CN104166985B - 一种基于区域分割的星敏感器标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于区域分割的星敏感器标定方法，包括下列步骤：(1)将星敏感器放置于两轴转台上，对单星模拟器进行成像观测；(2)转动转台，以近似均匀的角度间距进行测定，选择基准网格点；(3)根据上述网格点将星敏感器视场划分为n个互相独立的校正区域，并对每个校正区域生成一组校正函数；(4)在不超出网格点分布边界的范围内选择测试点；(5)计算各测试点标校后的残余误差。本发明可获得高精度的标定精度，适用于大视场光学敏感器的标定试验和数据处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种星敏感器标定方法，属于星敏感器标定技术领域。
背景技术
星敏感器作为一种独立自主的高精度姿态测量仪器,已成为卫星、航天飞机和空间站上必备姿态敏感部件。随着卫星高精度高可靠性的发展，对星敏感器定姿精度的要求越来越高，星敏感器的系统误差是影响星敏感器定姿精度的主要因素。提高星敏感器系统误差校正水平，是提高星敏感器测量精度的重要手段。目前采用的系统误差校正方法—待定系数法，可以对星敏感器系统误差中最主要的、数值较大的、规律性明确的部分误差源进行校正；但不能对某些数值相对较小、带有随机性的部分误差源进行校正，且该方法当星敏感器视场较大时，其由一个曲面拟合很难再全视场范围内全面逼近像面，导致其标定精度较低，且标定残差与标定点到视场中心距离有关。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于区域分割的星敏感器标定方法，其通过将星敏感器视场划分为n个区域，分别计算每个区域校正函数，使得标定残差不依赖于测试点到视场中心的距离，可获得高精度的标定结果，用以校正星敏感器的系统误差，提高姿态测量精度。
本发明的技术解决方案是：
一种基于区域分割的星敏感器标定方法包括步骤如下：
(1)将星敏感器放置于两轴转台(两轴转台指可以沿两个轴方向做转动的转台)上；
(2)以均匀的角度转动两轴转台，同时对单星模拟器进行成像观测，成像观测的具体方法为：获取单星模拟器模拟的星点在星敏感器像平面上的 位置坐标以及两轴转台的角度坐标，即得到一个成像点的数据，匀速转动转台m次(m为正整数)，可获得m个成像点数据，将这些成像点作为基准网格点；
(3)根据步骤(2)得到的基准网格点和星敏感器视场大小将星敏感器视场划分为n个相互独立的校正区域，并根据每个校正区域所包含基准网格点的平面位置坐标和角度坐标，为每个校正区域生成一组校正函数；
(4)在不超出基准网格点分布边界的范围内选择测试点，用于检验校正函数的标校精度；
(5)根据步骤(4)中的测试点位置判定其所属的校正区域，并利用相应的校正函数进行计算转台的角度坐标，将计算结果与步骤(2)中获取的两轴转台的角度坐标进行比较，计算各测试点标校后的残余误差；
(6)判断所有测试点的残余误差是否满足误差要求，若满足则该组校正函数可用于后续星敏感器系统误差的校正，否则进入步骤(2)重新划分基准网格点进行测量。
所述步骤(3)中校正函数生成的具体方法如下：
根据每个校正区域包含的网格点在成像面上的位置坐标与对应的两轴转台角度坐标之间转换关系，采用数据拟合的方法得到每个校正区域的基准网格点从成像面坐标到转台坐标之间的转换函数，即校正函数。
校正函数一般为多项式，其阶数与校正区域个数n、每个校正区域的基准网格点数相关。
所述步骤(5)中残余误差的具体实现方法如下：
(1)获得第i个测试点平面位置坐标，其中i初值为1，且小于等于测试点总数N，其中N为正整数；
(2)判断第i个测试点所属校正区域，记第i个测试点所在区域为j，j初值为1，且小于等于测试点总数N；
(3)利用第j个校正区域的校正函数计算该测试点校正后的角度坐标；
(4)将该测试点校正后角度坐标与相应的两轴转台测量的角度坐标进行比较；
(5)计算该测试点的残余误差(两轴转台测量的角度坐标减去测试点校正后角度坐标)；
