CN107270939A - 一种星敏感器相对安装标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星敏感器相对安装标定方法，其包含以下步骤：S1、星敏感器连接至一星敏感器误差标定系统；S2、星敏感器三轴角度发生变化并带动星敏感器误差标定系统中的菲涅尔棱镜产生相同三维转角，星敏感器误差标定系统中的计量单元根据成像CCD采集得到的图像中像点的线位移变化量计算得到三维转角；S3、星敏感器误差标定系统中的计量单元将得到的三维转角引入安装误差补偿矩阵得到星敏感器的相对安装误差。其优点是：其利用光学自准直测角机理，将星敏感器三维转动的角度转化为光学像点移动线量，然后通过像点的移动量计算出物体转动三维角度的变化值，从而实现对星敏感器相对安装误差的标定。

Description

一种星敏感器相对安装标定方法及系统

技术领域

本发明涉及角度位置误差修正技术领域，具体涉及一种星敏感器相对安装标定方法及系统。

背景技术

以日本2006年发射的先进对地观测卫星(ALOS)为例，介绍相对安装误差变化范围。该卫星采用三探头星敏，为了严格控制星敏感器支架的在轨变形，将星敏感器支架温度控制23±3℃的范围内。在如此严格的控制下，星敏感器在轨实际安装误差大于10arcsec。由此可估算若星敏感器支架没有进行温度控制，并考虑到卫星发射过程中振动等问题的情况下，测量敏感器在轨安装误差将是其数倍、数十倍以上。

由于星敏感器在轨相对安装方位的变化，会影响姿态确定的精度指标，影响程度往往是接近于1比1的关系，即安装误差角度数值直接反应姿态确定误差数值上。为了达到1arcsec的高精度姿态确定水平，非常有必要对星敏感器在轨相对安装排列进行辨识与补偿。国外修正姿态确定误差方法，主要是通过星上光学载荷与星敏感器共光路设计，要求星上必须装载高精度的光学有效载荷，该方法具有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种星敏感器相对安装标定方法及系统，其利用光学自准直测角机理，涉及改进型菲涅尔双棱镜，将星敏感器三维转动的角度转化为光学像点移动线量，然后通过像点的移动量计算出物体转动三维角度的变化值，从而实现对星敏感器相对安装误差的标定。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种星敏感器相对安装标定方法，其特征是，包含以下步骤：

S1、星敏感器连接至一星敏感器误差标定系统，该星敏感器误差标定系统包含：

光源，用于发射光线；

沿光源发射光线的光路上依次设置的扩束镜、分束镜、直物镜、反射镜，光线依次经过扩束镜、分束镜、直物镜以后形成平行光束；

菲涅尔棱镜，设置在星敏感器上，并位于反射镜的对应位置，平行光束经过反射镜反射到菲涅尔棱镜并形成像点；

成像CCD，设置在分束镜的对应一侧，平行光束在菲涅尔棱镜上形成的像点经过菲涅尔棱镜反射后依次经过直物镜、分束镜并反射到成像CCD上，并由成像CCD对像点图像进行采集；

计量单元，连接成像CCD，用于根据成像CCD采集到的图像中像点的线位移变化量变化解算出星敏感器绕三轴角度变化，并结合安装误差补偿矩阵得到安装误差；

S2、星敏感器三轴角度发生变化并带动菲涅尔棱镜产生相同三维转角α，β，γ，使成像CCD采集得到的图像中的像点发生线位移变化，计量单元根据成像CCD采集得到的图像中像点的线位移变化量计算得到三维转角α，β，γ；

S3、计量单元将得到的三维转角α，β，γ引入安装误差补偿矩阵得到星敏感器的相对安装误差。

上述的星敏感器相对安装标定方法，其中，所述步骤S2中的计量单元根据成像CCD采集得到的图像中像点的线位移变化量计算得到三维转角α，β，γ的计算过程为：

其中，

N_1x＝-sinβcos(α+β)cosγ+sin(α+β)sinγ；

N_1z＝cos(α+β)cosβ；

N_1y＝sinβcos(α+β)sinγ+sin(α+β)cosγ；

N_2x＝-sinβcos(α-β)cosγ+sin(α-β)sinγ；

N_2z＝cos(α-β)cosβ；

N_2y＝sinβcos(α-β)sinγ+sin(α-β)cosγ；

式中，(x′₁，y′₁)表示分束镜反射时像点落在成像CCD测量平面上的位置，(x′₀₁，y′₀₁)为像点落在成像CCD测量平面上的初始位置，f为直物镜焦距；根据上述任意三个方程式，得到三维转角α，β，γ的表达式。

