CN107560638A - 一种星敏感器变温标定参数的获取方法 - Google Patents

Abstract

一种星敏感器变温标定参数的获取方法，步骤为：(1)将星敏感器工作温度范围划分为多个温度采样点；(2)获取不同温度采样点分别对应的标定参数样本，所述标定参数样本包括星敏感器的镜头焦距样本、主点坐标样本、以及镜头畸变系数样本；(3)根据不同温度采样点分别对应的镜头焦距样本、主点坐标样本、以及镜头畸变系数样本，分别生成镜头焦距对应的变温误差补偿公式、主点坐标对应的变温误差补偿公式、以及镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式；(4)根据镜头焦距对应的变温误差补偿公式、主点坐标对应的变温误差补偿公式、以及镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式，分别计算不同温度点对应的镜头焦距、主点坐标、镜头畸变系数。

Description

一种星敏感器变温标定参数的获取方法

技术领域

本发明属于航天测量技术领域，涉及一种星敏感器变温标定参数的获取方 法。

背景技术

星敏感器作为卫星姿态控制系统的关键部件，对其误差抑制的研究具有十 分重要的意义。星敏感器的误差包括低频误差和噪声等效角两部分。噪声等效 角反应星敏感器电性能噪声的性能指标，可以通过优化电路设计等措施进行改 进。低频误差是与时间、空间均相关的系统误差。产生低频误差的主要因素有： 光学系统标定的残差，星敏感器星表的误差、色差，因温度变化导致的光机结 构形变等。低频误差是星敏感器误差的重要组成部分，可以通过标定测得。

目前标定方法主要在地面实验室利用单星模拟器配合二维转台进行数据采 集和标定，然而现有标定方法没有考虑温度对星敏感器标定参数的影响，而是 使用一组固定的标定参数来修正星敏感器误差，从而导致通过现有方式获取的 标定参数的误差较大，进而导致星敏感器的精度较低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星敏感器变 温标定参数的获取方法，通过结合温度变化对星敏感器标定参数的影响，得到 误差补偿公式对标定参数进行补偿，可以解决通过现有方式获取的标定参数的 误差较大，进而导致星敏感器的精度较低的问题。

本发明的技术解决方案是：一种星敏感器变温标定参数的获取方法，包括 如下步骤：

(1)将星敏感器工作温度范围划分为多个温度采样点；

(2)获取不同温度采样点分别对应的标定参数样本，所述标定参数样本包 括星敏感器的镜头焦距样本、主点坐标样本、以及镜头畸变系数样本；

(3)根据不同温度采样点分别对应的镜头焦距样本、主点坐标样本、以及 镜头畸变系数样本，分别生成镜头焦距对应的变温误差补偿公式、主点坐标对 应的变温误差补偿公式、以及镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式；

(4)根据镜头焦距对应的变温误差补偿公式、主点坐标对应的变温误差补 偿公式、以及镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式，分别计算不同温度点对 应的镜头焦距、主点坐标、镜头畸变系数。

进一步地，所述步骤(3)中生成镜头焦距对应的变温误差补偿公式的方 法为：

建立镜头焦距对应的变温误差补偿公式其中，f(T_i)为 不同温度采样点分别对应的镜头焦距样本，T_i为不同温度采样点，i为不同温度 采样点标号，与采集的温度个数相同，a、b、c、d为镜头焦距对应的变温误差 补偿公式系数；

根据不同温度采样点的温度值以及不同温度采样点分别对应的镜头焦距样 本值，计算所述镜头焦距对应的变温误差补偿公式系数，得到镜头焦距对应的 变温误差补偿公式。

进一步地，所述步骤(3)中生成主点坐标对应的变温误差补偿公式的方 法为：

建立主点坐标对应的变温误差补偿公式其中，x₀(T_i)、y₀(T_i)为不同 温度采样点分别对应的主点坐标样本，T_i为不同温度采样点，i为不同温度采样 点标号，与采集的温度个数相同，m₀-m₇、n₀-n₇为主点坐标对应的变温误差补 偿公式系数；

根据不同温度采样点的温度值以及不同温度采样点分别对应的主点坐标样 本，计算所述主点坐标对应的变温误差补偿公式系数，得到主点坐标对应的变 温误差补偿公式。

进一步地，所述步骤(3)中生成镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式 的方法为：

建立镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式其中，x'(T_i)、y'(T_i)为不同温度采样点分别 对应的镜头畸变系数样本，T_i为不同温度采样点，i为不同温度采样点标号，与 采集的温度个数相同，a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、l₁、l₂、m₈、m₉、n₈、n₉分别为 镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式系数；

