CN109470269A - 空间目标测量机构的标定方法、标定设备及标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间目标测量机构的标定方法、标定设备及标定系统。所述空间目标测量机构的标定方法包括：通过角度传感器获取机构的机构转角；在预定时间内分别获取星敏感器姿态和载荷相机姿态；根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取机构的转角误差；根据所获取的转角误差对机构进行标定。本发明提供的标定方法、标定设备及标定系统，通过星敏感器和载荷相机协同运作，实现了对空间目标测量机构的精确标定，同时，不需要增加额外的硬件，降低了成本。

Description

空间目标测量机构的标定方法、标定设备及标定系统

技术领域

本发明涉及空间标定技术领域，尤其涉及一种空间目标测量机构的标定方法、标定设备及标定系统。

背景技术

目前空间目标测量是空间任务的重要环节。近年来我国高稳定、紧密跟踪、对准的需求日益迫切。随着对空间目标测量不断提升的任务需求，促使对载荷相机精度的要求越来越高。星敏感器具有高精度，响应快、高可靠和长寿命的优点，已成为卫星定姿的重要部件，利用星敏感器配合载荷相机共同完成测量任务的初始光轴标定和对准工作，可以达到非常好的效果。

根据空间机构的基于姿态信息的标定算法，需要机构内外各一个星敏感器输出姿态以供标定。载荷相机安装于机构内部，由于空间测量任务本身的任务特点，要求载荷相机具有高频率、短曝光的特点，视场相比于星敏感器也小很多，也因其任务特点而具有较差的探测能力。种种因素限制了载荷相机完成星敏功能。因此需要对载荷相机进行改造。

机构角度误差在轨标定方法多样，但是由于受载荷相机视场角和探测能力的限制，如何提供一种可靠且高效的标定的方法用于空间目标测量机构的标定就成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间目标测量机构的标定方法、标定设备及标定系统，以实现对机构内安装的相机载荷的光轴指向的精确校准。

为实现上述目的，本发明提供一种空间目标测量机构的标定方法，包括：通过角度传感器获取机构的机构转角；在预定时间内分别获取星敏感器姿态和载荷相机姿态；根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取机构的转角误差；根据所获取的转角误差对机构进行标定。

在某些实施例中，所述根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取测量机构的转角误差的步骤包括：

根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，并利用姿态转换关系获取姿态转换矩阵；

根据所述姿态转换矩阵获取实际机构转角；

根据获取到的实际机构转角与测量得到的机构转角获取转角误差。

在某些实施例中，所述根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取测量机构的转角误差的步骤包括：

获得N次星敏感器姿态和载荷相机姿态；

根据所述N次星敏感器姿态和载荷相机姿态，分别获取N个机构的转角误差；

根据所述N个机构的转角误差，获取静态的转角误差，以所述静态的转角误差作为所述测量机构的转角误差。

在某些实施例中，所述在预定时间内分别获取星敏感器姿态和载荷相机姿态的步骤包括：

基于空间目标测量机构的图像多帧累积算法获得星图；

对获取到的星图进行预定算法以获得星敏感器姿态和/或载荷相机姿态。

在某些实施例中，通过质心提取、全天识别和姿态解算的算法获得星敏感器姿态和/或载荷相机姿态。

在某些实施例中，在进行质心提取之前，通过空间目标测量机构的图像多帧累积算法进行图像信噪比的增强。

本发明还提供一种空间目标测量机构的标定设备，包括：

角度传感器，用于获取机构的机构转角；

姿态获取装置，用于在预定时间内分别获取星敏感器姿态和载荷相机姿态；

转角误差获取装置，用于根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取机构的转角误差；

标定装置，用于根据所获取的转角误差对机构进行标定。

在某些实施例中，所述转角误差获取装置包括：

姿态转换矩阵获取模块，用于根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，并利用姿态转换关系获取姿态转换矩阵；

