JJF 2127-2024 星敏感器校准规范.docx

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1、WF中华人民共和国国家计量技术规范JJF21272024星敏感器校准规范Ca1.ibrationSpecificationforStarSensors2024-06T4发布2024-12-1秧施国家市场监督管理总局发布JJF21272024星敏感器校准规范Ca1.ibrationSpecificationforStarSensors归口单位：全国卫星导航应用专用计量测试技术委员会主要起草单位：北京航天计量测试技术研究所参加起草单位I北京控制工程研究所中国科学院西安光学精密机械研究所本规范委托全国卫星导航应用专用计测试技术委员会负责解狎本规范主要起草人：张功（北京航天计量测试技术研究所）赵天承（

2、北京航天计量测试技术研究所）何绪龙（北京航天计量测试技术研究所）参加起草人：王立（北京控制工程研究所）李玉明（北京控制工程研究所）薛勋（中国科学院西安光学精密机械研究所）赵建科（中国科学院西安光学精密机械研究所）目录引言(II)I范围(I)2引用文件(1)3术语和计量单位(1)4概述(2)5计量特性(2)5.1 焦距(2)5.2 光学视场角(3)5.3 工作光谱范围(3)5.4 光学系统透过率(3)5.5 阳光抑制角(3)5.6 地气光抑制角(3)5.7 恒星探测是敏度(3)5.8 单星测角误差(3)5.9 跟踪角速度(3)5.10 初始捕获时间(3)6校准条件(3)6.1 环境条件(3)6.

3、2 测量标准及其他设备(3)7校准项目和校准方法(5)7.1 校准项目(5)7.2 校准方法(5)8校准结果的表达(12)9第校时间间隔(12)附录A校准原始记录内页格式(13)附录B校准证书内页格式(18)附录C星敏感胧校准测量不确定度评定示例(19)附录D多项式拟合原理(39)附录E星敏感器成像模型(40)引言本规范以JJF1071国家计量校准规范编写规则、JJF1.1.W通用计埴术语及定义、JJF1059.120124测域不确定度评定与表示为鞋础性系列规范:进行制定。本规范为首次发布。星敏感器校准规范1范B1.本规范适用丁北星导航用星敏感器的校准,其他航天器所使用的星敏感器可参照执行。2

4、引用文件本规范引用了F列文件:GB/T30111星敏感器通用规范ECSS-E-ST-60-2OC航天工程星敏感器术情及性能规范（SpaceengineeringStarssensorstermino1.ogyandPerfbrmanCespecification）BSEN16603-60-20:2014航天工程星敏感器术语及性能规范（SpaceengineeringStarsensortermino1.ogyandperformancespecification）凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用了本规范.3术语和计单位

5、GB,T30111界定的及以下术语和定义适用于本规范。1.1 阳光入射角sun1.ightincidentang1.e以星敏感罂遮光罩前端而中心点为起点，指向太阳的矢量和与星敏感器光轴平行的矢量的夹角。计量堆位：0。1.2 地气光入射角earth-atmosphere1.ightincidentang1.e以星敏感器遮光罩前端面中心点为起点，指向距离地球100kin高处的矢量（该矢量为距离地球100km高处的切线）和与星敏感器光轴平行的矢量的夹角。计量单位：（）。1.3 阳光抑制角sun1.ightexc1.usionang1.e星敏感器提取星数及识别星数均不少于4颗星，且满足姿态有效率不小于

6、95%时或姿态测量精度时的阳光入射角最小值。满足姿态有效率不小于95%时（的阳光抑制角）称为保功能阳光抑制角，满足姿态测量精度时（的阳光抑制角）称为保精度阳光抑制角.计量单位：（）.1.4 地气光抑制角earth-atmosphere1.ightexc1.usionang1.e星敏感器提取星数及识别星数均不少于4颗星，且满足姿态有效率不小于95$时或姿态测量精度时的地气光入射角最小值。注：满足姿态有效率不小时（的地气光入射角）称为保功能地气光抑制角，满足姿态测量精度时（的地气光入射向麻为保精度地气光抑制角。计量单位：0。1.5 太阳常数so1.arconsent地球大气层以外，太阳在距其一个天

