CN106918349A - 星敏感器在轨相对安装误差标定系统及标定补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种星敏感器在轨相对安装误差标定系统，该系统包含依次光路连接的激光器、扩束镜、分束镜、准直透镜、第一反射镜、主光栅、第二反射镜，光路连接分束镜的指示光栅，以及光路连接指示光栅的CCD成像模块；第二反射镜设置于星敏感器上；指示光栅与主光栅和第二反射镜光路连通；主光栅像与指示光栅像相叠合成光栅副形成莫尔条纹，CCD成像模块探测星敏感器的运动造成莫尔条纹的变化输出标定信息由后续电路计量。本发明通过一套光学测量装置精确测量星敏感器在轨相对安装误差，通过星敏感器的安装矩阵对星敏感器相对安装误差在轨标定补偿，解决星敏感器在轨安装误差的标定与补偿，提高了姿态确定精度。

Description

星敏感器在轨相对安装误差标定系统及标定补偿方法

技术领域

本发明涉及光学自标定技术领域，具体涉及一种基于莫尔条纹的星敏感器在轨相对安装误差标定系统及标定补偿方法。

背景技术

由于星敏感器在轨相对安装方位的变化，直接影响航天器空间姿态确定的精度，即安装误差直接包含到姿态确定误差中，影响程度甚至接近1：1的程度。为了达到甚高精度姿态确定精度，在采用高精度星敏感器的同时，需要对星敏感器在轨相对安装误差进行标定与补偿。

发明内容

本发明提供一种星敏感器在轨相对安装误差标定系统及标定补偿方法，测角精度高，解算速度快，结构简单，提高系统的可靠性和可实现性。

为实现上述目的，本发明提供一种星敏感器在轨相对安装误差标定系统，其特点是，该系统包含依次光路连接的激光器、扩束镜、分束镜、准直透镜、第一反射镜、主光栅、第二反射镜，光路连接分束镜的指示光栅，以及光路连接指示光栅的CCD成像模块；第二反射镜设置于星敏感器上；指示光栅与主光栅和第二反射镜光路连通；主光栅像与指示光栅像相叠合成光栅副形成莫尔条纹，CCD成像模块探测星敏感器的运动造成莫尔条纹的变化输出标定信息由后续电路计量。

上述主光栅通过正交栅格刻画技术刻画在第二反射镜上。

上述主光栅与指示光栅为正交组合光栅，栅距相同。

一种上述星敏感器在轨相对安装误差标定系统的标定补偿方法，其特点是，该方法包含：

同一光源分束后分别由主光栅和指示光栅形成主光栅像和指示光栅像，主光栅像和指示光栅像相叠合成光栅副形成莫尔条纹；

根据星敏感器的运动造成莫尔条纹的变化，获取星敏感器安装方向的三维变化角；

根据星敏感器安装方向的三维变化角得到星敏感器实际观测矢量方向， 对星敏感器在轨相对安装误差进行补偿。

上述形成主光栅像和指示光栅像级形成莫尔条纹的方法包含：

激光器输出光源由分束镜将光源分束为第一子光源和第二子光源；

第一子光源经过指示光栅形成指示光栅像；

第二子光源经过准直透镜透射和第一反射镜反射至主光栅，经过主光栅形成主光栅像；

主光栅像由第二反射镜反射，经过第一反射镜、准直透镜和分束镜与指示光栅像相叠合成光栅副形成莫尔条纹。

上述获取星敏感器安装方向的三维变化角的方法包含：

连接星敏感器的第二反射镜绕X、Y和Z三轴的扭转变形角分别为α、β和γ；

光栅副间位移量s与反射镜偏转角θ的关系如式(1)：

s＝(f+t)tan2θ (1)

