CN100432628C - 太阳敏感器测量基准转换方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳敏感器测量基准转换方法，包括：利用太阳模拟器和高精度两轴转台，对太阳敏感器内外参数进行标定。在太阳模拟器和太阳敏感器之间设置光阑接收屏，并用电荷耦合器件(CCD)图像定位瞄准系统来判断太阳模拟光线是否垂直于镜面立方体的反射面，完成镜面立方体两个反射面法向分别与太阳模拟光线矢量关系的测量。由该矢量关系和太阳敏感器外参数确定太阳敏感器测量坐标系转换到镜面立方体坐标系的转换矩阵。依据该转换矩阵将太阳敏感器测量坐标系下的太阳视线矢量方向转换到可观测镜面立方体基准坐标系下。本发明同时公开了实现上述转换方法的装置。本发明实现简单，精度高。

Description

太阳敏感器测量基准转换方法与装置

技术领域

本发明涉及太阳敏感器测量技术，尤其涉及一种太阳敏感器测量基准转换方法与装置。

背景技术

太阳敏感器对太阳辐射敏感并借此获得航天器相对于太阳的方位，主要用来测量太阳视线与航天器某一体轴或平面之间夹角。太阳敏感器直接测量到的太阳视线是在太阳敏感器测量坐标系中定义的，或者说是以太阳敏感器测量坐标系为测量基准。为了在实际使用中能够将直接测量到的太阳视线转换到运动载体坐标系，需在太阳敏感器机壳上建立一个可观测的测量基准，即首先设定一个转换参数，靠精准的加工来满足该设定的转换参数。常规的测量基准转换方法一般是首先加工一个高精度镜面立方体，然后由严格准确的机械结构和安装工艺将镜面立方体安装到与太阳敏感器测量坐标系有严格准确位置关系的基准位置，从而实现由镜面立方体为测量基准的测量基准转换。该方法需将该镜面立方体安装到与太阳敏感器测量坐标系有严格准确位置关系的基准位置，这样不仅需要机加工精度，而且还需要安装精度，这样造成加工难度大、安装工艺复杂，并且由于太阳敏感器测量坐标系是不可见的，机械上很难直接高精度定位，致使基准转换精度低。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种太阳敏感器测量基准转换方法与装置。该方法及装置能够快速、准确、方便地将太阳敏感器直接测量得到的太阳视线转换到太阳敏感器机壳上的可观测测量基准，为将太阳敏感器测量坐标系下的太阳视线转换到运动载体坐标系奠定了基础。

本发明的技术方案是这样实现的：一种太阳敏感器测量基准转换方法，包括以下步骤：

A、在光学平台上架设太阳模拟器和高精度两轴转台，将太阳敏感器安装在两轴转台上，使太阳模拟光线通过太阳敏感器的光学系统照射在太阳敏感器的图像传感器上；分别旋转两轴转台的两转轴，并记录每个旋转角度下太阳模拟光线在图像传感器成像面的交点坐标，根据所述坐标标定出太阳敏感器的内参数和外参数；依据外参数计算出太阳模拟光线在转台坐标系下的初始矢量V和转台坐标系到太阳敏感器坐标系的旋转矩阵R(sun←rot)；

B、在太阳模拟器和太阳敏感器之间设置光阑接收屏，选取一束光线照射在镜面立方体上，其中，镜面立方体安装在太阳敏感器的光线入射面上；旋转转台的两转轴，使所述选取的光线依次垂直于镜面立方体的两反射面，并记录垂直时水平转轴和竖直转轴旋转的角度θ₁、θ₂以及θ₃、θ₄，结合太阳模拟光线初始矢量V，计算出转台坐标系到镜面立方体坐标系的旋转矩阵R(ref←rot)；

