CN106767906B - 一种标定数字太阳敏感器主点、焦距的方法 - Google Patents

一种标定数字太阳敏感器主点、焦距的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种标定数字太阳敏感器主点、焦距的方法，是一种结合数字太阳敏感器特性，通过太阳模拟器、高精度转台通过物理测量找出数字太阳敏感器的主点，通过采点标定及计算，计算出数字太阳敏感器的焦距。其效果是：结合数字太阳敏感器滤光片、探测器折射模型之间的关系，通过完全白盒模型对数字太阳敏感器进行标定模型的建立，测量出的主点，计算出焦距。

Description

一种标定数字太阳敏感器主点、焦距的方法
技术领域
本发明涉及光机电一体化技术，光机电测量技术，具体涉及一种采用太阳模拟器、高精度3轴转台对数字式太阳敏感器主点、焦距标定的方法。
背景技术
数字太阳敏感器是用来测量太阳矢量和卫星等航天器的体轴之间夹角的仪器。数字太敏可为空间飞行器在给定视场内进行太阳有无判断，全姿态捕获时，保持卫星对日定向(惯性空间定向)，确保星上能源供应。也可用来为其它更高精度的姿态测量敏感器(如星敏感器、紫外敏感器、红外地球敏感器等)的视场提供监护。此外，它还能用于太阳望远镜一类的有效载荷与太阳帆板的精确定向控制、星敏感器与红外地平仪太阳入射光线的保护控制、产生开关和时标信号，确定空间飞行器在自旋过程中的相位基准，测定飞行器的自旋转速和角度等姿态数据。
对于数字太阳敏感器小规模量产、货架产品化的需求，对每套产品需有可实施、可操作的方法对其光学参数进行标定计算。
发明内容
本发明的目的在于提供一种标定数字太阳敏感器主点、焦距的方法，这种方法能够精确标定出数字太阳敏感器的主点，可以有效的克服因数字太阳敏感器装配、安装带来的误差导致最终标定主点、焦距误差较大的问题，解决工程化、产品化可实施性不足的问题。
为了达到上述发明目的，本发明是通过以下的技术方案实现的，一种标定数字太阳敏感器主点、焦距的方法，其包括如下步骤：
步骤1)确定数字太阳敏感器标定方案
将数字太阳敏感器架设在高精度转台上，使其探测器滤光片与太阳模拟器光轴垂直，通过绕太阳模拟器光轴的转动，对数字太阳敏感器主点进行寻找，寻找到主点后对通过旋转高精度转台寻找数字太阳敏感器测量坐标系的X轴及Y轴；
步骤2)确定数字太阳敏感器标定模型
根据数字太阳敏感器的特性，利用折射定律，将数字太阳敏感器的滤光片距离探测器玻璃盖片的距离、玻璃盖片的厚度及玻璃盖片距探测器光敏面的距离进行计算；通过非线性方程组的求解，确定出滤光片距离探测器玻璃盖片的距离、玻璃盖片的厚度及玻璃盖片距探测器光敏面的距离。
进一步，所述的步骤1)中，通过围绕太阳模拟器光轴的转动，对转台进行调整，再进行围绕太阳模拟器光轴转动采点的动作，以此进行循环，不断逼近主点。
进一步，所述的步骤1)中，通过微调整围绕太阳模拟器光轴旋转的角度，通过围绕探测器坐标系X轴的旋转及围绕探测器Y轴的旋转，找出探测器坐标系X轴及Y轴，遍历整个探测器幅面，进行数据采集。
进一步，所述步骤2)中，所使用探测器均采用玻璃盖片对探测器光敏面进行保护，探测器玻璃盖片对数字太阳敏感器精度影响较大，通过折射模型建立模型对其进行修正，达到测量精度的要求。
本发明利用数字太阳敏感器本身成像的性质，通过实际测量的方式将数字太敏的焦距与主点找出。与现有的技术相比，其优点和有益效果是：
物理测量方式可靠性高、可信度高、可实施性高。明确的表征了数字太阳敏感器各个参数之间的关系。在轨使用时，可对整星坐标修正，数字太阳敏感器在轨坐标修正提供支持。
附图说明
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明测量对象数字太阳敏感器示意图；
图2是本发明测量对象标定采点示意图；
图3是本发明测量对象采点结果示意图；
图4是本发明测量对象采滤光片探测器关系示意图。
具体实施方式
本发明的一种标定数字太阳敏感器主点、焦距的方法，包括以下步骤：
1)确定数字太阳敏感器标定方案
将数字太阳敏感器架设在高精度转台上，通过绕太阳模拟器光轴的转动以及对3轴转台的调整，使得数字太阳敏感器探测器光敏面与太阳模拟器光轴垂直，对数字太阳敏感器主点进行寻找。寻找到主点后，通过旋转高精度转台寻找数字太阳敏感器测量坐标系的X轴及Y轴。在此基础上，通过旋转高精度转台围绕太阳模拟器光轴旋转一个角度，围绕探测器坐标系X或探测器坐标系Y轴旋转，遍历整个探测器幅面，进行数据采集。
2)确定数字太阳敏感器标定模型
通过折射定律将数字太阳敏感器焦距按照物理意义分为3个部分(滤光片下表面至探测器玻璃盖片距离H1、玻璃盖片厚度H2、玻璃盖片至探测器光敏面距离H3)。通过解非线性方程组，对3个参数进行求解。
实施过程中，测量数字式太阳敏感器测量坐标系与其棱镜坐标系关系的方法，包括如下步骤：
步骤一：模拟数字太阳敏感器装星方式，将数字太阳敏感器安装于高精度3轴转台上；
步骤二：使用太阳模拟器模拟太阳光线矢量照射数字太阳敏感器，使得数字太阳敏感器成像工作，输出太阳光线矢量在探测器坐标系上的光斑灰度质心坐标信息；
步骤三：调整3轴转台使得数字太阳敏感器测量坐标系与转台坐标系正交，考虑到数字太阳敏感器本身的精度，太阳模拟器光轴、高精度3轴转台之间正交度需优于数字式太阳敏感器测量坐标系精度1个数量级；
步骤四：调整3轴转台使得数字太阳敏感器测量坐标系与转台坐标系正交；
步骤五：进行标定点的采集，通过旋转转台，在不同角度下，使太阳敏感器进行标定点的采集。
步骤六：将采集的标定点进行数据处理，带入方程进行计算得出相关参数；
如图1所示，是本发明测试对象示意图，数字太阳敏感器包括：棱镜、探测器滤光片及壳体。其中Z探测器Z棱镜、X探测器X棱镜、Y探测器Y棱镜定义如图1所示。2个坐标系的3轴指向均一致。其中Z探测器为数字太阳敏感器探测器光轴，字太阳敏感器探测器测量坐标系与其棱镜坐标系均满足右手法则。数字太阳敏感器安装于航天器或转台的面为平行于X探测器O探测器Y探测器面的底面。
旋转滚动轴，对主点进行寻找。绕滚动轴旋转360度，每0.1度进行一次采点。采集后对所得点进行数理统计。对采集的坐标点进行集中度(绝对偏差的均值)及均值进行计算。
Figure BDA0001166140160000041
其中集中度通过式1进行计算，
其中XAvE、yAvE代表X坐标、Y坐标的离散度；
X代表数字太阳敏感器输出的X坐标；
Y代表数字太阳敏感器输出的Y坐标；
Figure BDA0001166140160000042
代表数字太阳敏感器X坐标均值；
Figure BDA0001166140160000051
代表数字太阳敏感器Y坐标均值。
滚动轴旋转360度采点并进行相应的计算，对转台的偏航以及俯仰方向进行调整。使得采点计算的XAvE、YAvE要求离散度不大于0.05个像素。
以主点位置为转台0位。标定时将数字太阳敏感器安装在高精度3轴转台的转台安装面上，其中转台安装面与太阳模拟器光轴垂直。旋转滚动轴到任意一个角度，偏航方向进行整个视场遍历，进行采点如图2所示。采点记录下数字太阳敏感器输出的坐标值以及转台的滚动、偏航以及俯仰的角度值。
出光斑相对于标定原点的半径，
Figure BDA0001166140160000052
式中，
r为相对于标定原点的半径，
X0为标定主点的X坐标，
Y0为标定主点的Y坐标。
Figure BDA0001166140160000053
其中，
f为焦距，
H1为探测器光敏面玻璃保护盖的厚度，
H2为探测器玻璃盖片到光敏面的距离；
α1为转台高低角，
n2为探测器光敏面玻璃保护盖的折射率。
其中f、H1、H2为未知量，其余均为已知量。通过将数字太阳敏感器在不同转台角度下测得的坐标值带入式2、式3进行计算。可得f、H1、H2三个参数的值。
以下是数字太阳敏感器测试实例：
找到找到该数字式太阳敏感器的主点：
X0＝511.3；
Y0＝520.2；
对数字太阳敏感器全幅面进行采点，如表1所示。
表1标定数据
Figure BDA0001166140160000061
Figure BDA0001166140160000071
将X0、Y0以及表1中的数值带入式2、式3进行计算。可得
f＝4.2mm
H1＝1.50mm
H2＝0.50mm。