式(1)中，t为主光栅与准直透镜距离，f为准直透镜的焦距；

若测得上下莫尔条纹移动量分别为l₁和l₂，则其对应的反射镜绕Y轴的变化角β和绕X轴的变化角α如式(2)：

式(2)中，ε为光栅夹角；

当主光栅绕Z轴转动一定角度时，主光栅在指示屏上的指示光栅绕Z’轴转动相同角度，光栅夹角ε发生变化，ε和莫尔条纹宽度W的关系如式(3)

通过测量莫尔条纹间距的变化量Δw可求出光栅夹角变化量Δε，也就是反射镜绕Z轴的变化角γ，如式(4)：

式(4)中，d为主光栅和指示光栅的光栅栅距。

上述莫尔条纹移动量的获得方法包含：

莫尔条纹的斜率如式(5)

d₁和d2分别为主光栅和指示光栅的光栅常数；

莫尔条纹的间距W如式(6)

选用横向莫尔条纹，即d1＝d2＝d，cosε≠0，则上述式(5)和(6)改为如式(7)和(8)：

可得δ＝-ε/2，这表示莫尔条纹的方向在栅线交角外角的角平分线方向上，当ε角很小时，取一阶近似，条纹大致与光栅栅线方向相垂直，上式(8)可简化为式(9)：

当两光栅沿x轴方向相对移过一个栅距时，横向莫尔条纹就近似沿y轴方向移过一个条纹宽度；光栅副间的移动量s与莫尔条纹移动量l之间的关系便可表示如式(10)

上述主光栅和指示光栅的光栅常数d₁和d₂的光栅的空间频率如式(11)：

ξ₁＝1/d₁

ξ₂＝1/d₂ (11)

其光透过率如式(12)

t₁(x,y)＝1+cos(2πξ₁x)

t₂(x,y)＝1+cos(2πξ₂x) (12)

当用单位强度的平面光波照射这样两块重叠的光栅时，其透射的强度如式(13)：

t(x,y)＝t₁(x)t₂(x)＝[1+cos(2πξ₁x)][1+cos(2πξ₂x)]

＝1+cos(2πξ₁x)+cos(2πξ₂x)+0.5cos[2π(ξ₁+ξ₂)x]

+0.5cos[2π(ξ₁-ξ₂)x] (13)。

上述三维变化角的分辨率包含：

若CCD像面可分辨的莫尔条纹位移量为Δl，则γ分辨率为如式(14)：

由于ε比较小，可近似认为ε＝d/w，代入上式(14)可得式(15)：

α,β分辨率对应于莫尔条纹走过一个周期对应的转角，也就是指示光栅走过一个光栅常数对应的转角，得到α,β分辨率的表达式(16)

l为莫尔条纹移动量。

上述星敏感器在轨相对安装误差补偿方法包含：

利用光学标定系统测量获得的星敏感器安装方向变化角，可以得到星敏感器实际的观测矢量方向角θ如式(17)：

根据实际观测矢量方向，建立星敏感器在轨相对安装误差补偿矩阵A如式(18)

根据星敏感器在轨相对安装误差补偿矩阵A进行补偿。

本发明星敏感器在轨相对安装误差标定系统及标定补偿方法与现有技术相比，其优点在于，本发明通过一套光学测量装置精确测量星敏感器在轨相对安装误差，通过星敏感器的安装矩阵，实现星敏感器相对安装误差的在轨标定补偿，解决了星敏感器在轨安装误差的标定与补偿，提高了姿态确定精度；

本发明可以对三维角度变形进行测量，测角精度高，解算速度快，同时结构简单，使用维护方便等优点；不包含驱动装置，通过对系统特性进行分析，根据测量信息修正星敏感器的安装矩阵，实现对星敏感器相对安装误差的在轨标定补偿，同时提高了系统的可靠性和可实现性。

本发明通过根据所测量的相对误差角度，设计补偿矩阵，可以实现对星敏感器安装支架系统由于热变形造成的误差标定补偿，解决了现有由于星敏感器安装支架由于热变形造成的姿态确定误差问题。