C、根据步骤A、B中计算出的R(sun←rot)和R(ref←rot)，计算出太阳敏感器坐标系到镜面立方体坐标系的基准转换矩阵R(ref←sun)；

D、根据步骤C中计算出的基准转换矩阵R(ref←sun)，将太阳敏感器坐标系下直接测量得到太阳光线矢量转换到镜面立方体基准坐标系下的矢量方向。

一种太阳敏感器测量基准转换装置，包括有光学平台、太阳模拟器、光阑接收屏、高精度两轴转台和电荷耦合器件图像定位瞄准系统，在光学平台上分别架设太阳模拟器和高精度两轴转台，并将太阳敏感器安装在高精度两轴转台内框上，使太阳模拟光线通过太阳敏感器的光学系统照射在太阳敏感器的图像传感器上，太阳敏感器上安装有镜面立方体；其中，太阳模拟器和两轴转台完成太阳敏感器内外参数的标定；太阳模拟器和太阳敏感器之间设置光阑接收屏，光阑接收屏上设有太阳模拟光线的入射孔，使通过入射孔的单束光线照射在镜面立方体的一反射面，并用电荷耦合器件图像定位瞄准系统判断太阳模拟光线是否垂直于镜面立方体的反射面，完成镜面立方体两个反射面法向分别与太阳模拟光线矢量关系的测量。

本发明利用现有的太阳敏感器标定装置(高精度两轴转台和太阳模拟器)，通过设置光阑接收屏及CCD图像定位瞄准系统，并由相应的转化方法和步骤实现了太阳敏感器测量基准的转换。该方法及装置不需将镜面立方体安装到与太阳敏感器测量坐标系有严格准确位置关系的基准位置，加工安装工艺简单，操作方便，能够快速、准确、方便地将太阳敏感器直接测量得到的太阳视线转换到太阳敏感器机壳上的可观测测量基准。

附图说明

图1为本发明的转换装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行更详细的说明。

如图1所示，本发明的转换装置包括有光学平台10、太阳模拟器11、高精度两轴转台13、光阑接收屏12和电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)图像定位瞄准系统。它们均为现有器件，光学平台10采用天津拓普有限公司的WSZ-1型光学实验平台，高精度两轴转台13采用北京航空航天大学自动控制系研制的型号为KJ_2100C的测量转台(精度±0.4″)，太阳模拟器11采用Newport--Oriel公司的96000型太阳模拟器。图像定位瞄准系统中的摄像头采用Minton公司的Minton368P型CCD摄像机。由于这些器件均是现有、其构造和功用等也均为本领域技术人员所熟知，这里不再赘述。

太阳敏感器15固定在高精度两轴转台的内框上，其包括有位于同一平面且相互垂直的两转轴，分别为水平转轴130和竖直转轴131。太阳模拟器11发射的模拟光线通过太阳敏感器光学系统照射在其图像传感器上，通过旋转转台两转轴到不同角度，获得太阳模拟光线与图像传感器不同的交点坐标。依此作为标定点数据完成太阳敏感器内外参数的标定。

太阳敏感器15上安装有镜面立方体16。在太阳模拟器11和太阳敏感器之间设置光阑接收屏12，其上设有太阳模拟光线的入射孔，使通过入射孔的单束光线照射在镜面立方体的某一反射面。CCD图像定位瞄准系统包括有摄像头17和处理中心18，摄像头拍摄光阑接收屏12上的入射孔120和由镜面立方体16反射面反射到光阑接收屏12上的反射光斑，由处理中心18判断入射孔120和反射光斑是否同心，依此来判断太阳模拟光线是否垂直于镜面立方体某一反射平面，从而完成镜面立方体两个反射面法向分别与太阳模拟光线矢量关系的测量。

本发明的测量基准转换方法正是基于前述的装置进行的，其不必保证太阳敏感器15机壳的加工精度，也不必保证镜面立方体16安装到太阳敏感器15机壳上的位置精度。在描述本发明的测量基准转换方法时，首先说明一下与本发明的转换方法相关的几个坐标系，以详尽地描述本发明的技术方案。