(6)重复步骤(1)到步骤(5)，依次计算N个测试点的残余误差；
(7)统计所有测试点残余误差的最大值、最小值和平均值，并依次计算95％测试点的残余残差、90％测试点的残余残差和85％测试点的残余残差的最大值。
所述的m为289；所述的n为225。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过对星敏感器视场进行分区，并计算每个区域的校正函数，使得标定精度对星敏感器成像面的曲面弯曲度不敏感，可获得高精度的标定结果用以校正星敏感器的系统误差，提高产品的姿态测量精度。
(2)本发明中的残余误差与标定点到视场中心的距离无关，在视场边缘可以获得与视场中心相当的标定精度，适用于大视场光学敏感器的标定，通用性更强，可靠性更高，应用范围更加复杂。
(3)本发明所需的测试点数量相对减少，在实际应用中可大大减轻标定测试工作量，缩短测试时间，提高工作效率，节省计算成本。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明具体实施例中所选基准网格点分布；
图3为本发明具体实施例中所选测试点分布图；
图4为本发明具体实施例中得到的各测试点标校残差；
图5为本发明具体实施例中测试点标校残差与测试点到视场中心距离之间的关系；
图6为本发明具体实施例中由传统校正方法待定系数法所得各测试点 标校残差；
图7为本发明具体实施例中待定系数法所得各测试点标校残差与测试点中心距间关系。
具体实施方式
下面结合附图并以某星敏感器的标定试验为具体实施例，对本发明的工作原理和功过过程进行进一步详细描述。如图1所示，本发明的具体步骤如下：
(1)将星敏感器放置于两轴转台上，对单星模拟器进行成像观测。记录模拟星点在星敏感器像平面上位置以及转台两轴角度坐标，即得到一个点的数据；
(2)再次转动转台，记录模拟星点在像平面上位置以及转台两轴角度坐标，可得另一个点数据，以此类推，以近似均匀的角度间距进行测定将其作为基准网格点；
本次试验示例中以近似均匀方式选取了289个点作为基准网格点，网格点分布如附图2所示：
(3)根据上述网格点将星敏感器视场划分为n个互相独立的校正区域；并根据各个校正区域所包容基准点的平面坐标和角度坐标，为每个校正区域生成一组校正函数；
示例中根据上述网格点，将星敏感器视场划分为225个互相独立的校正区域，并根据各个校正区域所包容基准点的平面坐标和角度坐标，为每个校正区域生成一组校正函数。
星敏感器视场划分的校正区域个数n、基准网格点数m都与标定的残余误差密切相关，在基准网格点数不变的情况下，适当增加校正区域个数n，可在一定程度上减小残余误差(前提是：每个校正区域的基准网格点数满足数据拟合的要求)；在校正区域个数n不变的情况下，增加基准网格点数m，也可以减小标定后的残余误差，但同时会增加标定测试的工作量。
所以在标定测试中，需根据产品实际需求，进行多次标定试验，选择合适的基准网格点数和校正区域数。表1给出了某星敏感器产品多次标定试验得到的残余误差与校正区域数和基准网格点数的关系。
表1基准网格数和区域划分的选择
| 基准网格点数 | 校正区域数 | 最大标校残差 | 最小标校残差 | 平均值 |
| 195 | 120 | 2.683 | 0.129 | 1.147 |
| 289 | 120 | 2.247 | 0.043 | 0.852 |
| 289 | 225 | 1.561″ | 0.003″ | 0.448″ |
从表1中可以看出，不同的基准网格点选择和校正区域划分带来的效果明显不同，本发明采用基准网格点289个、校正区域数为225个划分方法，最大标校残差，最小标校残差明显好于其他情况，这是经过大量试验和型号论证得到的结果。
(4)在不超出网格点分布边界的范围内选择测试点，以备检验区域分割法标校精度之用；
示例中选择的测试点共计1984个，分布如附图3所示。
(5)根据各测试点的位置判定其所在的校正区域，并调取相应的校正函数进行计算，将计算结果与转台实际测得的坐标进行比较，即得到各测试点标校后的残余误差。
