本发明属于导航定位，尤其是涉及一种标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法。
背景技术：
：：1、在动态条件下，如主动姿态机动和外界碰撞引起的姿态变化，星体图像会变得运动模糊。因此，提取的星的数量减少，并且星的质心精度降低，导致识别率降低并且星传感器的姿态精度迅速恶化。因此，星敏感器采用姿态相关帧(acf)方法对不同的星像帧进行相关，并利用捷联陀螺仪(gu)测量这些星像帧之间的姿态变化。通过相邻帧的组合，得到了一个更大的星图帧，从而提高星敏感器的动态性能。同时，精确校准星敏感器和陀螺仪之间的安装角度对于acf方法是至关重要的。本发明提出了一种基于等效矢量变换标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法。通过星敏感器和陀螺仪的3次机动，利用安装矩阵对观测向量进行等效旋转向量变换，估计出安装角度的最优取值。技术实现思路1、有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中上述问题的不足之处，提出一种标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法，通过提供精确校准星敏感器和陀螺仪之间的安装角度的方法，从而星敏感器可以使用姿态相关帧(acf)方法提高星敏感器的动态性能。2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：3、一种标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法，包括：4、步骤1：标定星敏感器和陀螺仪之间的安装角度的初始测量时刻记为；初始化星敏感器；初始化陀螺仪，并用四元数法表示陀螺仪角度变化；5、陀螺仪的初始姿态用四元数法表示为6、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>q</mi><mi>(</mi><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mi>)</mi><mi>=</mi><mi>[</mi><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mi>(</mi><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mi>),</mi><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mi>(</mi><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mi>),</mi><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mi>(</mi><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mi>),</mi><msub><mi>q</mi><mn>3</mn></msub><mi>(</mi><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><msup><mi>)]</mi><mi>t</mi></msup></mstyle>，7、其中；；；，；8、步骤2：将陀螺仪和星敏感器同步转动t秒；9、步骤3：陀螺仪和星敏感器同步转动t秒后，时刻t的下标k的数值自加1，测量时刻由上一时刻，转变到本时刻；10、步骤4：在时刻，由四元数更新方程，更新陀螺仪在时刻的姿态<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>q</mi><mi>(</mi><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub><mi>)</mi><mi>=</mi><mi>[</mi><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mi>,</mi><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mi>,</mi><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mi>,</mi><msub><mi>q</mi><mn>3</mn></msub><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup></mstyle>；同时，星敏感器捕获第k帧的星图；11、步骤5：由时刻陀螺仪输出的四元数、、、计算陀螺仪从时刻到时刻的姿态转换矩阵；同时，星敏感器测得相邻帧的姿态相关矩阵；12、步骤6：当步骤3中时刻t的下标k小于等于3时，重复步骤2-5；当步骤3中时刻t的下标k大于等于3，测得、、、、、用于标定星敏感器和陀螺仪之间的安装矩阵；其中，是陀螺仪从时刻到时刻的姿态变换；是陀螺仪从时刻到时刻的姿态变换；是陀螺仪从时刻到时刻的姿态变换；是星敏感器从时刻到时刻的姿态变换；是星敏感器从时刻到时刻的姿态变换；是星敏感器从时刻到时刻的姿态变换；13、步骤7：使用步骤6中的数据、、、、、进行等效旋转矢量变换，利用等效旋转矢量变换标定星敏感器和陀螺仪之间的安装矩阵；14、步骤8：建立损失函数，并对损失函数进行最小二乘法求解，得到安装矩阵最优估计解。15、进一步的，所述陀螺仪捷联在星敏感器上，陀螺仪随着星敏感器同步转动，陀螺仪和星敏感器的时间同步由gps时间戳实现。16、进一步的，所述步骤5中，相邻帧为星敏感器时刻捕获的图片与时刻捕获的图片，星敏感器在数据库中匹配相邻帧图片，从而获得相邻帧姿态相关矩阵；17、与存在如下关系：18、19、式中，是星敏感器和陀螺仪之间需要标定的安装矩阵，表示从g坐标系到s坐标系的安装关系，g坐标系为陀螺仪坐标系，s坐标系为星敏感器坐标系。20、进一步的，所述步骤7包括：21、和之间的转换与安装矩阵有关：22、（1）23、式中，为t秒内星敏感器在星敏感器坐标系下的姿态变化；为t秒内陀螺仪在陀螺仪坐标系下的姿态变化；24、将上述方程（1）用四元数表示：25、（2）26、其中表示四元数的共轭运算。27、再将公式（2）转化为四元数乘法的矩阵形式：28、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msubsup><mi>q</mi><mrow><mi>s</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>s</mi><mn>1</mn></mrow></msubsup><mi>=</mi><mi>m</mi><mrow><mo>[</mo><msubsup><mi>q</mi><mi>g</mi><mi>s</mi></msubsup><mo>]</mo></mrow><msup><mi>m</mi><mo>′</mo></msup><mrow><mo>[</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>q</mi><mi>g</mi><mi>s</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow><mi>∗</mi></msup><mo>]</mo></mrow><msubsup><mi>q</mi><mrow><mi>g</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>g</mi><mn>1</mn></mrow></msubsup></mstyle>（3）29、式中，30、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mtablecolumnalign="left"><mtr><mtd><mi>m</mi><mrow><mo>[</mo><msubsup><mi>q</mi><mi>g</mi><mi>s</mi></msubsup><mo>]</mo></mrow><msup><mi>m</mi><mo>′</mo></msup><mrow><mo>[</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>q</mi><mi>g</mi><mi>s</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow><mi>∗</mi></msup><mo>]</mo></mrow><mi>=</mi><mrow><mo>(</mo><mtablecolumnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mi>-</mi><