与本发明测量基准转换方法相关的坐标系包括：以太阳敏感器15的图像传感器成像面的行为X轴，列为Y轴，并设定垂直于XY平面的Z轴，形成太阳敏感器坐标系。以安装太阳敏感器的两轴转台13的水平转轴130和竖直转轴131分别为X′和Y′轴，两转轴交点为坐标原点，设定垂直于X′Y′平面的Z′轴，形成转台坐标系。以太阳敏感器上的镜面立方体16的一个角点为坐标原点，过该原点的三个反射面所在平面分别为X″Y″、X″Z″、Y″Z″面，形成镜面立方体坐标系。本发明的太阳敏感器坐标系、转台坐标系和镜面立方体坐标系同为右手坐标系或左手坐标系。

本发明的测量基准转换方法为：首先，将太阳敏感器15固定于高精度两轴转台13的内框上，由太阳模拟器15出射太阳模拟光线，通过太阳敏感器光学系统照射在太阳敏感器15的图像传感器上。通过旋转两轴转台13的两转轴到不同角度，获得太阳模拟光线与图像传感器不同的交点坐标。依此作为标定点数据完成太阳敏感器内外参数的标定；然后，在该标定装置基础上，在太阳模拟器和太阳敏感器之间设置光阑接收屏，其上设有太阳模拟光线的入射孔，使通过入射孔的单束光线照射在镜面立方体的某一反射面。CCD图像定位瞄准系统用来判断太阳模拟光线是否垂直于镜面立方体的反射面，从而完成镜面立方体两个反射面法向分别与太阳模拟光线矢量关系的测量。最后，由该矢量关系和太阳敏感器外参数就可确定太阳敏感器测量坐标系转换到镜面立方体坐标系的转换矩阵。这样，太阳敏感器测量坐标系下的太阳视线就可转换到镜面立方体坐标系下。以下详细描述其具体的实现步骤：

步骤1、在光学平台上架设太阳模拟器11和高精度两轴转台13，并将太阳敏感器安装在高精度两轴转台内框上，使太阳模拟光线通过太阳敏感器的光学系统照射在太阳敏感器的图像传感器上。

步骤2、旋转两轴转台13的水平转轴130和竖直转轴131到不同角度，每旋转一个角度记录下太阳模拟光线与图像传感器的交点坐标。以此作为标定点数据代入该系统内外参数统一建模模型，并用最小二乘优化法得到太阳敏感器的内参数和外参数α₀、β₀、α₁、β₁、

其中，α₀、β₀是太阳模拟光线初始矢量在转台坐标系下的偏航和俯仰角；α₁、β₁、

是转台坐标系转换到太阳敏感器测量坐标系，转台绕X′轴、Y′轴和Z′轴的旋转角度。标定点数据越多，得到的内外参数值越精确，实际应用中，可根据太阳敏感器的视场范围选取适量的标定点数据。例如，对±60°视场范围的情况，可每隔5°选取一个标定点数据。具体的实现方法可参见(Carl Christian Liebe，Sohrab Mobasser.MEMS BasedSun sensor[A].IEEE Proceedings Aero space Conference，Piscataway，NJ：IEEEPress2001，3/1565-3/1572)。根据这些外参数得到太阳模拟光线在转台坐标系下的初始矢量方向V和转台坐标系转换到太阳敏感器测量坐标系的旋转矩阵R(sun←rot)，其分别用外参数表示为：

$V=\left(\begin{array}{c}e1\\ e2\\ e3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\β}}_0*\cos {\mathrm{\α}}_0\\ \cos {\mathrm{\β}}_0*\sin {\mathrm{\α}}_0\\ \sin {\mathrm{\β}}_0\end{array}\right)---\left(1\right)$

Rot(X′，α₁)、Rot(Y′，β₁)、

分别是转台绕X′轴旋转α1、绕Y′轴旋转β1、绕Z′轴旋转

对应的旋转矩阵。

步骤3、在太阳模拟器11和太阳敏感器15之间设置光阑接收屏，选取一束光线照射在镜面立方体16的一个反射面上。

步骤4、转动转台使镜面立方体该反射面的反射光照射到光阑接收屏，利用CCD图像定位瞄准系统的摄像头17，拍摄光阑上入射孔和由该反射面反射到光阑接收屏上的光斑，由处理中心18判断两者是否同心，依此来判断太阳模拟光线是否垂直于镜面立方体某一反射平面，(判断方法可参见论文：魏新国，张广军，《基于亚象素边缘提取的圆心定位方法》(全国光电技术学术交流会2002))。旋转转台，使两者同心时记录转台两轴的旋转角度θ₁、θ₂。