7、文单位处并垂直于太阳光线方向的平面上的总辐照度。1.6 恒星探测灵敏度detectionsensitivityofstarmagnitude在特定基准星定义的0等仪器星等参考下，星敏感器能够稳定提取的恒星仪器星等最大值。1.7 单星测角误差sing1.estarang1.emeasuremen1.error同颗恒星在星敏感罂视场不同位置的测角误差。1.8 跟踪角速度trackingangu1.arrate提取星数及识别星数均不少4颗星且姿态有效率不小95%的情况所对应的角速度。4 星敏感器是目前航天器上姿态测域精度最高的敏感器，在航天器自主天文导航中发挥着不可替代的作用,星敏感器主要应用F地球

8、轨道T!星、深空探测器等航天器的高精度姿态确定.星极感器结构主要包括遮光罩、光学头部以及电信号处理单元等，其中光学头部通常由光学系统、探测器以及光电转换部件组成。电信号处理单元通常由处理器、存储器等组成，如图1所示。图1星敏手器组示意图其工作原理为：当星敏感器对准天空，视场内所有恒星经遮光罩及光学系统成像到探测器，同时完成星像的光一电荷转换将转换后的电荷图像放大处理为模拟信号并通过A/D转换为数字信号与星图像敏感芯片的像元相对应地储存在星图存储器中。扫描星图的所有像元搜索出恒星并计兑恒星的能量及像平面坐标的位理“将搜索到的恒星与存储港中导航星表里的恒星进行信息匹配，一旦匹配成功，便可利用姿态解

9、算算法得到星故感器光轴在惯性空间中的指向，从而进一步得到航天器的姿态信息。55.1焦距光学系统焦距为1011m-250mmo5.1 光学视场角视场角为328。5.2 工作光谱范围工作光谱范围为470nm-900nm。5.3 光学系统透过率在工作光谱范用内，光学系统透过率不小于7515.4 阳光抑制角阳光抑制角为2645.5.5 地气光抑制角地气光抑制角为2036。5.6 恒星探测灵敏度探测恒星的仪器星等值，范围为010,无量纲。5.7 单星测角误差测角误差不大于10”。5.8 跟踪角速度跟踪角速度范围为0/s25%.5.9 初始捕获时间在无杂光条件下，初始捕获时间为0s20s0注：以k所栩酶不

10、叫哈格恸1别，仅。移考。6加我6.1 环境条件6.1.1 实验室环境要求a）温度：20,C+5C:b）相对湿度:40%60%;O压强：1倍标准大气压；1）洁净度：优于100oOo级：e）应有隔振地基及良好的接地、防睁电措施；f）其他条件：无影响校准工作的气流、电磁等干扰源。6. 1.2外场天文观测环境要求大气视宁度：不小于8级。6.2测量标准及其他设备校准用主要设备及技术指标见表1。1校雇用主要设备及推荐技术指标序号名称主婪技术指标14轴梗置速率转台将角范围:大山被校星敏感累视场范困。角速率范困：0.001*s200s.用位双定位误差：优于1.角位置定位成复性:优于0.5”用速率精度：w1.o

11、/s时.2.510-s(3o);rs10o/s时.1.10-*(3o).用速率平稳性：w1.,/s时.2.510-5(3o);rsIO/s时，1.10-(3o)负我ISfih不小于30kg.负我尺寸：不小于24011n2IOrun240mn2平行光管出口光束平行度：不大于3”.11径：大于被校星取出器口径.M:Hii是被测星敏博涔焦距的2-5倍.波像弟I632.8nm波长下全视场优于A/203显微测量系统长度测Ia误差；不大于05um.长度测眼分辨力：不大于0.1Uru放人倍率：5,XI。、X20、XSO分挡可调4玻罗板淡对间花：1.000nn.2.000nn.1.000tun、10.0u20

12、.OOO11n5单星模拟塞光谱范困：(300-1100)nm.星等误差：士1.%(4等星皤星，间隔0.5等可谓).星光平行度：不大于3”6光谱辐射计光诺范围；(350-1100)rm.光谱分辨力，不大于5nm.波长误差：0.5nm7星点板小孔直径，0.2rrm8单色仪光浴池国：(350-2500)nn.光谱分辨力：不大于02nn.波长城女性r不大于0.1nm9光源光谱范围：(350-1100)nm.摘射照度、辐射光度及辎射功率桧定性均优于1.%(1.h内)10积分球内壁涂层反射率r不小于95%1校席用主要设备及推尊技术报标（续）序号名称主要技术指标11光谱功率计光谱范围：（2001100）nm

