一種星載相對測量設備的在軌標定方法

黃業平,王 瑞,鄧武東,郭正勇,劉 政

(1.上海衛星工程研究所,上海 201109;2.上海航天控制技術研究所,上海 201109)

0 引言

隨著太空技術的發展,航天工程已逐步從傳統的遙感、通信、導航等任務,向在軌服務、在軌裝配、編隊飛行等新型任務拓展[1]。這些航天任務涉及到一項共性技術,即高精度相對測量和相對導航技術。

高精度相對測量是實現高精度相對導航的前提,測量設備早期以微波雷達為主。20 世紀60年代初,美國為雙子星座號飛船研制的L波段雷達采用脈沖測距和單脈沖比幅技術實現了目標跟蹤[2-3]。近年來,隨著光學技術、特別是激光技術的發展,光學相機、激光雷達等新型測量設備開始用于高精度相對測量。另外,根據測量設備特點,可采用分段使用策略實現全航程高精度測量,如遠距離采用微波雷達,近距離采用激光雷達和光學相機等。

發射前,航天器相對測量、姿態測量、有效載荷等設備通過地面裝調和精度測量實現基準坐標系的統一。但航天器發射后,由于受主動段振動、在軌重力釋放、熱變形等因素的影響,各設備的測量坐標系與基準坐標系之間、不同設備的基準坐標系之間會出現一定偏移。如果不對這些偏移進行校準,即便測量設備及星敏感器的測量精度再高,也無法準確獲取目標的相對距離和角度信息,從而降低航天器相對導航精度,影響編隊飛行。本文提出一種基于全球衛星導航系統(global navigation satellite system,GNSS)差分定位數據的星載相對測量設備在軌標定方法,對影響其在軌標定精度的主要誤差項進行分析,明確可實現的在軌標定精度水平,并結合在軌數據驗證該方法的正確性和有效性。

1 GNSS差分定位技術

隨著GNSS 在航天領域應用研究的不斷深入,GNSS接收機在應用靈活性、系統精度、體積、重量、功耗及成本等方面的優勢日益被各國所重視,并被廣泛應用于航天器的導航和測控設備中。一般情況下,美國全球定位系統(GPS)的單點定位精度約為10 m,我國北斗衛星導航系統的單點定位精度可達5 m。單點定位精度顯然無法滿足航天器的高精度定位需求[4],因此GNSS差分定位技術應運而生。

GNSS差分定位是指兩航天器利用GNSS接收機同步跟蹤、接收導航衛星信號,采集測量數據,通過航天器間鏈路進行數據交換或者將數據同步傳輸至地面,進行數據差分處理,降低測量數據誤差,提高定位精度。GNSS差分定位技術使定位精度提高了1～2個數量級[4-5],并具有處理方法簡單等優點,因此得到了廣泛應用并且發展迅速。

GNSS差分定位可以采用位置差分、偽距差分和載波相位差分三種方法[4,6]。與位置差分定位和偽距差分定位相比,載波相位差分定位精度更高,可達厘米量級甚至毫米量級[4,6-8],能夠滿足星載相對測量設備在軌標定的需求。

2 在軌標定方法

2.1 坐標系與測量數據定義

通常情況下,星載相對測量設備的測量坐標系建立在探測器上,基準坐標系建立在安裝平面上。通過地面高精度測量,可獲取兩個坐標系的相對關系,將測量數據由測量坐標系轉換至基準坐標系。

在軌應用時,需根據相對測量設備在衛星上的安裝位置矩陣和衛星姿態測量數據,將測量數據由設備基準坐標系轉換至衛星本體坐標系和軌道坐標系。

目標測量數據一般采用極坐標形式表示,轉換時先進行俯仰向轉換,再進行方位向轉換。目標測量數據在測量設備基準坐標系oclxclyclzcl中的定義如圖1所示。其中,xcl軸指向衛星飛行方向,ycl軸指向衛星軌道法線反方向,zcl軸根據右手法則確定,t為待測目標,t′為目標在oclxclzcl平面上的投影,Lcl,t為目標測量相對距離,θcl,t為目標測量俯仰角,ψcl,t為目標測量方位角。

圖1 目標相對測量數據在設備基準坐標系中的定義

2.2 相對測量矢量與GNSS差分定位關系分析

A 星對B星進行相對測量,A 星對B星的相對測量矢量與GNSS 差分定位的關系如圖2所示。

(2) 為規避卡機事故，在類似復雜地質條件下的隧洞掘進中，尤其是在高寒缺氧、大埋深、大斷層、長隧洞TBM施工中，需做到“短進尺、強支護”，采用先進的超前物探方法，超前預報，時刻監測圍巖變化情況，超前支護。

圖2 相對測量矢量與GNSS差分定位的關系

圖2中:rcl,t為兩星相對測量矢量,由A 星相對測量設備的基準坐標系原點指向B 星朝向A 星的側面形心;rcl-gnss為A 星GNSS天線安裝位置矢量,由A 星的相對測量設備基準坐標系原點指向A 星GNSS接收天線相位中心;rgnss,t為B星GNSS天線安裝位置矢量,由B星GNSS接收天線相位中心指向B星側面形心;rgnss-gnss為兩星GNSS天線間的相對位置矢量,由A 星GNSS接收天線相位中心指向B 星GNSS接收天線相位中心。

兩星相對測量矢量rcl,t可表示為

式中:xcl,ycl,zcl分別為相對測量矢量rcl,t在A星相對測量設備基準坐標系中的三個坐標分量。

進行差分定位時,先根據GNSS數據分別確定兩星GNSS天線絕對位置,再采用差分定位技術確定兩星GNSS 天線間的高精度相對位置矢量rgnss-gnss,因此rgnss-gnss又稱為GNSS 差分定位矢量。兩星GNSS 天線安裝位置矢量rcl-gnss,rgnss,t可通過地面高精度測量獲取。

