CN104880569A - 一种星表的高精度动态测角装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星表的高精度动态测角装置及测量方法。该测角装置包括星空、平面镜、平行光会聚光学系统、探测器、数据采集与处理系统和待测转动机构，测角系统原理布局如下，其中平面镜与待测转动机构固连，平面镜的法向方向的变化代表待测转动机构的转角变化，测量过程中，夜空繁星发射出的光束通过平面镜反射，入射进入平行光会聚光学系统，并会聚于探测器，数据采集与处理系统同时记录繁星图像和繁星成像的时间，对比星表，反演繁星图像中的星在天空中的角度位置关系，结合繁星图像的时间信息，解算转动机构的转角、转速、转动稳定度等性能参数。本发明的优点在于测量原理简单、测角范围大、测角精度高、可实现动态测角。

Description

一种星表的高精度动态测角装置及测量方法

技术领域

本发明属于转动机构的性能测量技术，具体涉及一种基于星表的高精度的动态测角装置及测量方法，适用于转动机构的动态角度测试，比如空间光学遥感仪器中的扫描指向机构的扫描指向转角、转速、转速稳定度的测量。

背景技术

空间光学遥感图像数据应用对图像数据定量化程度要求越来越高，集中包括对探测目标的空间定位精度要求。而空间光学遥感仪器的扫描指向机构的转动精度和稳定度是影响该性能的一个重要因素。因此，在空间光学遥感仪器的研制过程中，对其扫描指向机构的工作性能的测量成为必要的一项测试项目，且测量精度广受关注。

国内外通用的转动机构的测角方法主要包括经纬仪测角、激光干涉仪测角和光电自准直仪测角。经纬仪测角适用于静态测角，测量过程中依赖人眼判读，测量精度低，约为3至5角秒。激光干涉仪测角适用于大角度范围的动态测量，因其基于干涉原理受到测量环境的温湿度的影响，且依赖于算法修正，在大角度范围内其测量精度低，一般室内环境、20度角度范围，测量精度约3角秒。光电自准直仪测角精度高、适用于动态测角，但是其测角范围一般小于0.5度。

上述测角方法难以满足目前空间光学遥感仪器对转动机构20度角度范围、动态测角精度1角秒的精度需求。本发明针对现有测角方法无法满足应用需求的现状，提出一种基于星表的高精度动态测角方法。该方法的优点在于测量原理简单、测角范围大、测角精度高、可实现动态测角。

发明内容

本发明的目的是提出一种星表的高精度动态测角装置及测量方法，解决大角度范围高精度测角的技术问题。

本发明提出的高精度动态测角系统如图1所示，包括星空、平面镜、平行光会聚系统、探测器、数据采集与处理系统和待测转动机构。

星空是测试系统的成像对象，比照星表可知，星空中任意两个星之间蕴含着高精度的角度信息，一般的星表中星的位置精度高于千分之一角秒，比如1997年发表的第二版《依巴谷星表》。

平面镜与待测转动机构固连，平面镜的法线方向变化代表转动机构的转角变化。

待测转动机构的转轴与探测器正交线列某一方向平行，或者标定转动机构的转动方向与探测器正交线列的夹角关系。

平行光汇聚系统将来自于无限远的平行光会聚像平面，且是一套消畸变、焦距经过精确标定的光学系统。

探测器和平行光汇聚系统组成成像系统。

数据采集与待测转动系统的驱动系统采用统一驱动时钟信号进行数据采集，一般的时钟信号精度优于1每秒。

处理系统集成了星表，数据处理的过程是对照星表，判读成像图像中星的空间角度位置，并根据成像时间信息，计算转动机构转角、转速、转动稳定度的过程。

数据处理分为两步：①解算待测转动机构转轴与地球自转轴的夹角关系，基于单星测量；②解算转动机构转角、转速、转动稳定度，小角度范围从通过单星测量或者较近的两颗星进行测量，大角度测量则通过多星完成测量。