13、.测量分辨力：0,1rW12太阳模拟器可提供1.0倍太阳雷数出射光幅射照度.通光孔径：大于星敬七遮光*口径13光电自准H仪示值误差:0.,(0100)-;0.25(01000)”14动态恒星模拟器有效视场：大于被测星般懑器视场.单星位置谡差：不大于40”.光谱范围：包络被测星敏感器工作光谱范用.中心设诏波长：与被测星敬感器中心波长吻合.可调星等范用：覆盖被测星敏感据色星探测灵敏度注；校准时可选用去1所用的测业标准，也可选用符合要求的其他测队标准。7校准项目和校准方法7.1校准项目校准项目见表2,2校戊事目-Jt我序号校准项目校准方法I焦距7.2.22光学视场m7.2.33工作光谐范国7.2.4

14、4光学系统透过率7.2.55阳光抑制角7.2.66地气光抑制角7.2.77恒星探测灵敏度7.2.88单星测角识差7.2.99跟踪角速度7.2.1010初始捕获时间7.2.117.2校准方法7. 2.1校准前准备校准前应对星敏感器外观及各部分功能进行检查,步骤如下：a）目视检查星敏感器壳体，应完整无损伤：表面涂覆层应无划伤、锈蚀、脱落:标识应完整、清晰、准确.b）试胶和观测检杳数据采集软件，应满足测量要求，数据通讯功能稔定、可靠，O使用2-3倍放大镜检查电连接器，插针应无弯曲，插孔应无堵塞.机械连接件、紧固件可就连接，无松动现象，d）采用410倍放大钺检查光学镜头,应无明显麻点、擦痕、气泡、毒斑

15、及其他附着物，光学膜层应牢固、均匀，视场内不得有脱膜或脱胶现望.e）将检查结果填写至附录A表A.1中.7. 2.2焦距校准搭建如图2校准系统，校准步骤如下：图2悠知校准示意图a）在平行光管出光口放置被测星敏感器镜头，被测星敏感涔镜头物方朝向平行光管，像方朝向显微测盘系统：b）在平行光管像面处安装破罗板：c）调整被测星的感器镜头、显微测量系统与平行光管光轴同轴；d）通过显微;则俄系统观察平行光管放罗板通过被测显敏感落镜头所成的像，旋转玻罗板，使其畿对的刻然方向垂直于显微测址系统的测!方向，同时谓整显微测G系统的焦面位置，直到观察到的玻罗板像最清嘶；c）通过显微测盘系统测.敬出玻罗板像的线对间矩y

16、.按公式（1）计算得出被测星械感器镜头的焦距。采用公式（1）计兑焦距时，玻罗板刻线位罚应尽圾满足arctan（y113o.r=y式中：被测星敏感器镜头的焦距，mm:y显微测盘系统测量出玻罗板像的线对间距，mm;f一一平行光管的实际焦矩，该值来自平行光管校准报告或预先精确测定，三;y平行光管玻罗板刻线间距，该值来自平行光管校准报告或预先精确测定，11V11f）.测量5次取其平均值作为星破感器镜头焦距，将校准结果数据埴归至Kf录表A.2中.a）按图4搭建工作光谱范围校准系统.单色仪输出光经枳分球匀光后照亮平行光管保面处的星点板,枳分球出口固定光谱辐射计探头,被测星敏感器的模头应正对平行光管出光孔.

17、b）开启单色仪,按照单色仪输出单色光的起止波长区间应覆盖星敏感器理论设计的工作波长区间为原则设置起始波长，并设置波长步长为Ionm.使埴色仪依次输出波长为：的单色光.被测星敏感器对平行光管焦面处的星点成像，通过调整被测星敏感器水干及垂直方向位置使星点成像位于探测视场的中心.c）使用光谱辐射计测量枳分球出口处的辐亮度并记为1.x,通过数据采集及处理记录被测星敏感器图像对应的星点像灰度输出值并记为dDW0被测星敏感器的光谱响应按公式GD计算。式中：SX入；波长下单色光的光谱响应值.$1/期阿）；dDN；一一波长步长内被测星敬感戏输出：1.X;波长下单色仪窄带光谱输出对应的枳分球输出辎亮度W（sr1

18、.P）:d-波长步长，nm.d）以计算得到的光谱里应最大值为基数,对被测星敏感器的光谱响应按公式（5）进行归一化计算.Pi.=*y.1mx1.5iI式中：PZi；波长单色光对应的光谱响应归一化计审结果：11axSx;一一光谱响应最大值。以波长为横坐标,px为纵坐标,拟合绘制出相对光谱响应曲线，对应的前、后截止波K之间为工作光谱范围，推荐相对光谱响应定为峰值的2。校准结果数据填写至附录A表A.4中。7.2.5光学系统透过率校准光学系统透过率由特定波长的平行光经过光学系统前后刻应光子能量的比值来表示.校准步骤如卜丁图5光学系统透过率校准示意图a）按照图5搭建光学系统透过率校准系统，取色仪输出光经积

