CN101699222A - 一种星敏感器校准装置及应用于高精度星敏感器校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星敏感器校准装置及应用于高精度星敏感器的校准方法。星敏感器的校准装置是在单星模拟器与待标定星敏感器光路之间设有一个二维可调平面反射镜，在与二维可调平面反射镜的夹角为90°±15°处设有激光测角装置的激光器，在距二维可调平面反射镜中心50-200厘米处设有可在光学气垫平台上竖直和水平方向移动的高精度二维导轨，激光测角装置的激光探测器安装在高精度二维导轨上面，激光器发出的激光经二维可调平面反射镜反射后，入射到激光探测器，数据处理计算机分别与待标定星敏感器及激光探测器连通。本发明无需转动星敏感器，在畸变模型中增加了切向畸变和安装误差偏转角，可达到甚高精度(亚角秒级)星敏感器的要求；且方法简单，计算量小。

Description

一种星敏感器校准装置及应用于高精度星敏感器校准的方法

技术领域

本发明涉及一种航天测量领域中星敏感器校准装置及应用于高精度星敏感器校准的方法。

背景技术

常见的星敏感器实验室校准装置一般包括：单星模拟器、高精度二维转台、计算机、光学气垫平台等，如：CN 101013033A公开了“一种基于无偏差带的星敏感器地面校准方法”。通常是利用单星模拟器配合高精度二维转台进行校准，一般包括以下步骤：(1)采用整体建模的方法建立星敏感器成像模型：以二维转台的初始位置建立坐标系，设定星光方向和星敏感器在二维转台上的安装偏差，建立星敏感器内部主距和畸变模型；(2)连续转动二维转台采集星点数据，并记录当时的二维转台转动坐标，以终获得不同星敏感器图像传感器靶面位置的星点数据；(3)根据最小二乘的参数估计方法，对模型的参数进行估计，获得星敏感器校准系统的内外部参数。该方法存在的缺点是：它是通过连续转动二维转台采集星点数据，因而校准精度受二维转台的安装精度和转动精度的限制，难以达到甚高精度(亚角秒级)星敏感器的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供另一种星敏感器的校准装置和校准方法。以实现可达到甚高精度(亚角秒级)星敏感器的要求；且方法简单；计算量小、可精确标定出星敏感器的光学中心、主距、畸变系数等参数的目的。

本发明的星敏感器标定装置，包括设在光学气垫平台上的单星模拟器、待标定星敏感器、数据处理计算机，其特征在于，在单星模拟器与待标定星敏感器光路之间设有一个与单星模拟器光轴的夹角为45°±15°的二维可调平面反射镜，在与二维可调平面反射镜的夹角为90°±15°处设有激光测角装置的激光器，在距二维可调平面反射镜中心50-200厘米处设有可在光学气垫平台上竖直和水平方向移动的高精度二维导轨，激光测角装置的激光探测器安装在高精度二维导轨上面，激光器发出的激光经二维可调平面反射镜反射后，入射到激光探测器，数据处理计算机分别与待标定星敏感器及激光探测器连通。

所述二维可调平面反射镜中心到待标定星敏感器的距离为15-30厘米。

所述激光测角装置的激光器与二维可调平面反射镜的距离为10-50厘米。

用本发明的装置精度校准星敏感器内部参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)单星模拟器发出的星光经二维可调平面反射镜反射后，进入星敏感器视场，通过调整二维可调平面反射镜的方向，使单星模拟器发出的星光和星敏感器靶面处于自准直状态，并建立坐标系F和星敏感器图像传感器成像面坐标系uv；坐标系F为0-XYZ，Z轴为此时的星敏感器的主光轴方向，X轴和Y轴分别对应光学平台的水平方向和竖直方向，坐标原点0为星敏感器的光学中心；坐标系u v的坐标原点为图像传感器像面左上角顶点，u和v分别对应图像传感器像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；