綜上,兩星的相對測量矢量rcl,t可表示為

2.3 坐標系統一

式(2)中的四個矢量分別定義在不同坐標系下,需將其統一轉換至軌道坐標系。轉換方程為

式中:Aab-o為A 星本體坐標系相對于軌道坐標系的轉移矩陣;Acl-ab為A 星相對測量設備基準坐標系相對于A 星本體坐標系的轉移矩陣;Abb-o為B星本體坐標系相對于軌道坐標系的轉移矩陣。

2.4 在軌標定

式中:(·)-1表示矩陣求逆運算。

由式(4)可知:等式左側的Δrcl,t為待標定的相對測量誤差矢量;等式右側為轉換至軌道坐標系的兩星GNSS差分定位矢量、包含姿態信息的兩星GNSS天線安裝位置矢量及兩星的相對測量矢量,這些參數均為已知量。通過采集多組數據求均值的方法實現相對測量誤差矢量標定。相對測量誤差矢量計算公式為

式中:n為數據采集數;(·)i表示第i次數據采集。

3 在軌標定精度分析

GNSS 差分定位矢量、含姿態信息的兩星GNSS天線安裝位置矢量及兩星的相對測量矢量數據均存在一定誤差,這會影響A 星相對測量誤差的標定精度。對式(3)進行一階展開,可得到

其中

式中:δ1為兩星GNSS差分定位誤差引起的在軌標定誤差矢量;Δrgnss-gnss為軌道坐標系下兩星GNSS差分定位誤差矢量;δ2為兩星GNSS天線安裝位置誤差引起的在軌標定誤差矢量;Δrcl-gnss為A 星本體坐標系下GNSS天線安裝位置誤差矢量;Δrgnss,t為B星本體坐標系下GNSS天線安裝位置誤差矢量;δ3為A 星姿態誤差引起的在軌標定誤差矢量;ΔAab-o為A 星姿態誤差矢量;E為單位矩陣;δ4為B星姿態誤差引起的在軌標定誤差矢量;ΔAbb-o為B星姿態誤差矢量;δ5為A星相對測量設備和本體坐標系基準誤差引起的在軌標定誤差矢量;ΔAcl-ab為A 星相對測量設備和本體坐標系基準誤差矢量。

通過對誤差項的方向性進行分析,可以得到以下結論。

影響星載相對測量設備距離測量值標定精度的主要誤差項為δ1和δ2。采用載波相位差分定位技術可將δ1控制在厘米量級[4,6-8],同時δ2也可控制在厘米量級。綜上,星載相對測量設備距離測量值的標定精度優于5 cm。

影響星載相對測量設備角度測量值標定精度的主要誤差項為δ1～δ5。當兩星相距10 km 以上時,可將GNSS差分定位誤差和GNSS天線安裝位置誤差帶來的在軌標定角度誤差控制在0.000 1°以內;采用高精度星敏感器,可實現角秒量級的姿態測量精度;采用共基準安裝、精密溫度控制等方法,可將相對測量設備與星敏感器的基準角度誤差控制在0.001°以內。綜上,星載相對測量設備角度測量值的標定精度優于0.002°。

4 在軌標定驗證

A 星上的相對測量設備由測量前端和二維指向機構組成,設備與星敏感器共同安裝于同一塊高穩定基板上。在軌使用時,受主動段振動以及在軌重力釋放等因素影響,設備測量值存在一個常值誤差。同時,太陽光從不同角度照射二維指向機構,引起機構熱變形,導致設備測量值存在一個和軌道周期相關的低頻角度誤差。A 星安裝有雙頻雙模GNSS接收機,與同軌安裝有雙頻雙模GNSS接收機的B星開展了在軌標定。

在軌標定分為常值誤差標定和低頻角度誤差標定兩步。首先,利用GNSS差分定位數據標定相對測量設備的常值誤差。相對測量設備常值誤差在軌標定情況如圖3所示。

圖3 相對測量設備常值誤差在軌標定情況

由圖3可得,相對測量設備俯仰角測量常值誤差為-0.600°,方位角測量常值誤差為-0.053°,距離測量常值誤差為-4.5 m。

然后,利用多天多軌數據標定相對測量設備的低頻角度誤差。采用10階多項式對多天多軌數據進行擬合,相對測量設備低頻角度誤差與面內太陽角的關系曲線如圖4所示。

圖4 低頻角度誤差與面內太陽角的關系曲線

由圖4可知,太陽光照引起的低頻角度誤差中,俯仰角測量誤差最大約為0.010°,方位角測量誤差最大約為0.015°。

將擬合曲線與原始測量曲線進行比對,統計三倍均方差,評估擬合后的測量誤差。經擬合補償后,可以將太陽光照引起的低頻角度誤差控制在0.002°以內。

5 結論

本文提出了一種基于GNSS 差分定位數據的星載相對測量設備在軌標定方法。通過分析,明確影響星載相對測量設備在軌標定精度的誤差項主要包括兩星GNSS 差分定位誤差、兩星GNSS天線安裝位置誤差、兩星姿態誤差、相對測量設備和本體坐標系基準誤差等。通過對上述誤差項進行合理控制,可以將距離標定精度控制在5 cm 以內、將角度標定精度控制在0.002°以內。結合在軌數據開展在軌標定驗證試驗,驗證了該方法的正確性和有效性。