标定试验进行了多次，附图4显示了其中一次的标定情况。
由统计可知，附图4所示的1984个测试点中，最大标校残差为1.561″，最小值为0.003″,平均值为0.448″。其中，95％测试点的标校残差小于0.903″，90％测试点的标校残差小于0.764″，85％测试点的标校残差小于0.690″。
附图5显示了测试点标校残差与测试点到视场中心距离之间的关系。显然，测试点的残余误差与其距视场中心距离之间不存在明显关联关系。
作为对比，利用同组数据以传统的星敏感器校正方法-待定系数法进行的标校。此时，将基准网格点也作为测试点使用，共2273点，其标校误差 如附图6所示。统计得到两种方法的残余误差如下表所示：
附图7显示了测试点标校残差与该点到视场中心距离之间的关系。显然，测试点残差与其距视场中心距离之间存在明显关联关系。
通过对比可知：本发明提出的标定方法可获得更高的标校精度；测试点残余误差与其距视场中心距离之间不存在明显关联关系；可大大减轻标定测试工作量，缩短测试时间(待定系数法共使用了2273个测点的数据，而本发明提出的方法只使用了289点，仅相当于待定系数法的12.7％)。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (3)
1.一种基于区域分割的星敏感器标定方法，其特征在于步骤如下：
(1)将星敏感器放置于上；
(2)以均匀的角度转动两轴转台，同时对单星模拟器进行成像观测，成像观测的具体方法为：获取单星模拟器模拟的星点在星敏感器像平面上的位置坐标以及两轴转台的角度坐标，即得到一个成像点的数据，匀速转动转台m次，可获得m个成像点数据，将这些成像点作为基准网格点，其中m为正整数；
(3)根据步骤(2)得到的基准网格点和星敏感器视场大小将星敏感器视场划分为n个相互独立的校正区域，并根据每个校正区域所包含基准网格点的平面位置坐标和角度坐标，为每个校正区域生成一组校正函数；
校正函数生成的具体方法如下：
根据每个校正区域包含的网格点在成像面上的位置坐标与对应的两轴转台角度坐标之间转换关系，采用数据拟合的方法得到每个校正区域的基准网格点从成像面坐标到转台坐标之间的转换函数，即校正函数；
校正函数一般为多项式，其阶数与校正区域个数n、每个校正区域的基准网格点数相关；
(4)在不超出基准网格点分布边界的范围内选择测试点，用于检验校正函数的标校精度；
(5)根据步骤(4)中的测试点位置判定其所属的校正区域，并利用相应的校正函数进行计算转台的角度坐标，将计算结果与步骤(2)中获取的两轴转台的角度坐标进行比较，计算各测试点标校后的残余误差；
(6)判断所有测试点的残余误差是否满足误差要求，若满足则该组校正函数可用于后续星敏感器系统误差的校正，否则进入步骤(2)重新划分基准网格点进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于区域分割的星敏感器标定方法，其特征在于：所述步骤(5)中残余误差的具体实现方法如下：
(1)获得第i个测试点平面位置坐标，其中i初值为1，且小于等于测试点总数N，其中N为正整数；
(2)判断第i个测试点所属校正区域，记第i个测试点所在区域为j，j初值为1，且小于等于测试点总数N；
(3)利用第j个校正区域的校正函数计算该测试点校正后的角度坐标；
(4)将该测试点校正后角度坐标与相应的两轴转台测量的角度坐标进行比较；
(5)计算该测试点的残余误差；
(6)重复步骤(1)到步骤(5)，依次计算N个测试点的残余误差；
(7)统计所有测试点残余误差的最大值、最小值和平均值，并依次计算95％测试点的残余残差、90％测试点的残余残差和85％测试点的残余残差的最大值。
3.根据权利要求1所述的一种基于区域分割的星敏感器标定方法，其特征在于：所述的m为289；所述的n为225。
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