根据不同温度采样点的温度值以及不同温度采样点分别对应的镜头畸变系 数样本，计算所述镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式系数，得到镜头畸变 系数对应的变温误差补偿公式。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过根据不同温度采样点分别对应的标定参数样本，生成标定 参数对应的变温误差补偿公式，并通过变温误差补偿公式得到标定参数，从而 可以对温度变化引起的标定参数误差进行补偿，从而提高了标定参数的获取精 度，进而提高了星敏感器的精度。

(2)本发明在生成标定参数对应的变温误差补偿公式时，考虑到温度变化 对不同类别的标定参数产生的影响不同，分别生成镜头焦距对应的变温误差补 偿公式、主点坐标对应的变温误差补偿公式、以及镜头畸变系数对应的变温误 差补偿公式，可以进一步提高标定参数的获取精度，进而提高了星敏感器的精 度。

附图说明

图1为本发明提供的星敏感器变温标定参数的获取方法流程图；

图2为本发明提供的地面实验系统示意图。

具体实施方式

本发明方法的流程框图如图1所示，下面对图1中本发明方法的具体步骤 进行详细阐述：

(1)将星敏感器工作温度范围划分为多个温度采样点。

其中，星敏感器工作温度范围为星敏感器的最佳工作范围，从而保证获取 的温度与星敏感器的工作状态有较强的相关性。具体地，在星敏感器最佳工作 温度范围(T_a,T_b)内，以T_n为采样间隔，生成采样温度点T_i。a、b分别为工作温 度下限值和上限值的序号，i为采样温度点的序号。

(2)获取不同温度采样点分别对应的标定参数样本，所述标定参数样本包 括星敏感器的镜头焦距样本,主点坐标样本、以及镜头畸变系数样本。

其中，获取不同温度采样点分别对应的标定参数样本的系统可以如图2所 述，下面对获取过程进行阐述说明：

a)将星敏感器安装在真空罐内的两轴转台上，抽真空，使得真空罐内真空 度达到小于或等于1×10^-3Pa。

b)在星敏感器最佳工作温度范围(T_a,T_b)内，以等温度间隔T_n,生成采样温 度点T_i。T_i满足公式(1)。

c)从T_a开始，对每个采样温度点进行标定。调节两轴转台，使得恒星模拟 光源在星敏感器探测器上的映射点坐标(x₀,y₀)在视场中心，作为标定起始点， 也即主点坐标样本。

d)转台以1°为间隔的蛇形轨迹转动。α为转台内框转动角度，β为转台 外框转动角度，采集转台的转动位置信息(α,β)。

e)在每一个转台位置通过数据采集处理计算机采集标定点的质心坐标 (x,y)，为了提高标定精度，标定点读取n次质心数据后取平均值作为测量结果。 计算公式为公式(2)：

f)通过常温标定模型分析采集得到的转台位置信息和质心坐标信息，计算 得到不同采样温度点星敏感器的标定参数：镜头焦距f_c,主点坐标(x₀,y₀)以及镜 头畸变系数(x',y')。其中，本发明中各个点的坐标为在以视场中心为原点建立的 坐标系下。

(3)根据不同温度采样点分别对应的镜头焦距样本、主点坐标样本、以 及镜头畸变系数样本，分别生成镜头焦距对应的变温误差补偿公式、主点坐标 对应的变温误差补偿公式、以及镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式。

由于温度对镜头焦距、主点坐标、镜头畸变的影响呈现不同的变化规律， 因此使用不同的误差补偿公式对3中标定参数进行拟合。

具体地，由于随着温度的升高，镜头焦距的变化速率越来越快，呈现指数 分布，因此，建立镜头焦距对应的变温误差补偿公式为其中，f(T_i)为不同温度采样点分别对应的镜头焦距样本，T_i为不同温度采样点， i为不同温度采样点标号，与采集的温度个数相同，a、b、c、d为镜头焦距对 应的变温误差补偿系数；然后根据不同温度采样点的温度值以及不同温度采样 点分别对应的镜头焦距样本值，计算所述镜头焦距对应的变温误差补偿系数， 得到镜头焦距对应的变温误差补偿公式。

进一步地，随着温度的升高，星敏感器主点位置朝着一个方向漂移。因此， 使用多项式拟合的方法对分别对主点坐标(x₀,y₀)中的x₀和y₀进行拟合，建立主点 坐标对应的变温误差补偿公式 其中，x₀(T_i)、y₀(T_i)为不同 温度采样点分别对应的主点坐标样本，T_i为不同温度采样点，i为不同温度采样 点标号，与采集的温度个数相同，m₀-m₇、n₀-n₇为主点坐标对应的变温误差补 偿系数；根据不同温度采样点的温度值以及不同温度采样点分别对应的主点坐 标样本，计算所述主点坐标对应的变温误差补偿系数，得到主点坐标对应的变 温误差补偿公式。