实际机构转角获取模块，用于根据所述姿态转换矩阵获取实际机构转角；

转角误差获取模块，用于根据获取到的实际机构转角与测量得到的机构转角获取转角误差。

在某些实施例中，所述姿态获取装置包括：

星图获取模块，用于基于空间目标测量机构的图像多帧累积算法获得星图；

处理模块，用于对获取到的星图进行预定算法以获得星敏感器姿态和/或载荷相机姿态。

本发明还提供一种标定系统，包括：前述任一项所述的空间目标测量机构的标定设备。

综上所述，本发明所述的空间目标测量机构的标定方法、标定设备及标定系统，与现有技术相比，具有以下优点：

通过星敏感器与载荷相机协同工作，对机构内外分别输出的姿态，完成对二维空间机构的标定；通过这样的方式不需要增加额外的硬件，降低了标定的成本；同时，通过这样的方式大大提高了标定的效率以及精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的空间目标测量机构的标定方法的一流程示意图；

图2为本发明中获取的单帧星图的示意图；

图3为本发明中获取的多帧累积星图的示意图；

图4为本发明的空间目标测量机构的标定方法中关于步骤S30的一实施例的流程示意图；

图5为本发明的空间目标测量机构的标定方法中关于步骤S30的另一实施例的流程示意图；

图6为本发明的空间目标测量机构的标定设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”、“第二”、“第三”等关系术语(如果存在)仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

以下结合图1～图6，以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1示出了本发明的空间目标测量机构的标定方法的一流程示意图；如图1所示，所述空间目标测量机构的标定方法包括：

执行步骤S10，通过角度传感器获取机构的机构转角；

执行步骤S20，在预定时间内分别获取星敏感器姿态和载荷相机姿态；

具体地，在本实施例中，所述步骤S20：在预定时间内分别获取星敏感器姿态和载荷相机姿态的步骤可以包括：

基于空间目标测量机构的图像多帧累积算法获得星图；

对获取到的星图进行预定算法以获得星敏感器姿态和/或载荷相机姿态。

图2示出了单帧星图的示意图；图3示出了多帧累积星图的示意图。对比图2和图3图2为连续获取的多帧星图中随机抽取的一张星图，图3为对连续十张星图累积得到的新的星图。可见十帧累积后的星图噪声没有得到明显增强，信号得到明显增强，信噪比显著提高，可以比较容易看到三颗星。因此，通过多帧累积算法来获得星图，可以有效地提高图像的信号，进而提高后续处理的精确性。

更为具体地，在本实施例中，可以通过质心提取、全天识别和姿态解算的算法获得星敏感器姿态和/或载荷相机姿态。需要说明的是，在其他实施例中，还可以根据其他的算法对获取到的星图进行计算，从而获得星敏感器姿态和/或载荷相机姿态，本发明对此不做限制。

在更优的实施例中，在进行质心提取之前，还可以通过空间目标测量机构的图像多帧累积算法进行图像信噪比的增强。

继续参考图1，接着执行步骤S30，根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取机构的转角误差；

最后执行步骤S40，根据所获取的转角误差对机构进行标定。

图4示出了本发明标定方法中关于获取机构的转角误差的一实施例的流程示意图；参考图4，在本实施例中，所述步骤S30：根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取测量机构的转角误差的步骤可以包括：

步骤S31，根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，并利用姿态转换关系获取姿态转换矩阵；

步骤S32，根据所述姿态转换矩阵获取实际机构转角；

步骤S33，根据获取到的实际机构转角与测量得到的机构转角获取转角误差。

图5示出了本发明的标定方法中关于获取机构的转角误差的另一实施例的流程示意图；如图5所示，所述根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取测量机构的转角误差的步骤包括：

步骤S34，获得N次星敏感器姿态和载荷相机姿态；

步骤S35，根据所述N次星敏感器姿态和载荷相机姿态，分别获取N个机构的转角误差；

步骤S36，根据所述N个机构的转角误差，获取静态的转角误差，以所述静态的转角误差作为所述测量机构的转角误差。

下面结合具体应用，对本发明提供的标定方法的工作原理做详细说明。在具体应用中，主要依靠星载星敏感器和机构内部的载荷相机分别输出的姿态进行标定。

首先需要说明的是，本发明的申请人针对空间目标测量机构存在的机构转角误差，提出了组建基于星敏感器的空间目标测量机构在轨标定系统，利用卫星平台上的星载星敏感器与载荷相机协同工作，通过机构内外分别输出的姿态，完成对二维空间机构的标定。

