绕Ｘ、Ｒｘ（Ｒｙ（ＲＹ和 其中，θ）θ）θ）ｚ（Ｚ轴逆时针旋转θ角后形成的矩阵。
测量船进坞坐墩时，船载标校经纬仪确定测量，船航向Ｋ真（由此得到船体姿态矩阵θ真＝０）ψ真＝
ｂ
真值Ｒ可计算星敏感器坐标系与甲板坐标０，ＤＰ＝Ｒ
３ 系统设计
）系统框架图如图（所示，星敏感器船姿测量系４统由光学系统、机械结构、光纤传输系统、实时图像处理器及数据处理计算机等几部分组成。
图像传感器电路完成对星空图像的采集，Ａ１、由ＣＡ２图像传感器电路相同，ＣＤ焦平面组件、ＣＣＤ
驱动电路、前端电路、视频信号处理器、相机时序控制器及制冷与温控单元组成，制冷可以提高信噪比，减小暗电流噪声；光纤传输单元负责机上、机下图像实时图像处理器完成星图预及相机通讯指令传输；
处理，连通性分析，星点目标实时提取，实时输出星点目标的位置及灰度给数据处理计算机；图像采集卡负责采集Ｃ可ａｍｅｒａＬｉｎｋ接口图像到计算机内，以将星图存储到计算机中保存原始图像文件，以便时统终端对各种算法的检验和以后进一步的处理；负责提供整个系统的外同步信号，ＧＰＳ提供时间信串口通信卡负责主控计算机与各分系统的通信息；指令传输
。
系的安装矩阵为：
（）１３
ｂ
船航行时， 完成星敏感器安装矩阵标定ＲＳ后，
）可由公式（可得船体姿态矩阵计算公式：１４
ｂｂ
，Ｒ′ＲｓＤＰ＝ＭＤＰ
即可得到３个船体姿态角Ｋ，θ：ψ，
１ｂｂ－
（］［］／］［］）Ｋ＝ｔａｎＲ２０Ｒ００ＤＰ［ＤＰ［
１ｂ－
（］［］）ｉｎＲ１０ＤＰ［ψ＝ｓ
ｂ１－
ＲＭ′ＤＰ）Ｒ０ｓ＝（
（）１４（）１５
（）１６
１ｂｂ－
（］［］／］［］）（）ａｎＲ１２Ｒ１１１７θ＝－ｔＤＰ［ＤＰ［
单星敏感器船姿确定算法流程如下：
船坞坐墩时，星敏感器测星经过星图识别，姿１．
态确定获得地心惯性系下视轴指向。
图４ 系统框架图
Ｆｉ．４ Ｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｓｔｅｍ ｇｙ
第１期郭敬明，等：基于双星敏感器的船体姿态测量系统设计
９
具体流程：
系统上电后，１．ＣＣＤ成像单元完成星图采集，经机上光纤传输系统传到机下电控箱。
机下光纤接收时统的外同步与时间码，将时间２．
之后传给实时图像处理器。信息叠加到图像最后一行，
实时图像处理器接收图像后，一路传给图像３．
存储卡，一路经阈值分割、连通性分析提取星点目标的位置坐标及灰度值传给数据处理计算机。经星图识别，姿态确定，船姿计算等，两星敏４．
感器分别解算船体姿态角。
进行船姿数据融合，输出融合后船姿。５．
分辨率为１０２４×１０２４的１２位灰度图像。采用ＦＰ－ＧＡ＋双ＤＳＰ为实时图像处理系统。串口通信卡选
用ＭＯＸＡ公司的ＣＰ１１８Ｕ八口串口通信卡。－／由温补晶振、ＧＰＳＢ码时统卡采用ＰＣＩ总线结构，
两片控制芯片及一片ＦＧＰＳ接收机及天线、ＰＧＡ组由Ｃ成。图像存储卡为ＰＣＩ总线结构，ａｍｅｒａＬｉｎｋ解码单元、串口接口电路、ＳＲＡＭ存储单元、ＦＰＧＡ逻辑控制单元及ＰＣＩ接口电路组成。系统硬件实）所示。物图如图（５
为了验证此系统的有效性，通过外场实验对本平台进行试验验证，如图（所示。本文采用张磊６）
６］
等［提出的改进的三角形识别算法，利用散列查找
４ 实验结果及分析
首先搭建一套双星敏感器船姿测量系统，包括两台星相机、光纤传输系统、ＦＰＧＡ＋双ＤＳＰ的实时图像处理器、串口通信卡、时统卡、图像存储卡及（数据处理计算机。使用配置为ＩｎｔｅｌＲ）ＣＰＵＥ５３００ ，６ＧＨｚ２．００ＧＢ双通道ＤＤＲＩＩ内存的高性能＠２．
研华工业控制计算机作为数据处理计算机。探测器／，为ＴＨ帧频为１像元大小１输出７８８８Ａ，０ｆｓ４μｍ，