(2)测量光学中心：在自准直状态下，采集恒星图像m次，取m次采集的恒星图像的亚像元质心坐标的均值(u₀，v₀)作为光学中心位置；调整激光测角装置的激光器，使经平面反射镜反射出的激光垂直入射到激光探测器像面的运动平面；调节二维导轨，使激光器发出的激光经二维可调平面反射镜反射后，入射到激光探测器，并使激光光斑中心与激光探测器像面中心重合，记录二维导轨的水平和竖直的刻度，分别为记为l₀和h₀；

(3)星敏感器不同入射视场的恒星模拟：调节二维导轨，以每隔Δl为一个采集位置，Δl/L小于0.0174，具体取值由星敏感器视场大小和精度决定，其中L为二维可调平面反射镜中心到二维导轨的距离；在每一个采集位置采集恒星图像m次，最终使得星点成像遍布靶面。在调节二维导轨的同时，转动二维可调平面反射镜，使得经二维可调平面反射镜反射的激光的光斑中心始终位于激光探测器的像面中心；

(4)数据的处理：

A将采集的恒星图像位置数据(x′_i，y′_i)记为数据集合Ω1，将对应恒星入射光线与Z轴在X和Y方向的夹角(θ_i，φ_i)记为数据集合Ω2；

第i采集位置的恒星图像位置数据(x′_i，y′_i)为：

$x_i^{\′}=S\frac{1}{d}(u_i-u_0)$ $y_i^{\′}=\frac{1}{d}(v_i-v_0)---\left(1\right)$

式1中：(u_i，v_i)为某一采集位置对m次采集的恒星图像亚像元质心坐标的均值，S为图像比例因子，d为图像传感器像元尺寸。

第i采集位置的对应的恒星入射光线与Z轴在X和Y方向的夹角θ_i和

为：

${\mathrm{\θ}}_i=\arctan \left(\frac{l_i-l_0}{L}\right)$

式中：(l_i，h_i)为某一采集位置的二维导轨的水平和竖直的刻度；

B取集合Ω1中的(x′_i，y′_i)和集合Ω2中(x′_i，y′_i)对应的恒星入射光线与Z轴在X和Y方向的夹角数据(θ_i，φ_i)代入式3，采用Levenberg-Marquardt优化算法得到星敏感器的主距f、畸变系数以及安装误差偏转角β。

$\left[\begin{array}{c}f{\tan \mathrm{\θ}}_i\\ f\tan {\mathrm{\φ}}_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -\mathrm{\β}\\ \mathrm{\β}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_i^{\′}+(g_1+g_3)x_i^{\′2}+g_4{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}+g_1{y}_i^{\′2}+\mathrm{\κ}{x}_i^{\′}(x_i^{\′2}+y_i^{\′2})\\ y_i^{\′}+g_2{x}_i^{\′2}+g_3{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}+(g_2+g_4)y_i^{\′2}+\mathrm{\κ}{y}_i^{\′}(x_i^{\′2}+y_i^{\′2})\end{array}\right]---\left(3\right)$

式3中，g₁＝s₁+p₁、g₂＝s₂+p₂、g₃＝2p₁、g₄＝2p₂，s₁、s₂为薄棱镜畸变系数；p₁、p₂为偏心畸变系数；κ为径向畸变系数；β为坐标系F中XY平面与星敏感器图像传感器成像面坐标系uv绕Z轴的转角，由装置的安装误差引起。

本发明的优点：(1)在采集星点数据时无需转动星敏感器，可以消除传统实验室标定方法中二维转台误差对星敏感器校准精度的制约；(2)通过二维可调平面反射镜实现不同入射视场的恒星模拟，采用激光反射的方法测量反射镜的偏转角，精度高，方法简单；(3)该方法模型简单，计算量小；(4)星敏感器畸变模型中，在传统径向畸变模型的基础上，针对星敏感器成像特点，在畸变模型中增加了切向畸变和安装误差偏转角，因此该方法精度高，可达到甚高精度(亚角秒级)星敏感器的要求。