上述的星敏感器相对安装标定方法，其中，所述步骤S3中，所述安装误差的计算过程为：

式中，α，β，γ为三维转角，A为安装误差补偿矩阵。

一种星敏感器误差标定系统，连接一待误差标定的星敏感器，其特征是，包含：

光源，用于发射光线；

沿光源发射光线的光路上依次设置的扩束镜、分束镜、直物镜、反射镜，光线依次经过扩束镜、分束镜、直物镜以后形成平行光束；

菲涅尔棱镜，设置在星敏感器上，并位于反射镜的对应位置，平行光束经过反射镜反射到菲涅尔棱镜并形成像点；

成像CCD，设置在分束镜的对应一侧，平行光束在菲涅尔棱镜上形成的像点经过菲涅尔棱镜反射后依次经过直物镜、分束镜并反射到成像CCD上，并由成像CCD对像点图像进行采集；

计量单元，连接成像CCD，用于根据成像CCD采集到的图像中像点的线位移变化量解算出星敏感器绕三轴角度变化，并结合安装误差补偿矩阵得到安装误差。

上述的星敏感器误差标定系统，其中：

所述菲涅尔棱镜采用多棱化设计，以减少菲涅尔棱聚焦光斑的光强对比和像差。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、其利用光学测量装置精确得到星敏感器与载荷在轨运行中由于热变形产生的误差，根据所得信息对系统安装矩阵误差进行补偿，以达到星敏感器安装排列在轨标定的目的；

2、采用光学测角，具有非接触和精度高的特点，为在轨小角度测量的首选方法；

3、采用菲涅尔棱镜形式，并且采用多棱镜结构，在星敏感器安装固联的菲涅尔棱镜上，减小菲涅尔棱造成的聚焦光斑的光强对比和像差，减小系统整体尺寸与重量；

4、菲涅尔棱镜可以在CCD相机上形成像点，通过像点位置偏差测量，可以同时实现星敏感器绕X、Y和Z三轴的扭转变形角分别为α，β，γ的测量工作，构造简单；

5、通过设计一套相对角度变化相关的安装矩阵，实现对系统由于安装误差和热变形造成的误差的补偿，实现起来简单易行，节约误差补偿机构成本，减轻系统的总体总量；

6、能够减少系统中横向和纵向偏移造成测量范围的影响；；通过菲涅尔棱镜就可以实现对三维角度的测量，结构简单，可靠性高，实现成本低，易于设计和可工程化程度高。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的系统结构图；

图3为本发明系统中菲涅尔棱镜的光路运行图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明提出了一种星敏感器相对安装标定方法，其包含以下步骤：

S1、如图2所示，将星敏感器1连接至一星敏感器误差标定系统，该星敏感器误差标定系统采用光学测角法设计，具体包含：

光源7，用于发射光线；具体的光源7可以选用激光器；

沿光源7发射光线的光路上依次设置的扩束镜6、分束镜4、直物镜3、反射镜2，光线依次经过扩束镜6、分束镜4、直物镜3以后形成平行光束；

菲涅尔棱镜8，设置在星敏感器1上，并位于反射镜2的对应位置，平行光束经过反射镜2反射到菲涅尔棱镜8并形成像点；本实施例中，该菲涅尔棱镜8采用多棱化设计，以减少菲涅尔棱聚焦光斑的光强对比和像差；

成像CCD5，设置在分束镜4的对应一侧，平行光束在菲涅尔棱镜8上形成的像点经过菲涅尔棱镜8反射后依次经过直物镜3、分束镜4并反射到成像CCD5上，并由成像CCD5对像点图像进行采集；

计量单元，连接成像CCD5，用于根据成像CCD5采集到的图像中像点的线位移变化量变化解算出星敏感器1绕三轴角度变化，并结合安装误差补偿矩阵得到安装误差；

S2、星敏感器1三轴角度发生变化并带动菲涅尔棱镜8产生相同三维转角α，β，γ，α，β，γ也即星敏感器1绕X、Y和Z三轴的扭转变形角，使成像CCD5采集得到的图像中像点发生线位移变化，计量单元根据成像CCD5采集得到的图像中像点的线位移变化量计算得到三维转角α，β，γ；