星对角距）在特征库中分别找法对三角形的每条边（
出满足角距判决门限、同时满足星等差判决门限的导航星对，利用三角形几何约束关系减小冗余。图（）、）图（分别为２７８０１３年３月１５日２０∶１６∶７∶
其６３０时星敏感器Ａ１、Ａ２同一时刻观测的星图，中，星图中红色星代表提取的伪目标。ＳｋＭａｙｐ是一款电子星图软件，可以显示出地球上任意地区在对比Ｓ某个时间的星空，ｋＭａｙｐ生成的星图和真实
星图，可以判断识别是否正确。
然后根据视场内识
图５ 系统硬件实物图Ｆｉ．５ Ｆｉｕｒｅｏｆｓｓｔｅｍｈａｒｄｗａｒ
ｅ ｇｇｙ
图６ 双星敏感器船姿测量系统外场试验
Ｆｉ．６ Ｅｘｅｒｉｍｅｎｔｏｆｓｈｉａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌｓｔａｒｓｅｎｓｏｒ ｇｐｐｙ
１０
光 电 子 技 术第３４卷
（图７ 星敏感器Ａ船艉）星图识别结果１
）Ｆｉ．７ ＳｔａｒｒｅｃｏｎｉｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｓｔａｒｓｅｎｓｏｒＡ１（ｏｉｎｔｔｏｓｔｅｒｎ
ｇｇｐ
（图８ 星敏感器Ａ左舷）星图识别结果２
）Ｆｉ．８ ＳｔａｒｒｅｃｏｎｉｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｓｔａｒｓｅｎｓｏｒＡ２（ｔｏｓｉｄｅｏｉｎｔｏｒｔ ｇｇｐｐ
别星天球坐标及靶面坐标，采用Ｑｕｅｓｔ算法计算单
］７－８
，星敏感器地心惯性坐标系下视轴指向［再根据单星敏感器船姿确定算法计算船姿。最后，由双星姿态测量误差敏感器船姿数据融合算法输出船姿，）及损失函数值如图（所示。９
对２０１３年３月１５日测量的船姿数据进行处理后，统计得到：星敏感器Ａ纵摇及１测量船体航向、
、横摇的平均测量误差分别为０．及０．００５″－０．０４４″，、均方根误差分别为１及１００５″３１．５８５″１５．５８８″４６．
，其中航向测量精度相对星敏感器的方位角测４１０″星敏感器方位、俯仰及滚动测量均量精度下降明显（
、），方根误差分别为１和１这是１．９７０″６．０５０″９０．３５０″由于星敏感器滚动测量误差耦合到航向上造成的。星敏感器Ａ２的方位、
俯仰及滚动测量精度分别为
图９ 双星敏感器组合船体姿态测量误差
Ｆｉ．９ ＡｔｔｉｔｕｄｅＥｒｒｏｒｏｆＳｈｉｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌｓｔａｒｓｅｎｓｏｒｓ ｇｐ
（下转第２０页）
２０
光 电 子 技 术第３４卷
参 考 文 献
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：ｕａｎｔｕｍｃｒｉｔｉｃａｌｏｉｎｔｓｈｅａｒｉｎｔｈｅｓｈａｅｏｆａｕａｎｔｕｍｄｒｕｍ ｑｐｇｐｑ ［］（）：Ｊ．Ｐｈｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２００６，９７５０５０４０４１４．－－ｙ
［］５ｅｍｅＪ．Ａｒｏａｃｈｅｓｔｏｅｒｒｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．Ｐｒｏｒｅｓｓｕａｎｔｕｍ Ｋ ｐｐｐｇｑ
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ｕａｄｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｃｏｍｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｔｗｏｏｄｅｍｉｌｔｉｈｏｔｏｎ －ｍ ｑｐｐ］ａｎｅｓｃｕｍｍｉｎｓｍｏｄｅｌ［Ｊ．Ｊ．Ｏｔ．Ｂ：ＱｕａｎｔｕｍＳｅｍｉｃｌａｓｓ．－ ｇｐｊｙ