附图说明

图1是星敏感器标定装置结构示意图。

具体实施方式

实施例：

在光学气垫平台7的一侧安放有单星模拟器1，在光学气垫平台7的另一侧安放有待标定星敏感器8，在单星模拟器1与待标定星敏感器8光路之间的转角上设有一个二维可调平面反射镜2，二维可调平面反射镜与单星模拟器光轴的夹角为45°±15°，二维可调平面反射镜中心到待标定星敏感器的距离为20cm，在与二维可调平面反射镜的夹角为90°±15°、距离为15厘米处设有激光测角装置的激光器3，在距二维可调平面反射镜中心100厘米处设有高精度二维导轨5，高精度二维导轨可在光学气垫平台7上竖直和水平方向移动，激光测角装置的激光探测器4安装在高精度二维导轨5上面，激光测角装置的激光器发出的激光经二维可调平面反射镜反射后，入射到激光探测器，数据处理计算机6分别与待标定星敏感器8及激光探测器4连通。

用本发明的装置精度校准星敏感器内部参数的方法，包括以下步骤：

(1)调整二维可调平面反射镜2，使得单星模拟器1发出的星光和星敏感器靶面处于自准直状态，并建立坐标系F和星敏感器图像传感器成像面坐标系uv；坐标系F为0-XYZ，Z轴为此时的星敏感器的主光轴方向，X轴和Y轴分别对应光学平台的水平方向和竖直方向，坐标原点0为星敏感器光学中心；坐标系uv的坐标原点为图像传感器左上角顶点，u和v分别对应图像传感器像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素。

(2)在步骤(1)所述的自准直状态下，采集恒星图像m＝50次，取50次采集的恒星图像的亚像元质心坐标的均值(u₀，v₀)作为光学中心点位置；调节二维导轨，使得激光器发出的激光经二维可调平面反射镜反射后，入射到激光探测器，并使得激光光斑中心与激光探测器像面中心重合，记录下二维导轨的水平和竖直的刻度，分别为记为l₀和h₀。

(3)调节二维导轨，以每隔Δl＝10mm为一个采集位置；在每一个采集位置采集恒星图像50次，最终使得星点成像遍布靶面。在调节二维导轨的同时，转动二维可调平面反射镜，使得经二维可调平面反射镜反射的激光的光斑中心始终位于激光探测器的像面中心。

(4)将采集的恒星图像位置数据(x′_i，y′_i)记为数据集合Ω1，将对应恒星入射光线与Z轴在X和Y方向的夹角(θ_i，φ_i)记为数据集合Ω2。

(5)取集合Ω1中的(x′_i，y′_i)和集合Ω2中(θ_i，φ_i)，采用Levenberg-Marquardt优化算法得到星敏感器的主距f、畸变系数以及安装误差偏转角β。

Claims (4)

1.一种星敏感器校准装置，包括设在光学气垫平台上的单星模拟器、待标定星敏感器、数据处理计算机，其特征在于，在单星模拟器与待标定星敏感器光路之间设有一个与单星模拟器光轴的夹角为45°±15°的二维可调平面反射镜，在与二维可调平面反射镜的夹角为90°±15°处设有激光测角装置的激光器，在距二维可调平面反射镜中心50-200厘米处设有可在光学气垫平台上竖直和水平方向移动的高精度二维导轨，激光测角装置的激光探测器安装在高精度二维导轨上面，激光器发出的激光经二维可调平面反射镜反射后，入射到激光探测器，数据处理计算机分别与待标定星敏感器及激光探测器连通。