附图说明

图1为本发明的星敏感器在轨相对安装误差标定系统于某卫星的示意图；

图2为本发明的星敏感器相对安装误差标定的莫尔条纹干涉误差标定原理图；

图3为本发明的正交组合光栅图和光栅副产生的莫尔条纹图像；

图4为本发明星敏感器在轨相对安装误差示意图。

图5为本发明的星敏感器在轨相对安装误差标定系统的标定补偿方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，为一种星敏感器在轨相对安装误差标定系统的实施例。该系统包含依次光路连接的激光器101、扩束镜102、分束镜103、准直透镜104、第一反射镜105、主光栅106、第二反射镜107，光路连接分束镜103的指示光栅108，以及光路连接指示光栅108的CCD成像模块109；第二反射镜107设置于星敏感器110上；指示光栅108与主光栅和第二反射镜107光路连通。其中，主光栅106与指示光栅108为正交组合光栅，栅距相同。另外，本发明中采用非接触式光学测量方法，主光栅106通过正交栅格刻画技术刻画在 第二反射镜107上，由于直接刻画可以减少聚焦光斑的光强对比和像差，以降低标定系统整体尺寸与重量。

如图2并结合图1，说明星敏感器在轨相对安装误差标定系统的工作原理，激光器101输出激光光源，由扩束镜102对激光光源扩束，扩束后的激光光源由分束镜103分为第一子光源和第二子光源，第二子光源射向指示光栅108，经过指示光栅108形成指示光栅像。第一子光源经准直物镜104形成为平行光束后，由第一反射镜105反射，射向主光栅106形成主光栅像，主光栅像再经过位于星敏感器110上的第二反射镜107反射，经过第一反射镜105、第一反射镜105和分束镜103，引导至指示光栅108。主光栅像与指示光栅像相互叠加形成光栅副，并形成莫尔条纹，CCD成像模块109探测星敏感器110的运动造成莫尔条纹的变化输出标定信息由后续电路计量，可以同时实现对第二反射镜107绕X、Y和Z三轴的扭转变形角分别为α、β和γ的测量工作，构造简单。

进一步的，光栅副形成莫尔条纹移动数量能够表示星敏感器安装角度的变化值，通过指示光栅平移数量通过相应的公式计算可以得到第二反射镜107对应X轴和Y轴的角度变化α和β，并通过莫尔条纹宽度和斜率发生变化，计算可以得到绕Z角度变化值γ。

如图3所示，为本发明的正交主光栅像和光栅副产生的莫尔条纹图像。本发明对光栅的图样进行了分区间设计，使其能反映光栅副在二维平面的相对位移，即对应被测量物体的二维角度变化。

正交光栅副的一种实施例如下：当主光栅106在CCD成像模块109的接收屏上的指示光栅108沿X’轴发生平移，反应在接收屏上表现为上方的莫尔条纹沿Y’轴方向平移，对应第二反射镜107绕Y轴发生转动；当指示光栅108沿Y’轴平移，反应在接收屏上表现为上方的莫尔条纹沿X’轴方向平移，对应第二反射镜107绕X轴发生转动；当指示光栅108绕Z’轴转动时，光栅副夹角ε发生变化，表现为莫尔条纹宽度和斜率发生变化，对应第二反射镜107绕Z轴发生转动。这样就可以通过测量上下两个区间莫尔条纹的移动量求出主光栅绕X，Y轴的转动角，通过测量莫尔条纹宽度和斜率的变化量求出主光栅绕Z轴的转动角。