本发明的测角步骤如下：

1.根据待测转动机构的测角范围和测角精度，选择测量系统的工作参数和测量场地，测量系统的工作参数包括平面镜尺寸、会聚光学系统的焦距、探测器尺寸，测量场地的选择主要考虑测量系统放置的稳定性，以及测量系统放置的地方对空张角大于待测转动机构的测量角度，且在该对空张角范围内无遮挡物；

2.参照图1，搭建测量光路，搭建中令待测机构的转轴方向于探测器正交线列某一方向平行，或者标定转动机构的转动方向与探测器正交线列的夹角关系；

3.开启转动机构的驱动系统和测试系统，进行动态测量以及同步数据采集；

4.数据处理：

1).解算待测转动机构转轴与地球自转轴的夹角关系。该反演基于单星测量，或较近的两颗星观测测量。单颗星在图像中的轨迹图如图2所示，T₁时刻和T₂时刻某星在图像中的在沿转动方向的移动距离为L2，在与转动方向正交的方向上移动距离为L1，根据测试地的地球自转速度v，可以计算得到地球自转方向与扫描轴方向的夹角

2).反演转动机构的转动角速度和角度稳定度。将成像图像数据对照星表，反演出任意两颗星在转动机构转动方向上，星表中的夹角Δθ_i和图像中的夹角Δθ_i′，结合两颗星在焦平面出现时间差Δt_i，以及该时段内地球自转在转动机构转动方向上的自转角度θ_o，可以计算出转动机构的该时段内转动速度V_i＝(Δθ_i-Δθ_i′-θ_o)/Δt_i，对n颗星进行反演计算，可以得到转动机构的平均转动速度进而分析计算得到转动速度的稳定度 $\mathrm{\σ}V=\sqrt{\Σ{(\stackrel{\‾}{V}-V_i)}^2}/n.$

附图说明

图1为基于星表的高精度动态测角系统光路图，其中，包括星空、平面镜、平行光会聚系统、探测器、数据采集与处理系统和待测转动机构共6个组成部分。

图2为单星在图像中的轨迹和不同时刻单星在图像中的不同位置。

图3为任意颗星在图像中的轨迹和不同时刻星在图像中的不同位置。

具体实施方式

基于星表的高精度动态测角系统光路图如图1所示。平面镜与待测转动机构固连，平面镜的法向方向的变化代表待测转动机构的转角变化，测量过程中，夜空繁星发射出的光束通过平面镜反射，入射进入平行光会聚光学系统，并会聚于探测器，数据采集与处理系统同时记录繁星图像和繁星成像的时间，对比星表，反演繁星图像中的星在天空中的角度位置关系，结合繁星图像的时间信息，解算转动机构的转角、转速、转动稳定度等性能参数。

测量具体实施方法如下：

1.假设待测转动机构的转速5°/s，转角范围20度，要求测角精度1角秒，平行光会聚光学系统的口径D，需要满足观星信噪比要求，为了满足上述测量精度要求，设计平面镜的最小尺寸为会聚光学系统的焦距f与探测器像元尺寸p满足关系：p/f≤arctan(１″)。

2.按照图1搭建测量光路，搭建测试光路的场地要求对空20度张角范围内无遮挡。

3.开启转动机构的驱动系统和测试系统，进行动态测量以及同步数据采集。

4.数据处理：

1).解算待测转动机构转轴与地球自转轴的夹角关系。该反演基于单星测量，或较近的两颗星观测测量。单颗星在图像中的轨迹图如图2所示，T₁时刻和T₂时刻某星在图像中的在沿转动方向的移动距离为L2，在与转动方向正交的方向上移动距离为L1，根据测试地的地球自转速度v，可以计算得到地球自转方向与扫描轴方向的夹角