步骤5、转动转台使镜面立方体另一反射面的反射光照射到光阑接收屏，重复步骤4，使两者同心时记录转台两轴的旋转角度θ₃、θ₄。

步骤6、依据θ₁、θ₂、θ₃、θ₄和步骤2中太阳模拟光线初始矢量方向V，建立如下方程组：

$n1=\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right)=R(\mathrm{ref}\←\mathrm{rot})\×\mathrm{Rot}(Y^{\′},{\mathrm{\θ}}_2)\×\mathrm{Rot}(X^{\′},{\mathrm{\θ}}_1)\×V$

$n2=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right)=R(\mathrm{ref}\←\mathrm{rot})\×\mathrm{Rot}(Z^{\′},{\mathrm{\θ}}_4)\×\mathrm{Rot}(Y^{\′},{\mathrm{\θ}}_3)\×V$

其中，n1和n2分别是步骤4、5中镜面立方体两反射面的法线方向。Rot(X′，θ₁)、Rot(Y′，θ₂)、Rot(X′，θ₃)、Rot(Y′，θ₄)分别是步骤4、5中转台绕两轴旋转对应的旋转矩阵。R(ref←rot)为转台坐标系转换到镜面立方体坐标系的旋转矩阵。

步骤7、将R(ref←rot)表示为：

其中，Rot(X′，α₂)、Rot(Y′，β₂)、是转台坐标系转换到镜面立方体坐标系，转台分别绕X′轴旋转α₂、绕Y′轴旋转β₂、绕Z′轴旋转

对应的旋转矩阵。代入步骤6中的方程组(3)可得到α2、β2、

唯一的一组解，从而求出R(ref←rot)。

步骤8、将步骤2和步骤7中得到的R(sun←rot)和R(ref←rot)代入下式，计算出太阳敏感器坐标系到镜面立方体坐标系的转换矩阵R(ref←sun)。R(ref←sun)＝R(ref←rot)×R(sun←rot)-1

这样，当太阳敏感器15应用于卫星等航天器时，对于太阳敏感器坐标系下直接测量得到太阳光线矢量A，转换到镜面立方体基准坐标系下的矢量方向A_ref就为：A_ref＝R(ref←sun)×A。即太阳敏感器15直接测量得到的太阳视线矢量方向，乘以矩阵R(ref←sun)后，就得到镜面立方体基准坐标系下的太阳视线矢量方向。从而将太阳视线转换到太阳敏感器机壳上的可观测测量基准。

假设通过本发明的标定方法得出某太阳敏感器外参数(α₀、β₀、α₁、β₁、

)的最小二乘优化值如下表1：

表1

利用CCD图像定位瞄准系统对光阑上的入射孔120和镜面立方体反射面反射光斑定位。旋转转台，使太阳模拟光线分别垂直于镜面立方体X″Y″面及Y″Z″面时，转台分别绕两轴转过的角度θ₁、θ₂、θ₃、θ₄的值如下表2：

参数	θ<sub>1</sub>	θ<sub>2</sub>	θ<sub>3</sub>	θ<sub>4</sub>
					测量值(度)	2.2	-1.2	1.7	88.8

表2

代入上述转换方法中相应的理论式，得到太阳敏感器测量坐标系到可观测镜面立方体坐标系的转换矩阵R(ref←sun)为：

$R(\mathrm{ref}\←\mathrm{sun})=R(\mathrm{ref}\←\mathrm{rot})\×R{(\mathrm{sun}\←\mathrm{rot})}^{-1}=\left(\begin{array}{ccc}0.9996& -0.0265& -0.0095\\ 0.0269& 0.9987& 0.0435\\ 0.0083& -0.0437& 0.9990\end{array}\right)$