如图4所示，为本发明星敏感器在轨相对安装误差示意图。图中Z’为 星敏感器安装方位发生改变时，星敏感器的观测矢量方向。

α和β为第二反射镜107对应X轴和Y轴的角度变化，γ为第二反射镜107绕Z角度变化值。M见下式(17)。

如图5并结合图1所示，本发明还公开了一种适用于上述星敏感器在轨相对安装误差标定系统的标定补偿方法，该方法具体包含以下步骤：

S1、同一光源分束后分别由主光栅106和指示光栅108形成主光栅像和指示光栅像，主光栅像和指示光栅像相叠合成光栅副形成莫尔条纹。

S1.1、激光器101输出光源由分束镜102将光源分束为第一子光源和第二子光源。

S1.2、第一子光源经过指示光栅108形成指示光栅像。

S1.3、第二子光源经过准直透镜104透射和第一反射镜105反射至主光栅106，经过主光栅106形成主光栅像。

S1.4、主光栅像由第二反射镜107反射，经过第一反射镜105、准直透镜104和分束镜103与指示光栅像相叠合成光栅副形成莫尔条纹。

S2、根据星敏感器的运动造成莫尔条纹的变化，获取星敏感器安装方向的三维变化角。

连接星敏感器110的第二反射镜绕X、Y和Z三轴的扭转变形角分别为α、β和γ。

1)α，β角测量光栅副间位移与反射镜偏转角度的关系。

根据几何光学原理，当反射镜转动一个小角度θ时，反射光线相对于入射光线的夹角将转动2θ，且转动方向与反射镜转动方向相同。此时主光栅106的像在物镜的焦平面(即指示光栅108处)有s的位移量。该光栅副间位移量s与反射镜偏转角θ的关系如式(1)：

s＝(f+t)tan 2θ (1)

式(1)中，t为主光栅与准直透镜距离，f为准直透镜的焦距。

2)第二反射镜绕Y轴的变化角β和绕X轴的变化角α：

因为所用光栅的光栅常数比较小，可以从空间拍频角度解答。主光栅和指示光栅的光栅常数d₁和d₂的光栅的空间频率如式(11)：

ξ₁＝1/d₁

ξ₂＝1/d₂ (11)

其光透过率如式(12)

t₁(x,y)＝1+cos(2πξ₁x)

t₂(x,y)＝1+cos(2πξ₂x) (12)

当用单位强度的平面光波照射这样两块重叠的光栅时，其透射的强度如式(13)：

t(x,y)＝t₁(x)t₂(x)＝[1+cos(2πξ₁x)][1+cos(2πξ₂x)]

＝1+cos(2πξ₁x)+cos(2πξ₂x)+0.5cos[2π(ξ₁+ξ₂)x]

+0.5cos[2π(ξ₁-ξ₂)x] (13)。

其中，第一项是均匀的透过率；第二、三项保持了原有的两块光栅的周期结构；第四项是和频项；第五项是差频项，其空间频率是相叠合的两块光栅空间频率之差。

在大多数应用中，相叠合的两块光栅具有较接近的空间频率，在上述各项中，第二、三、四项具有较高的空间频率，而第五项中具有明显较低的空间频率。

莫尔条纹的斜率如式(5)

d₁和d2分别为主光栅和指示光栅的光栅常数；

莫尔条纹的间距W如式(6)

选用横向莫尔条纹，即d1＝d2＝d，cosε≠0，则上述式(5)和(6)改为如式(7)和(8)：

可得δ＝-ε/2，这表示莫尔条纹的方向在栅线交角外角的角平分线方向 上，当ε角很小时，取一阶近似，条纹大致与光栅栅线方向相垂直，上式(8)可简化为式(9)：

当两光栅沿x轴方向相对移过一个栅距时，横向莫尔条纹就近似沿y轴方向移过一个条纹宽度；光栅副间的移动量s与莫尔条纹移动量l之间的关系便可表示如式(10)

若测得上下莫尔条纹移动量分别为l₁和l₂，则其对应的反射镜绕Y轴的变化角β和绕X轴的变化角α如式(2)：

式(2)中，ε为光栅夹角。

3)γ角测量方案

当主光栅绕Z轴转动一定角度时，主光栅在指示屏上的指示光栅绕Z’轴转动相同角度，光栅夹角ε发生变化，ε和莫尔条纹宽度W的关系如式(3)