19、分球匀光后照亮平行光管焦面处的星点板,被测星城感器的镜头正对平行光管出光孔，星敏感器遮光阻入8校准步骤如F：a）在满足外场天文观测环境要求下，夜晚使用星敏感器观星采集无杂光环境下星图序列形成观星图像。b）在实验室环境下将同一被测星敏感器固定于转台上，调整其光轴与水平面平行。O启动太阳模拟器并设定其出射光强度为1.O倍太阳常数，并将出射光对准暗室入孔，令阳光水平入射到暗室内转台附近。d）精确调整转台，使得太阳模拟器入射平行光与遮光罩顶端平面平行，此时阳光入射角为90。以此为基准并设置转台旋转角度步长为2,转动转台逐步减小阳光入射角，并采集不同阳光入射角下的图像信息.e）将步骤d）采集到的实验室不

20、同阳光入射角下杂光图像叠加到步骤a）采集到的观星图像中，形成具有恒星目标下的杂光图像序列。0运行分析软件处理步骤e）中得到的杂光图像序列，得到提取星数、识别星数、姿态四元数信息样本。g）提取星数及识别星数均不少于1颗且姿态有效率不小于95%时阳光入射角最小值为星敏感器保功能的阳光抑制角：满足姿态测量误差要求的阳光入射角最小值为星敏感器保精度的阳光抑制角。将校准数据填写至附录A表A.6中。7. 2.7地气光抑制用校准搭建如图7所示杂散光校准系统。将阳光抑制角校准方法步骤C）中太阳模拟器出射光强度设定为03倍太阳常数.其他步骤按照阳光抑制角校准方法执行.提取星数及识别星数均不少于4颗且姿态有效率不

21、小于95%时地气光入射角最小值为星敏感淞保功能地气光抑制角：满足姿态测量误差要求的地气光入射角最小值为星敏感怒保精度的地气光抑制角。将校准数据填写至附录A表A.7中。8. 2.8恒星探测灵敏度校准校准步骤如下：a）在满足外场天文观测环境要求下，将星敏感器安装于外场双轴位置,速率转台上：b）控制转台旋转相应轴系，使星敏感器光轴连续扫过不小丁节00天区度数并同时采集星图信息：C）统计采集到的所有星图中恒星的仪器星等及对应的恒星信噪比，通过最小二乘IO计算后得：u3=0.006(C.98)C.7.5合成标准不确定度由于规定恒星探测灵敏度为信噪比SNR-3时的仪器星等数值，单点测量数值与拟合数值之可存

22、在残差，尺拟合后的斜率与被距之间具有相关性。为便于分析，引入一零变量：(bSNR-bSNR),则公式(C.87)变为：Mj=(a+bSNR)+b(SNR-SNR)+e=M+b(SNR-SNR)+e(C.99)式中：e-一测电值与拟合值间的残差，无量纲。其中M.b.e之间互不相关，故恒星探测灵敏度MI的合成标准不确定度为：“M*禁广除9+剧“C100其中，?M.SMJM.s-=三(SNR-SNR)*-三1.*w(M)三j(M)三-,tf(r)三(e)三jaM泌afW(C.101)整理后得：0M)2+ISNR-丽虹+律(G1.O2)Jn(SNR,-SNR)*,将公式(C.96)代入计算后得UC(M

23、I)=#O.O58SNR0.484)2+0.132,可见合成标准不确定度与信噪比的数值有关.当SNR=3时，u(M1)=0.48.M1.C.7.6犷联不确定度扩展不确定度U(M1.)按公式(C1.O3)计并。取包含因子k=2U(Mj)=kuc(Mj)当SNR=3时,U(M)=O.96.(CjO3)C.8的星测角误差不确定度评定C.8.1测量模5?测量模型见公式(C.104).0=0-0式中:(C.104)一测价观测盘与基准肽的角度差位，D:一一转行转动前后星敏接器观测矢量夹角(观测值).O:0一一转台转动角度值(基准值r()。C.8.2不确定度来源球星测角误差标准不确定度分值见表C.16,ac