S3、计量单元将得到的三维转角α，β，γ引入安装误差补偿矩阵得到星敏感器1的相对安装误差。

为便于理解本发明中运用的菲涅尔棱镜的测角光路运行原理，图3提供了包含有光源7、扩束器6、分束镜4、直物镜3、成像CCD5以及采用了多棱化设计的菲涅尔棱镜8的光路运行图，其测角光路可以描述为：从光源7发出的光源经扩束镜6和分束镜4后，再经准直物镜3形成为平行光束，该平行光束照射菲涅尔棱镜8经过棱镜表面反射，经过直物镜3聚焦的像点通过分束镜4反射到成像CCD 5图像采集面，在成像CCD5表面形成像点光斑，当出现像点相对位置的变化可通过成像CCD5探测得到。

所述步骤S2中的计量单元根据成像CCD5采集得到的图像中像点的线位移变化量计算得到三维转角α，β，γ的计算过程为：

其中，

N_1x＝-sinβcos(α+β)cosγ+sin(α+β)sinγ；

N_1z＝cos(α+β)cosβ；

N_1y＝sinβcos(α+β)sinγ+sin(α+β)cosγ；

N_2x＝-sinβcos(α-β)cosγ+sin(α-β)sinγ；

N_2z＝cos(α-β)cosβ；

N_2y＝sinβcos(α-β)sinγ+sin(α-β)cosγ；

式中，x′₁，y′₁表示分束镜4反射时像点落在成像CCD5测量平面上的位置，x′₀₁，y′₀₁为像点落在成像CCD5测量平面上的初始位置，f为直物镜焦距；根据上述任意三个方程式，得到三维转角α，β，γ的表达式。

所述步骤S3中，所述安装误差的计算过程为：

式中，α，β，γ为三维转角，A为安装误差补偿矩阵。

实施例一

以下结合一个具体实施例，说明本发明方法中所涉及星敏感器误差标定系统的具体工作原理及详细计算过程：

1、角度测量

1)α,β，γ角测量

初始位置时，如图2所示，菲涅尔棱镜8的+Y方向反射面I的法向量为光源7射出的准直光束入射方向向量为S₀＝(0,0,1)，此时由反射面I反射光方向为

A'₀₁＝S₀-2(N₀₁*S₀)N₀₁＝(A'_0x,A'_0y,A'_0z)

其中，A'_0x＝0；

则光源S经透镜即直物镜3并经反射面I反射后在成像CCD5面上的成像点A的坐标(x'₀₁,y'₀₁)为

当反射镜2随星敏感器绕X、Y、Z轴有α,β,γ三维角度变化时，由坐标旋转变换的矩阵原理可得反射面I的法向量变为：

N₁＝N₀₁T_xT_yT_z＝(N_1x,N_1y,N_1z)

其中，N_1x＝-sinβcos(α+β)cosγ+sin(α+β)sinγ，N_1z＝cos(α+β)cosβ，N_1y＝sinβcos(α+β)sinγ+sin(α+β)cosγ。

菲涅尔棱镜8的+Y方向反射面I的反射光束方向为：

A′₁＝S₀-2(N₁*S₀)N₁＝(A′_1x,A′_1y,A′_1z)

其中，A′_1x＝2N_1zN_1x；A′_1y＝2N_1zN_1y；

反射光束在成像CCD5的面上的成像位置变化量为：

其中，反射面I与XOY平面角和透镜焦距f已知，α,β,γ为未知变量。

如图2所示，对于菲涅尔棱镜8的－Y方向反射面II，准直光束入射方向不变，即S₀＝(0，0，1)，在初始位置时，反射面II的法线向量为 当反射镜2随被检测物体绕X、Y、Z轴有α,β,γ三维角度变化时，准直光束由反射面II返回，同理，可求得反射光束在成像CCD5面上成像位置变化量Δx2、Δy2的表达式为

其中，N_2x＝-sinβcos(α-β)cosγ+sin(α-β)sinγ，N_2z＝cos(α-β)cosβ，N_2y＝sinβcos(α-β)sinγ+sin(α-β)cosγ；