通过测量莫尔条纹间距的变化量Δw可求出光栅夹角变化量Δε，也就是反射镜绕Z轴的变化角γ，如式(4)：

式(4)中，d为主光栅和指示光栅的光栅栅距。

4)综上，三维角度测量的公式如下式(19)：

5)光栅尺寸的选择：

把主光栅106在指示光栅108上的投影称为指示光栅。透镜和主光栅的距离为l，则指示光栅在指示光栅上的最大位移s和透镜焦距f的关系为(单位都为mm)：s＝(f+l)tan2θ。

6)三维变化角的分辨率包含：

CCD像面上可分辨的光点成像位置变动量和可分辨的莫尔条纹位移变动量因为原理不同，所以取值有差别，若CCD像面可分辨的莫尔条纹位移量为Δl，则γ分辨率为如式(14)：

由于ε比较小，可近似认为ε＝d/w，代入上式(14)可得式(15)：

由上式(15)可以看出，γ的分辨率和焦距无关，而与Δl、光栅栅距d和光栅夹角ε有关。

莫尔条纹位移量X＝KW+x，K为莫尔条纹走过的周期数，而精度则取决于x，若不经过细分，则α,β分辨率对应于莫尔条纹走过一个周期对应的转角，也就是指示光栅走过一个光栅常数对应的转角，得到α,β分辨率的表达式(16)

l为莫尔条纹移动量。

具体的，若光栅常数为0.02mm，则不同焦距对应的分辨率如下表1所示。

表1莫尔条纹法不同焦距对应的α,β，γ分辨率

S3、根据星敏感器安装方向的三维变化角得到星敏感器实际观测矢量方向，对星敏感器在轨相对安装误差进行补偿。

利用光学标定系统测量获得的星敏感器安装方向变化角，可以得到星敏感器实际的观测矢量方向角θ如式(17)：

根据实际观测矢量方向，建立星敏感器在轨相对安装误差补偿矩阵A如式(18)

最后，则根据安装误差补偿矩阵A对星敏感器在轨相对安装误差进行补偿。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种星敏感器在轨相对安装误差标定系统，其特征在于，该系统包含依次光路连接的激光器、扩束镜、分束镜、准直透镜、第一反射镜、主光栅、第二反射镜，光路连接分束镜的指示光栅，以及光路连接指示光栅的CCD成像模块；第二反射镜设置于星敏感器上；指示光栅与主光栅和第二反射镜光路连通；主光栅像与指示光栅像相叠合成光栅副形成莫尔条纹，CCD成像模块探测星敏感器的运动造成莫尔条纹的变化输出标定信息由后续电路计量。

2.如权利要求1所述的星敏感器在轨相对安装误差标定系统，其特征在于，所述主光栅通过正交栅格刻画技术刻画在第二反射镜上。

3.如权利要求1所述的星敏感器在轨相对安装误差标定系统，其特征在于，所述主光栅与指示光栅为正交组合光栅，栅距相同。

4.一种如权利要求1或2或3所述星敏感器在轨相对安装误差标定系统的标定补偿方法，其特征在于，该方法包含：

同一光源分束后分别由主光栅和指示光栅形成主光栅像和指示光栅像，主光栅像和指示光栅像相叠合成光栅副形成莫尔条纹；

根据星敏感器的运动造成莫尔条纹的变化，获取星敏感器安装方向的三维变化角；

根据星敏感器安装方向的三维变化角得到星敏感器实际观测矢量方向，对星敏感器在轨相对安装误差进行补偿。

5.如权利要求4所述的标定补偿方法，其特征在于，所述形成主光栅像和指示光栅像级形成莫尔条纹的方法包含：

激光器输出光源由分束镜将光源分束为第一子光源和第二子光源；

第一子光源经过指示光栅形成指示光栅像；

第二子光源经过准直透镜透射和第一反射镜反射至主光栅，经过主光栅形成主光栅像；

主光栅像由第二反射镜反射，经过第一反射镜、准直透镜和分束镜与指示光栅像相叠合成光栅副形成莫尔条纹。

6.如权利要求4所述的标定补偿方法，其特征在于，所述获取星敏感器安装 方向的三维变化角的方法包含：

连接星敏感器的第二反射镜绕X、Y和Z三轴的扭转变形角分别为α、β和γ；

光栅副间位移量s与反射镜偏转角θ的关系如式(1)：

s＝(f+t)tan 2θ (1)