（）：Ｏｔ．２００５，７１１３４１３４９．－ｐ
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］（：ｓｔａｔｅａｎｄｄｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒ［Ｊ．Ｐｈｓ．Ｒｅｖ．Ａ．２００５，７２６） ｙｙ０６３８１０１１１．－－
［］Ｒ１３ｅｍｅＧ，ＷａｌｔｈｅｒＨ，ＫｌｅｉｎＮ．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆｕａｎｔｕｍｃｏｌ －ｑｐ
［］ｌａｓｅａｎｄｒｅｖｉｖａｌｉｎａｏｎｅａｔｏｍ ｍａｓｅｒＪ．Ｐｈｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ． －ｐｙ（）：５８４３５３３５６．１９８５，－
櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃（、，、上接第１和９由此解算得及横摇均方根测量误差达到８．０页）７．１４″６．１８″８．６１″４６８″７．１６４″及５．到的船体航向、纵摇及横摇的平均测量误差分别为、，及０．均方根误差分别为６－０．００３″０．００２″０１１″１．
、。双星敏姿态确定算法的及１８０．０７７″１．５７３″４０６″、航向、纵摇及横摇平均测量误差分别为－２７．０６３″，及－３．平均误差较大主要是由于安－６２．９３０″９４８″
且可作为系统误差进行修装矩阵标定不准造成的，
正。航向、纵摇及横摇均方根测量误差分别为８．、，三个方向测量精度均优于４６８″７．１６４″及５．１１６″
，从而避免了星敏感器滚动角的测量误差对船体１０″
航向角的影响。
，，三个方向测量精度均优于１证明了该系统０″１１６″
的可行性和可靠性。今后的研究方向主要集中在提高星图提取精度及星图识别稳定性方面，其直接影响后续船体姿态输出精度。
参 考 文 献
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５ 结 论
本文针对不断提高的海上测控任务需求，提出了一种基于双星敏感器的船体姿态测量系统。建立了基于星敏感器船姿测量的数学模型，设计了一套基于双星敏感器的船姿测量系统，一台指向船艉，一台指向左舷。分别通过坐标变换、蒙气差修正得到星敏感器惯导地平系下姿态角，再由标定的安装矩阵分别解算船姿，最后通过数据融合避免星敏感器滚动角的测量误差对船体航向角的影响，输出三个航向、纵摇高精度船体姿态角。外场实验数据表明，
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［］］７ｉｅｂｅＣＣ．Ｓｔａｒｔｒａｃｋｅｒｓｆｏｒａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ［Ｊ．ＩＥＥＥ Ｌ
ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＡｅｒｏｓａｃｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｓｔｅｍ，１９９５，１０ ｐｙ（）：６１０１６．－
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