即可求得α,β,γ。

2、星敏感器相对安装误差标定：

图2所示相对安装误差标定示意图，可以得到坐标矢量统一的矩阵：

其中，A是相对安装误差标定矩阵。

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 (5)

1.一种星敏感器相对安装标定方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、星敏感器(1)连接至一星敏感器误差标定系统，该星敏感器误差标定系统包含：

光源(7)，用于发射光线；

沿光源(7)发射光线的光路上依次设置的扩束镜(6)、分束镜(4)、直物镜(3)、反射镜(2)，光线依次经过扩束镜(6)、分束镜(4)、直物镜(3)以后形成平行光束；

菲涅尔棱镜(8)，设置在星敏感器(1)上，并位于反射镜(2)的对应位置，平行光束经过反射镜(2)反射到菲涅尔棱镜(8)并形成像点；

成像CCD(5)，设置在分束镜(4)的对应一侧，平行光束在菲涅尔棱镜(8)上形成的像点经过菲涅尔棱镜(8)反射后依次经过直物镜(3)、分束镜(4)并反射到成像CCD(5)上，并由成像CCD(5)对像点图像进行采集；

计量单元，连接成像CCD(5)，用于根据成像CCD(5)采集到的图像中像点的线位移变化量变化解算出星敏感器(1)绕三轴角度变化，并结合安装误差补偿矩阵得到安装误差；

S2、星敏感器(1)三轴角度发生变化并带动菲涅尔棱镜(8)产生相同三维转角α，β，γ，使成像CCD(5)采集得到的图像中的像点发生线位移变化，计量单元根据成像CCD(5)采集得到的图像中像点的线位移变化量计算得到三维转角α，β，γ；

S3、计量单元将得到的三维转角α，β，γ引入安装误差补偿矩阵得到星敏感器(1)的相对安装误差。

2.如权利要求1所述的星敏感器相对安装标定方法，其特征在于，所述步骤S2中的计量单元根据成像CCD(5)采集得到的图像中像点的线位移变化量计算得到三维转角α，β，γ的计算过程为：

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其中，

N_1x＝-sinβcos(α+β)cosγ+sin(α+β)sinγ；

N_1z＝cos(α+β)cosβ；

N_1y＝sinβcos(α+β)sinγ+sin(α+β)cosγ；

N_2x＝-sinβcos(α-β)cosγ+sin(α-β)sinγ；

N_2z＝cos(α-β)cosβ；

N_2y＝sinβcos(α-β)sinγ+sin(α-β)cosγ；

式中，(x′₁，y′₁)表示分束镜(4)反射时像点落在成像CCD(5)测量平面上的位置，(x'₀₁，y'₀₁)为像点落在成像CCD(5)测量平面上的初始位置，f为直物镜焦距；根据上述任意三个方程式，得到三维转角α，β，γ的表达式。

3.如权利要求1所述的星敏感器相对安装标定方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述安装误差的计算过程为：

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式中，α，β，γ为三维转角，A为安装误差补偿矩阵。

4.一种星敏感器误差标定系统，连接一待误差标定的星敏感器(1)，其特征在于，包含：

光源(7)，用于发射光线；

沿光源(7)发射光线的光路上依次设置的扩束镜(6)、分束镜(4)、直物镜(3)、反射镜(2)，光线依次经过扩束镜(6)、分束镜(4)、直物镜(3)以后形成平行光束；

菲涅尔棱镜(8)，设置在星敏感器(1)上，并位于反射镜(2)的对应位置，平行光束经过反射镜(2)反射到菲涅尔棱镜(8)并形成像点；

成像CCD(5)，设置在分束镜(4)的对应一侧，平行光束在菲涅尔棱镜(8)上形成的像点经过菲涅尔棱镜(8)反射后依次经过直物镜(3)、分束镜(4)并反射到成像CCD(5)上，并由成像CCD(5)对像点图像进行采集；

计量单元，连接成像CCD(5)，用于根据成像CCD(5)采集到的图像中像点的线位移变化量解算出星敏感器(1)绕三轴角度变化，并结合安装误差补偿矩阵得到安装误差。

5.如权利要求4所述的星敏感器误差标定系统，其特征在于：

所述菲涅尔棱镜(8)采用多棱化设计，以减少菲涅尔棱聚焦光斑的光强对比和像差。