式(1)中，t为主光栅与准直透镜距离，f为准直透镜的焦距；

若测得上下莫尔条纹移动量分别为l₁和l₂，则其对应的反射镜绕Y轴的变化角β和绕X轴的变化角α如式(2)：

式(2)中，ε为光栅夹角；

当主光栅绕Z轴转动一定角度时，主光栅在指示屏上的指示光栅绕Z’轴转动相同角度，光栅夹角ε发生变化，ε和莫尔条纹宽度W的关系如式(3)

通过测量莫尔条纹间距的变化量Δw可求出光栅夹角变化量Δε，也就是反射镜绕Z轴的变化角γ，如式(4)：

式(4)中，d为主光栅和指示光栅的光栅栅距。

7.如权利要求6所述的标定补偿方法，其特征在于，所述莫尔条纹移动量的获得方法包含：

莫尔条纹的斜率如式(5)

d₁和d₂分别为主光栅和指示光栅的光栅常数；

莫尔条纹的间距W如式(6)

选用横向莫尔条纹，即d1＝d2＝d，cosε≠0，则上述式(5)和(6)改为如式(7)和(8)：

可得δ＝-ε/2，这表示莫尔条纹的方向在栅线交角外角的角平分线方向上，当ε角很小时，取一阶近似，条纹大致与光栅栅线方向相垂直，上式(8)可简化为式(9)：

当两光栅沿x轴方向相对移过一个栅距时，横向莫尔条纹就近似沿y轴方向移过一个条纹宽度；光栅副间的移动量s与莫尔条纹移动量l之间的关系便可表示如式(10)

8.如权利要求6所述的标定补偿方法，其特征在于，所述主光栅和指示光栅的光栅常数d₁和d₂的光栅的空间频率如式(11)：

ξ₁＝1/d₁

ξ₂＝1/d₂ (11)

其光透过率如式(12)

t₁(x,y)＝1+cos(2πξ₁x)

t₂(x,y)＝1+cos(2πξ₂x) (12)

当用单位强度的平面光波照射这样两块重叠的光栅时，其透射的强度如式(13)：

t(x,y)＝t₁(x)t₂(x)＝[1+cos(2πξ₁x)][1+cos(2πξ₂x)]

＝1+cos(2πξ₁x)+cos(2πξ₂x)+0.5cos[2π(ξ₁+ξ₂)x]

+0.5cos[2π(ξ₁-ξ₂)x] (13)。

9.如权利要求6所述的标定补偿方法，其特征在于，所述三维变化角的分辨率包含：

若CCD像面可分辨的莫尔条纹位移量为Δl，则γ分辨率为如式(14)：

由于ε比较小，可近似认为ε＝d/w，代入上式(14)可得式(15)：

α，β分辨率对应于莫尔条纹走过一个周期对应的转角，也就是指示光栅走过一个光栅常数对应的转角，得到α，β分辨率的表达式(16)

1为莫尔条纹移动量。

10.如权利要求4所述的标定补偿方法，其特征在于，所述星敏感器在轨相对安装误差补偿方法包含：

利用光学标定系统测量获得的星敏感器安装方向变化角，可以得到星敏感器实际的观测矢量方向角θ如式(17)：

根据实际观测矢量方向，建立星敏感器在轨相对安装误差补偿矩阵A如式(18)

根据星敏感器在轨相对安装误差补偿矩阵A进行补偿。