在实际应用中，空间目标测量机构在轨标定系统主要由一套星敏感器，一个二维旋转机构和载荷相机中的可见光相机(5°视场)组成。空间机构和星敏感器都固定安装于卫星平台之上，载荷相机安装于空间机构中。空间机构是一个二维旋转机构，内外框方向分别可沿偏航、俯仰两方向转动。内外框分别安装有角度传感器。可以实时测得二维机构内外框的转角α、β。

已知星敏姿态为A1，载荷相机姿态为A2，则存在如下姿态转换关系：

其中C1是星敏感器在卫星平台上的安装矩阵，C2是载荷相机在卫星平台上的安装矩阵，α0、β0为机构内外框转角。

由于机构安装复杂，在受到发射时的冲击和由于长时间空间闲置或运行导致的系统误差积累时，会导致空间机构转角的误差，因而造成载荷相机主光轴的方向偏移。空间机构在轨标定存在标准的参考标志不好选、机构安装的拓扑结构相对复杂、以及机构动态误差较复杂等难点，存在较大的难度。

空间机构误差从误差形式上看，包括静态误差、高频动态误差、低频动态误差。空间在轨标定的主要目标是消除静态误差，分离高频动态误差，实时标定低频误差。机构转角可以写成：

α＝α₀+Δα+α_RMS (2)

其中，α0为机构传感器输出的机构转角，Δα为机构转角静态误差，αRMS是高频噪声，α位实际机构转角。β同理。

具体地，首先执行步骤(1)令星载星敏感器持续输出姿态A1，载荷相机执行星敏算法输出载荷相机姿态A2，获取两者时间戳对齐时刻的姿态，并记录；

然后，利用步骤(1)得到的A1、A2，由

A₂＝T*A₁ (3)

反算姿态矩阵T；

再由下式

反算得到实际转角α、β；

步骤(3)将得到的α、β与角度传感器输出的α0、β0比较，计算差值：

Δα+Δα_RMS＝α-α₀ (5)

Δβ+Δβ_RMS＝β-β₀ (6)

步骤(4)重复上述做法，获得大量数据，通过大量样本取平均值的方法拟合、滤波，分离高频噪声，获得静态误差Δα、Δβ。

基于姿态信息的标定算法的难点在于如何利用载荷相机的小视场、短曝光和相对低的探测能力实现星敏功能，所以本发明的申请人提出利用软件和算法对星图后处理，加强探测能力的方法实现星敏功能，主要采用的基于空间目标测量机构的图像多帧累积方法如下：

(1)利用载荷相机以正常频率拍摄星图，存入数据库；

(2)获取载荷相机拍摄的前后十张星图，进行星图的灰度叠加；

(3)对第一步得到的星图进行质心提取算法，获取质心坐标，输入下一步全天识别算法。

对于标定算法精度的仿真分析中，由于全天仿真要求运算资源过大且耗时过长，提出采用样本库的方式。通过收集载荷相机和星敏在不同指向的情况下的标定结果，建立样本库；按一定数量分别随机抽取一定数量(200、400、600、800……)的样本，分析不同样本的标定精度，确定最优标定样本数。

通过本发明的标定方法可以有效的提高标定的精度，并且本发明所提供的标定方法不需要额外增加硬件，从而也大大降低了成本。

图6为本发明的空间目标测量机构的标定设备的结构示意图，如图6所示，本发明提供的空间目标测量机构的标定设备，包括：

角度传感器10，用于获取机构的机构转角；

姿态获取装置20，用于在预定时间内分别获取星敏感器姿态和载荷相机姿态；

转角误差获取装置30，用于根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取机构的转角误差；

标定装置40，用于根据所获取的转角误差对机构进行标定。

在本实施例中，所述转角误差获取装置30可以包括：

姿态转换矩阵获取模块，用于根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，并利用姿态转换关系获取姿态转换矩阵；