24、.i6不确定度分量来源序号不确定度分最不确定度来源分布类型评定方法11星敏感器矢量夹角测量重现性引入正态分布A类评定2测试转介测角误差引入均匀分布B类评定3u2U4测试转台测录分群力引入均匀分布B类评定C.8.3不确定度传播律(C.105)单星测角误差AO的合成标准不确定度见公式(C.105).u2(0)-c2u2+c2u2式中：u.()测得观测做与基准口的角度差值合成标准不确定度，(*);Ui转行转动前后星敏感器观测矢量夹角测量不确定度,(”)：U2一一转台转动角度测地不确定度，(“)对应灵敏系数为：(C.106)C.8.4标准不确定度分做的评定C.8.4.1星敏博跳失盘夹角测fit由亚性引

25、入的不确定度U1.以2为转角步长连续测量10次，将成像坐标转化为观测矢量夹角D后，结果见表C.17。表C.17矢量夹角测量结果测量序号I2345678910矢限央用0/()1.99981.99992.OOO1.1.99992.00021.99971.99992.00021.99992.0000采用贝塞尔公式计算实验标准偏差，经计算得s=0.59，则标准不确定度为：u1-0.59(C.107)C.8.4.2测试转台测角误差引入的不确定度u,转台侧角误差引入的不确定度采用B类评定按公式(C.108)计算.(C.108)由转台计砧报告可知转台测向最大允许误差为1,区间半宽度a=1。误差分布服从均匀分

26、布，k=3.则测角误差引入的不确定度S经计算得：U3=0,58(C.1O9)C.8.4.3测试转台测量分辨力引入的不确定度u测量分辨力弓I入的不确定度分量，按B类评定，区间半宽度a=6o2,服从均匀分布，k=3.%按公式(CK)S)计算，5o=0.036,经计算得：u4=0.01,(CJ1.O)C.8.5合成标准不确定度各不确定度彼此不相关，合成标准不确定度按公式(CU1.)计算.(CJi1.)(C.1I2)(C.1I3)(C1.14)(C.I15)ue()=1.ciu2+c2u2其中，S按照公式(C.1I2)计算.U2=u3+u2经计。后可得：u1.OOOOi0.999740.999871.

27、000281.00000位Et序号678910ftr)0.999561.OOOO1.1.0(XM01.000020.99967采用贝塞尔公式计算实验标准偏差，经计算得s=1.74x1.0-5os0则标准不确定度为:u1=1.7410-50s(C.I16)C.9.2.2转台角速率分辨力引入的不确定度UZ由速率分辨力6导致的标准不确定吱分量U2采用B类评定，区间半宽度a-320测品值在区间内服从均匀分布，k=3,因此由分明力引入的标准不确定度U2按公式(C.117)计算。m.三22.(C.117)k2J3S=o.ooors.经计算附：U2=5.7710-5os(C.I18)C.9.2.3转台角速率

28、误差引入的不确定度S根据转台的校准证书，其角速率误差限为1X10-4,区间半宽度测做俗在区间内服从均匀分布，k=3,测试转台角速率误差引入的不确定度U3按公式(C.117)计算.经计算得：u3=5.77IO-50s(C.I19)C.9.2.4测St转速步长引入的不确定度u.转速步长可看作为测地分辨力，由分辨力引入的标准不确定度分量U,采用B类坪定。区间半宽为a=wA2测处值在区间内JR从均分布,k=3.则测量步长引入的标准不确定度按公式(C1.1.7)计算。转速步长设为02s,经计算后可得：u4=0.058osmin(D.1)则此运算称为多项式拟合，满足公式(D.1)的P.(x)称为最小二乘拟

29、合多项式.特别地，当n=1.时，称为役性拟合或直线拟合。由多元函数求极减的必要条件Ur知,1.一t:，)，3()】.”,“。2)即：Sr,y,三0.1.w(D.3)公式(D.3)可施阵方程形式，H.其系数矩阵为一对称正定矩阵，故方程存在唯一解,求解此方程便可得ak.k=O,I“n.从而可得多项式函数如公式(D.4)所示.星敏感器成像模型星破熔器成像模型如图1所示.在坐标主点为同的关(E.I)图E1.成像模型示意国其中OXYZ为星故感器坐标系，O.X.Y.为探测器成像坐标系，假设恒星S系OXYZ下单位矢量为S(x.y.z),其投射在探测器上的像点为P(x：.yi).P0(xo,yo),则由几何关系可知，矢GS(x,y,z)与成像点坐标P(x;,y;)系按公式(E.1)计算，式中：f一一星敏嬷器镜头的焦距，rrm。