进一步地，随着温度的升高，镜头畸变的变化呈现高斯分布。因此，建立 镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式其 中，x'(T_i)、y'(T_i)为不同温度采样点分别对应的镜头畸变系数样本，T_i为不同温 度采样点，i为不同温度采样点标号，与采集的温度个数相同，a₁、a₂、b₁、b₂、 c₁、c₂、l₁、l₂、m₈、m₉、n₈、n₉分别为镜头畸变系数对应的变温误差补偿系数； 然后根据不同温度采样点的温度值以及不同温度采样点分别对应的镜头畸变系 数样本，计算所述镜头畸变系数对应的变温误差补偿系数，得到镜头畸变系数 对应的变温误差补偿公式。

(4)根据镜头焦距对应的变温误差补偿公式、主点坐标对应的变温误差补 偿公式、以及镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式，分别计算不同温度点分 别对应的镜头焦距、主点坐标、镜头畸变系数。

下面对本发明提供的方法最终达到的效果进行说明：结合星敏感器标定模 型，仿真分析镜头焦距误差对精度的影响，在标定模型中输入星敏感器参数： 视场17.6度，像元大小0.013毫米，镜头焦距43毫米以及主点坐标。对于每 一个镜头焦距误差的值，随机取200个四元数作为星敏的真实姿态，再加入镜 头焦距误差求得计算姿态，由真实姿态和计算姿态求得镜头焦距误差对精度的 影响。可以看出光轴指向精度对镜头焦距误差比较敏感，滚动角误差对镜头焦 距误差不敏感。进行变温标定实验，实测机壳温度的最大温变范围为38.88℃， 引起镜头焦距的最大变化值为23.5微米。由仿真结果可得光轴指向精度的变化 为3″。仿真实验证明：温度变化38.88℃时，使用本发明的变温标定误差补偿 方法，星敏感器的光轴指向精度提高了3″。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种星敏感器变温标定参数的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将星敏感器工作温度范围划分为多个温度采样点；

(2)获取不同温度采样点分别对应的标定参数样本，所述标定参数样本包括星敏感器的镜头焦距样本、主点坐标样本、以及镜头畸变系数样本；

(3)根据不同温度采样点分别对应的镜头焦距样本、主点坐标样本、以及镜头畸变系数样本，分别生成镜头焦距对应的变温误差补偿公式、主点坐标对应的变温误差补偿公式、以及镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式；

(4)根据镜头焦距对应的变温误差补偿公式、主点坐标对应的变温误差补偿公式、以及镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式，分别计算不同温度点对应的镜头焦距、主点坐标、镜头畸变系数。

2.根据权利要求1所述的一种星敏感器变温标定参数的获取方法，其特征在于，所述步骤(3)中生成镜头焦距对应的变温误差补偿公式的方法为：

建立镜头焦距对应的变温误差补偿公式其中，f(T_i)为不同温度采样点分别对应的镜头焦距样本，T_i为不同温度采样点，i为不同温度采样点标号，与采集的温度个数相同，a、b、c、d为镜头焦距对应的变温误差补偿公式系数；

根据不同温度采样点的温度值以及不同温度采样点分别对应的镜头焦距样本值，计算所述镜头焦距对应的变温误差补偿公式系数，得到镜头焦距对应的变温误差补偿公式。

3.根据权利要求1所述的一种星敏感器变温标定参数的获取方法，其特征在于，所述步骤(3)中生成主点坐标对应的变温误差补偿公式的方法为：

建立主点坐标对应的变温误差补偿公式其中，x₀(T_i)、y₀(T_i)为不同温度采样点分别对应的主点坐标样本，T_i为不同温度采样点，i为不同温度采样点标号，与采集的温度个数相同，m₀-m₇、n₀-n₇为主点坐标对应的变温误差补偿公式系数；

根据不同温度采样点的温度值以及不同温度采样点分别对应的主点坐标样本，计算所述主点坐标对应的变温误差补偿公式系数，得到主点坐标对应的变温误差补偿公式。

4.根据权利要求1所述的一种星敏感器变温标定参数的获取方法，其特征在于，所述步骤(3)中生成镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式的方法为：

建立镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式其中，x'(T_i)、y'(T_i)为不同温度采样点分别对应的镜头畸变系数样本，T_i为不同温度采样点，i为不同温度采样点标号，与采集的温度个数相同，a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、l₁、l₂、m₈、m₉、n₈、n₉分别为镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式系数；

根据不同温度采样点的温度值以及不同温度采样点分别对应的镜头畸变系数样本，计算所述镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式系数，得到镜头畸变系数对应的变温误差补偿公式。