Claims (1)

1.一种标定数字太阳敏感器主点、焦距的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1）确定数字太阳敏感器标定方案
将数字太阳敏感器架设在高精度转台上，使其探测器滤光片与太阳模拟器光轴垂直，通过绕太阳模拟器光轴的转动，对数字太阳敏感器主点进行寻找，寻找到主点后通过旋转高精度转台寻找数字太阳敏感器测量坐标系的X轴及Y轴；
步骤2）确定数字太阳敏感器标定模型
根据数字太阳敏感器的特性，利用折射定律，将数字太阳敏感器的滤光片距离探测器玻璃盖片的距离、玻璃盖片的厚度及玻璃盖片距探测器光敏面的距离进行计算；通过非线性方程组的求解，确定出滤光片距离探测器玻璃盖片的距离、玻璃盖片的厚度及玻璃盖片距探测器光敏面的距离；
所述的步骤1）中，通过围绕太阳模拟器光轴的转动，对转台进行调整，再进行围绕太阳模拟器光轴转动采点的动作，以此进行循环，不断逼近主点;所述的步骤1）中，微调整围绕太阳模拟器光轴旋转的角度，通过围绕探测器坐标系X轴的旋转及围绕探测器Y轴的旋转，找出探测器坐标系X轴及Y轴，遍历整个探测器幅面，进行数据采集;
所述步骤2）中，所使用探测器均采用玻璃盖片对探测器光敏面进行保护，探测器玻璃盖片对数字太阳敏感器精度影响较大，通过建立标定模型对其进行修正，达到测量精度的要求。
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