实际机构转角获取模块，用于根据所述姿态转换矩阵获取实际机构转角；

转角误差获取模块，用于根据获取到的实际机构转角与测量得到的机构转角获取转角误差。

本实施例中，所述转角误差获取装置30的工作过程可参考图4或图5关于获取机构的转角误差的详细描述，在此不再赘述。

在本实施例中，所述姿态获取装置20可以包括：

星图获取模块，用于基于空间目标测量机构的图像多帧累积算法获得星图；

处理模块，用于对获取到的星图进行预定算法以获得星敏感器姿态和/或载荷相机姿态。

本实施例中的标定设备的工作原理可参考前述关于标定方法的描述，在此不再赘述。

本发明还提供一种标定系统，包括如图6所示的空间目标测量机构的标定设备。通过标定设备对空间目标测量机构进行更为精确的标定，从而提高标定的效率以及标定的准确率，进而提高空间目标测量的精准性。

综上所述，本发明所提供的空间目标测量机构的标定方法、标定设备及标定系统，通过星敏感器与载荷相机协同工作，对机构内外分别输出的姿态，完成对二维空间机构的标定；通过这样的方式不需要增加额外的硬件，降低了标定的成本；同时，通过这样的方式大大提高了标定的效率以及精确度。

本发明所述的空间目标测量机构的标定方法、标定设备及标定系统，与现有技术相比，具有以下优点：不需要增加硬件，成本较低；且标定时的方法简单灵活，简化了标定的程序，提高了标定的效率。

本领域内的技术人员应明白，上述各实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。这些实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。上述各实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。

上述各实施例是参照根据实施例所述的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到计算机设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

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)

1.一种空间目标测量机构的标定方法，其特征在于，包括：

通过角度传感器获取机构的机构转角；

在预定时间内分别获取星敏感器姿态和载荷相机姿态；

根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取机构的转角误差；

根据所获取的转角误差对机构进行标定。

2.根据权利要求1所述的空间目标测量机构的标定方法，其特征在于，所述根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取测量机构的转角误差的步骤包括：

根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，并利用姿态转换关系获取姿态转换矩阵；

根据所述姿态转换矩阵获取实际机构转角；

根据获取到的实际机构转角与测量得到的机构转角获取转角误差。

3.根据权利要求1所述的空间目标测量机构的标定方法，其特征在于，所述根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取测量机构的转角误差的步骤包括：

获得N次星敏感器姿态和载荷相机姿态；

根据所述N次星敏感器姿态和载荷相机姿态，分别获取N个机构的转角误差；

根据所述N个机构的转角误差，获取静态的转角误差，以所述静态的转角误差作为所述测量机构的转角误差。

4.根据权利要求1所述的空间目标测量机构的标定方法，其特征在于，所述在预定时间内分别获取星敏感器姿态和载荷相机姿态的步骤包括：

基于空间目标测量机构的图像多帧累积算法获得星图；

对获取到的星图进行预定算法以获得星敏感器姿态和/或载荷相机姿态。

5.根据权利要求4所述的空间目标测量机构的标定方法，其特征在于，通过质心提取、全天识别和姿态解算的算法获得星敏感器姿态和/或载荷相机姿态。

6.根据权利要求5所述的空间目标测量机构的标定方法，其特征在于，在进行质心提取之前，通过空间目标测量机构的图像多帧累积算法进行图像信噪比的增强。

7.一种空间目标测量机构的标定设备，其特征在于，包括：

角度传感器，用于获取机构的机构转角；

姿态获取装置，用于在预定时间内分别获取星敏感器姿态和载荷相机姿态；

转角误差获取装置，用于根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，获取机构的转角误差；

标定装置，用于根据所获取的转角误差对机构进行标定。

8.如权利要求7所述的空间目标测量机构的标定设备，其特征在于，所述转角误差获取装置包括：

姿态转换矩阵获取模块，用于根据获取到的星敏感器姿态和载荷相机姿态，并利用姿态转换关系获取姿态转换矩阵；

实际机构转角获取模块，用于根据所述姿态转换矩阵获取实际机构转角；

转角误差获取模块，用于根据获取到的实际机构转角与测量得到的机构转角获取转角误差。

9.如权利要求7所述的空间目标测量机构的标定设备，其特征在于，所述姿态获取装置包括：

星图获取模块，用于基于空间目标测量机构的图像多帧累积算法获得星图；

处理模块，用于对获取到的星图进行预定算法以获得星敏感器姿态和/或载荷相机姿态。

10.一种标定系统，其特征在于，包括：如权利要求7-9任一项所述的空间目标测量机构的标定设备。