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mi>-</mi><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mi>-</mi><msub><mi>q</mi><mn>3</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mi>-</mi><msub><mi>q</mi><mn>3</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>3</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mi>-</mi><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>q</mi><mn>3</mn></msub><mi>-</mi><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr></mtable><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mtablecolumnalign="left"><mtr><mtd><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>3</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>−</mi><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mi>-</mi><msub><mi>q</mi><mn>3</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>−</mi><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>3</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mi>-</mi><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>−</mi><msub><mi>q</mi><mn>3</mn></msub><mi>-</mi><msub><mi>q</mi><mn>2</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mi></mi><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr></mtable><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi></mi><mi>=</mi><mrow><mo>(</mo><mtablecolumnalign="left"><mtr><mtd><mn>1</mn><mi></mi><mn>0</mn><mi></mi><mn>0</mn><mi></mi><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn><mi></mi><msubsup><mi>q</mi><mn>1</mn><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的值可以由以下公式获得：41、（8）42、式中，<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>u</mi><mi>s</mi></msub><mi>=</mi><mi>[</mi><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>s</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>s</mi><mn>1</mn></mrow></msubsup><mi>,</mi><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>s</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>s</mi><mn>2</mn></mrow></msubsup><mi>,</mi><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>s</mi><mn>2</mn></mrow><mrow><mi>s</mi><mn>3</mn></mrow></msubsup><mi>]</mi></mstyle>，<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>u</mi><mi>g</mi></msub><mi>=</mi><mi>[</mi><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>g</mi><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>g</mi><mn>1</mn></mrow></msubsup><mi>,</mi><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>g</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>g</mi><mn>2</mn></mrow></msubsup><mi>,</mi><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>g</mi><mn>2</mn></mrow><mrow><mi>g</mi><mn>3</mn></mrow></msubsup><mi>]</mi></mstyle>。43、进一步的，所述步骤8包括：44、建立损失函数：45、46、将损失函数进行最小二乘求解，当损失函数最小时，得到安装矩阵的最优估计解，完成星敏感器和陀螺仪之间的安装角度的标定。47、相对于现有技术，本发明所述的一种标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法具有以下优势：48、本发明提出了基于等效矢量变换标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法，解决星敏感器与陀螺仪之间安装角度的精确标定问题。通过利用陀螺仪(gu)间接测量星像帧之间的姿态变化，星敏感器可以采用姿态相关帧(acf)方法对不同的星像帧进行相关，从而提高星敏感器的动态性能。当前第1页12当前第1页12
技术特征：1.一种标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的一种标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法，其特征在于：所述陀螺仪捷联在星敏感器上，陀螺仪随着星敏感器同步转动，陀螺仪和星敏感器的时间同步由gps时间戳实现。
3.根据权利要求1所述的一种标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法，其特征在于：所述步骤5中，相邻帧为星敏感器时刻捕获的图片与时刻捕获的图片，星敏感器在数据库中匹配相邻帧图片，从而获得相邻帧姿态相关矩阵；
4.根据权利要求1所述的一种标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法，其特征在于：所述步骤7包括：
5.根据权利要求4所述的一种标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法，其特征在于：所述步骤8包括：
技术总结本发明提供了一种标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度的方法，包括标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度，利用陀螺仪测量星像帧之间的姿态变化，星敏感器采用姿态相关帧方法对不同的星像帧进行相关，提高星敏感器的动态性能。标定星敏感器和陀螺仪之间安装角度包括初始化陀螺仪和星敏感器；同步转动陀螺仪和星敏感器T秒；T秒后，由四元数法更新陀螺仪的姿态角，星敏感器捕获星图；同时，陀螺仪测得相隔T秒的姿态转换矩阵，星敏感器测得相邻帧的姿态相关矩阵，并用等效旋转矢量法标定星敏感器和陀螺仪之间的安装矩阵；最后建立损失函数，用最小二乘法求安装矩阵的最优估计解。
技术研发人员：姜圆圆
受保护的技术使用者：智慧司南（天津）科技发展有限公司
技术研发日：技术公布日：2024/5/29