2.根据权利要求1所述的星敏感器校准装置，其特征在于，所述二维可调平面反射镜中心到待标定星敏感器的距离为15-30厘米。

3.根据权利要求1所述的星敏感器校准装置，其特征在于，所述激光测角装置的激光器与二维可调平面反射镜的距离为10-50厘米。

4.权利要求1所述星敏感器校准装置应用于高精度星敏感器的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立坐标系：单星模拟器发出的星光经二维可调平面反射镜反射后，进入星敏感器视场，通过调整二维可调平面反射镜的方向，使单星模拟器发出的星光和星敏感器靶面处于自准直状态，并建立坐标系F和星敏感器图像传感器成像面坐标系uv；坐标系F为0-XYZ，Z轴为此时的星敏感器的主光轴方向，X轴和Y轴分别对应光学平台的水平方向和竖直方向，坐标原点0为星敏感器的光学中心；坐标系uv的坐标原点为图像传感器像面左上角顶点，u和v分别对应图像传感器像面的行坐标和列坐标，坐标单位为像素；

(2)测量光学中心：在自准直状态下，采集恒星图像m次，取m次采集的恒星图像的亚像元质心坐标的均值(u₀，v₀)作为光学中心位置；调整激光测角装置的激光器，使经平面反射镜反射出的激光垂直入射到激光探测器像面的运动平面；调节二维导轨，使激光器发出的激光经二维可调平面反射镜反射后，入射到激光探测器，并使激光光斑中心与激光探测器像面中心重合，记录二维导轨的水平和竖直的刻度，分别记为l₀和h₀；

(3)星敏感器不同入射视场的恒星模拟：调节二维导轨，以每隔Δl为一个采集位置，Δl/L小于0.0174，具体取值由星敏感器视场大小和精度决定，其中L为二维可调平面反射镜中心到二维导轨的距离；在每一个采集位置采集恒星图像m次，最终使得星点成像遍布靶面。在调节二维导轨的同时，转动二维可调平面反射镜，使得经二维可调平面反射镜反射的激光的光斑中心始终位于激光探测器的像面中心；

(4)数据的处理：

A将采集的恒星图像位置数据(x′_i，y′_i)记为数据集合Ω1，将对应恒星入射光线与Z轴在X和Y方向的夹角(θ_i，φ_i)记为数据集合Ω2；

第i采集位置的恒星图像位置数据(x′_i，y′_i)为：

$x_i^{\′}==S\frac{1}{d}(u_i-u_0)$ $y_i^{\′}==\frac{1}{d}(v_i-v_0)---\left(1\right)$

式1中：(u_i，v_i)为某一采集位置对m次采集的恒星图像亚像元质心坐标的均值，S为图像比例因子，d为图像传感器像元尺寸；

第i采集位置的对应的恒星入射光线与Z轴在X和Y方向的夹角θ_i和

为：

${\mathrm{\θ}}_i=\arctan \left(\frac{l_i-l_0}{L}\right)$

式中：(l_i，h_i)为某一采集位置的二维导轨的水平和竖直的刻度；

B取集合Ω1中的(x′_i，y′_i)和集合Ω2中(x′_i，y′_i)对应的恒星入射光线与Z轴在X和Y方向的夹角数据(θ_i，φ_i)代入式3，采用Levenberg-Marquardt优化算法得到星敏感器的主距f、畸变系数以及安装误差偏转角β；

$\left[\begin{array}{c}f\tan {\mathrm{\θ}}_i\\ f\tan {\mathrm{\φ}}_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -\mathrm{\β}\\ \mathrm{\β}& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{x}_i^{\′}+(g_1+g_3)x_i^{\′2}+g_4{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}+g_1{y}_i^{\′2}+\mathrm{\κ}{x}_i^{\′}(x_i^{\′2}+y_i^{\′2})\\ y_i^{\′}+g_2{x}_i^{\′2}+g_3{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}+(g_2+g_4)y_i^{\′2}+\mathrm{\κ}{y}_i^{\′}(x_i^{\′2}+y_i^{\′2})\end{array}\right]---\left(3\right)$

式3中，g₁＝s₁+p₁、g₂＝s₂+p₂、g₃＝2p₁、g₄＝2p₂，s₁、s₂为薄棱镜畸变系数；p₁、p₂为偏心畸变系数；κ为径向畸变系数；β为坐标系F中XY平面与星敏感器图像传感器成像面坐标系uv绕Z轴的转角，由装置的安装误差引起。

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