2).将星空的成像图像对照星表，进行星的识别，选择确定的几颗星进行进一步处理，首先按照星载图像中出现的时间顺序对星进行编号，例如星1、星2、……，并输出其对应的成像时间t₁、t₂、……，在转动机构转动方向上，在星表中角度位置θ₁、θ₂、……，和图像中的角度位置θ₁′、θ₂′、……，反演出任意两颗星在转动机构转动方向上，星表中的夹角Δθ_i和图像中的夹角Δθ_i′，结合两颗星在焦平面出现时间差Δt_i，以及该时段内在转动机构转动方向上地球自转角度θ_o，可以计算出转动机构的该时段内转动速度V_i＝(Δθ_i-Δθ_i′-θ_o)/Δt_i，对n颗星进行反演计算，可以得到转动机构的平均转动速度进而分析计算得到转动速度的稳定度 $\mathrm{\σ}V=\sqrt{\Σ{(\stackrel{\‾}{V}-V_i)}^2}/n.$

5.测量结束。

整个测量过程影响测试精度的因素如下：

1.星表的星的位置精度，为0.001角秒；

2.测试时间的同步精度，优于1微秒，对于转速5°/s，引入的误差为0.018角秒；

3.转动机构转动方向在图像中的标定精度，优于五分之一像元，引入的误差为0.2角秒；

4.图像中星的位置精度，五分之一像元，引入的误差为0.2角秒；

5.测试场地稳定度，优于0.5角秒。

综上所述，该测试系统的测试精度优于1角秒，满足测试要求。

Claims (2)

1.一种星表的高精度动态测角装置，包括星空、平面镜、平行光会聚光学系统、探测器、数据采集与处理系统和待测转动机构，其特征在于：

所述的平面镜与待测转动机构固连，平面镜的法线方向变化代表转动机构的转角变化；待测转动机构的转轴与探测器正交线列某一方向平行，或者标定转动机构的转动方向与探测器正交线列的夹角关系；

所述的平行光汇聚系统是一套消畸变、焦距经过精确标定的光学系统，将来自于无限远的平行光会聚像平面；

所述的探测器采用面阵探测器，位于平行光汇聚系统的平行光会聚像平面；

所述的数据采集与处理系统与待测转动系统的驱动系统采用统一驱动时钟信号进行数据采集，一般的时钟信号精度优于1微秒，系统集成了星表，数据处理是对照星表，判读成像图像中星的空间角度位置，并根据成像时间信息，计算转动机构转角、转速、转动稳定度。

2.一种基于权利要求1所述的星表的高精度动态测角装置的测角方法，其特征在于包括如下步骤：

1).开启转动机构的驱动系统和测试系统，进行动态测量以及同步数据采集；

2).数据处理，反演解算转动机构的转动角速度和转动稳定度，处理步骤如下：

2-1)解算待测转动机构转轴与地球自转轴的夹角关系：根据单颗星在图像中的轨迹图，T₁时刻和T₂时刻某星在图像中的在沿转动方向的移动距离为L2，在与转动方向正交的方向上移动距离为L1，根据测试地的地球自转速度v，可以计算得到地球自转方向与扫描轴方向的夹角

2-2)将星空的成像图像对照星表，进行星的识别，选择确定的几颗星进行进一步处理，首先按照星在图像中出现的时间顺序对星进行编号，星1、星2、……，并输出其对应的成像时间t₁、t₂、……，在转动机构转动方向上，在星表中角度位置θ₁、θ₂、……，和图像中的角度位置θ₁′、θ₂′、……，反演出任意两颗星在转动机构转动方向上，星表中的夹角Δθ_i和图像中的夹角Δθ_i′，结合两颗星在焦平面出现时间差Δt_i，以及该时段内在转动机构转动方向上地球自转角度θ_o，可以计算出转动机构的该时段内转动速度V_i：

V_i＝(Δθ_i-Δθ_i′-θ_o)/Δt_i

对n颗星进行反演计算，可以得到转动机构的平均转动速度

$\stackrel{\‾}{V}={\mathrm{\Σ}}_1^n{V}_i/R;$

进而分析计算得到转动速度的稳定度σV

$\mathrm{\σ}V=\sqrt{\Σ{(\stackrel{\‾}{V}-V_i)}^2}/n.$