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1、一种太阳敏感器测量基准转换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A、在光学平台上架设太阳模拟器和高精度两轴转台，将太阳敏感器安装在两轴转台上，使太阳模拟光线通过太阳敏感器的光学系统照射在太阳敏感器的图像传感器上；分别旋转两轴转台的两转轴，并记录每个旋转角度下太阳模拟光线在图像传感器成像面的交点坐标，根据所述坐标标定出太阳敏感器的内参数和外参数；依据外参数计算出太阳模拟光线在转台坐标系下的初始矢量V和转台坐标系到太阳敏感器坐标系的旋转矩阵R(sun←rot)；

B、在太阳模拟器和太阳敏感器之间设置光阑接收屏，选取一束光线照射在镜面立方体上，其中，镜面立方体安装在太阳敏感器的光线入射面上；旋转转台的两转轴，使所述选取的光线依次垂直于镜面立方体的两反射面，并记录垂直时水平转轴和竖直转轴旋转的角度θ₁、θ₂以及θ₃、θ₄，结合太阳模拟光线初始矢量V，计算出转台坐标系到镜面立方体坐标系的旋转矩阵R(ref←rot)；

C、根据步骤A、B中计算出的R(sun←rot)和R(ref←rot，计算出太阳敏感器坐标系到镜面立方体坐标系的基准转换矩阵R(ref←sun)；

D、根据步骤C中计算出的基准转换矩阵R(ref←sun)，将太阳敏感器坐标系下直接测量得到太阳光线矢量转换到镜面立方体基准坐标系下的矢量方向。

2、根据权利要求1所述的太阳敏感器测量基准转换方法，其特征在于，步骤A中所述太阳敏感器内参数和外参数的标定具体为：

将标定点坐标数据代入太阳敏感器内参数和外参数统一建模模型，并用最小二乘优化法得到太阳敏感器的内参数和外参数。

3、根据权利要求1或2所述的太阳敏感器测量基准转换方法，其特征在于，步骤B中所述使太阳模拟光线垂直于镜面立方体反射面具体为：

在光学平台上设置电荷耦合器件图像定位瞄准系统，利用所述电荷耦合器件图像定位瞄准系统中的摄像头对光阑接收屏进行拍照，调整转台的两转轴，使光阑接收屏上的反射光斑与入射孔同心，其中，所述反射光斑是由光阑入射孔出射的太阳模拟光线照射到镜面立方体，并由镜面立方体反射到光阑接收屏所形成的光斑。

4、一种太阳敏感器测量基准转换装置，其特征在于，该装置包括有光学平台、太阳模拟器、光阑接收屏、高精度两轴转台和电荷耦合器件图像定位瞄准系统，在光学平台上分别架设太阳模拟器和高精度两轴转台，并将太阳敏感器安装在高精度两轴转台内框上，使太阳模拟光线通过太阳敏感器的光学系统照射在太阳敏感器的图像传感器上，太阳敏感器上安装有镜面立方体；其中，太阳模拟器和两轴转台完成太阳敏感器内、外参数的标定；太阳模拟器和太阳敏感器之间设置光阑接收屏，光阑接收屏上设有太阳模拟光线的入射孔，使通过入射孔的单束光线照射在镜面立方体的一反射面，并用电荷耦合器件图像定位瞄准系统判断太阳模拟光线是否垂直于镜面立方体的反射面，完成镜面立方体两个反射面法向分别与太阳模拟光线矢量关系的测量。

5、根据权利要求4所述的太阳敏感器测量基准转换装置，其特征在于，所述电荷耦合器件图像定位瞄准系统包括有摄像头和处理中心，其中，摄像头拍摄光阑上的入射孔和由镜面立方体反射面反射的反射光斑，由处理中心判断入射孔和反射光斑是否同心，依此来判断太阳模拟光线是否垂直于镜面立方体的反射面。

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