CN111044077B - 星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了星敏感器测量坐标系与基准立方镜坐标系间的标定方法，包括：计算经纬仪空间测量坐标系到星敏感器立方镜坐标系之间的旋转矩阵T_mc；调节平行光管的方向，使其在星敏感器视场范围内发出多组不同方向的平行光，计算多组平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标以及在经纬仪测量坐标系下的坐标；利用多组平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标和在经纬仪测量坐标系下的坐标，使用QUEST算法，计算出从星敏感器测量坐标系到经纬仪测量坐标系的旋转矩阵T_bm；星敏感器测量坐标系到星敏感器立方镜坐标系的旋转矩阵为T_bc＝T_bmT_mc。本发明的标定方法简单；不要求对转台坐标系和星敏感器测量坐标系的方向进行精密调节；测量精度高，使得星敏感器的测量偏差尽可能小。

Description

星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法

技术领域

本发明涉及航天和光电设备标定技术领域，具体涉及到星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法。

背景技术

星敏感器是一种以恒星为参照物进行姿态测量的设备，具有精度高、绝对姿态测量的优势，广泛应用于航空航天领域。

星敏感器测量直接得到的是星敏感器测量坐标系在惯性坐标系中的姿态，而在实际应用中一般需要将其转换成卫星在惯性坐标系中的姿态。由于星敏感器的测量坐标系是虚拟不可见的，难以直接得到星敏感器测量坐标系和卫星本体坐标系之间的转换关系。为此我们需要在星敏感器上安装一个基准立方镜，测出星敏感器测量坐标系与基准立方镜坐标系之间的旋转矩阵，通过计算得到星敏感器基准立方镜在惯性坐标系中的姿态，这样卫星方面只需要对星敏感器立方镜进行测量即可，不需要对星敏感器测量坐标系进行处理了。其中星敏感器测量坐标系与基准立方镜之间旋转矩阵的标定是必不可少的环节。

传统的标定星敏感器测量坐标系与基准立方镜之间旋转矩阵的基本方法是：首先将星敏感器固定在转台上，调节星敏感器测量坐标系和转台坐标系的方向一致，然后将自准直光管光轴调节至与星敏测量坐标系靠近星敏光轴方向的坐标轴平行，接着调节转台用自准直光管准直星敏感器立方镜的不同面，从而解算出星敏感器测量坐标系与基准立方镜坐标系之间的旋转矩阵。这种方法的主要缺陷是调节星敏感器测量坐标系与转台坐标系方向一致比较困难，调节精度较低，这会极大影响所需旋转矩阵的标定。

发明内容

本发明的目的在于，克服常规手段标定星敏感器测量坐标系与基准立方镜坐标系之间旋转矩阵过程中操作步骤较复杂、精度较低的缺陷。

为实现上述目的，本发明提出了一种星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法，所述方法包括：

计算经纬仪空间测量坐标系到星敏感器立方镜坐标系之间的旋转矩阵T_mc；

调节平行光管的方向，使其在星敏感器视场范围内发出多组不同方向的平行光，计算多组平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标以及在经纬仪空间测量坐标系下的坐标；

利用多组平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标和在经纬仪空间测量坐标系下的坐标，使用QUEST算法，计算出星敏感器测量坐标系到经纬仪空间测量坐标系的旋转矩阵T_bm；

星敏感器测量坐标系到星敏感器立方镜坐标系的旋转矩阵为T_bc＝T_bmT_mc。

作为上述方法的一种改进，所述计算经纬仪空间测量坐标系到星敏感器立方镜坐标系之间的旋转矩阵T_mc，具体包括：

计算立方镜A面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

计算立方镜B面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

根据右手定则计算出星敏感器上表面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

则旋转矩阵T_mc为：

作为上述方法的一种改进，所述计算立方镜A面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

具体包括：

平行光管对准星敏感器，其发出的平行光在星敏感器视场范围，第一经纬仪准直星敏感器的立方镜A面；对第一经纬仪进行精确调平，建立经纬仪空间测量坐标系，测量得到星敏感器立方镜A面法线方向在经纬仪空间测量坐标系中的坐标；经纬仪空间测量坐标系的坐标轴方向由如下方式确定：用经纬仪A准直星敏感器立方镜A面，通过置零设置此时第一经纬仪的水平方向读数为0度，这时经纬仪所对方向在水平面的投影为X轴，铅垂向上为Z轴，以右手定则确定Y轴；

用第一经纬仪准直星敏感器立方镜A面后，读取经纬仪A的垂直方向读数θ_A，用下式计算出立方镜A面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

作为上述方法的一种改进，所述计算立方镜B面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

具体包括：

将第二经纬仪放置在能够准直星敏感器立方镜B面的位置，对进行精确调平，然后通过让第一经纬仪和第二经纬仪进行互瞄，调整第二经纬仪的水平零位使其和第一经纬仪一致；

用第二经纬仪准直星敏感器立方镜B面，读取第二经纬仪的水平和垂直方向读数(δ_B,θ_B)，用下式计算出立方镜B面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

测量完毕后移走第二经纬仪。

作为上述方法的一种改进，调节平行光管的方向，使其在星敏感器视场范围内发出多组不同方向的平行光，计算多组平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标和在经纬仪空间测量坐标系下的坐标；具体包括：

调节平行光管的方向，使其发出第i束平行光在星敏感器视场范围内，1≤i≤n通过星敏感器对平行光管成像，让星敏感器输出平行光方向在星敏感器测量坐标系下的坐标

其中，平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标计算方法为：

其中，(x_ni,y_ni)是第i束平行光入射到星敏感器上，在图像传感器上形成像点的的质心坐标，f_inv是星敏感器的标定模型；φ₁是标定模型的参数；

将第二经纬仪放置平行光的光路上，对进行精确调平，然后通过让第一经纬仪和第二经纬仪进行互瞄，调整第二经纬仪的水平零位使其和第一经纬仪一致，然后调节第二经纬仪使其准直第i束平行光，读取第二经纬仪的水平和垂直方向读数(δ_Pi,θ_Pi)，用下式计算出平行光方向在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

测量完毕后移走第二经纬仪。

作为上述方法的一种改进，所述星敏感器测量坐标系到经纬仪空间测量坐标系的旋转矩阵T_bm满足：

本发明的优点在于：

本发明的操作标定方法简单；不要求对转台坐标系和星敏感器测量坐标系的方向进行精密调节；测量精度高，能够使得星敏感器的测量偏差尽可能小。

附图说明

图1为本发明的星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提出了一种星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定系统，包括以下步骤：

步骤1)将星敏感器、经纬仪A、平行光管按照图1所示的方式进行摆放，此后在标定过程中保持经纬仪A和星敏感器的位置不发生任何移动。

步骤2)对经纬仪A进行精确调平，建立经纬仪空间测量坐标系，分别测量得到星敏感器立方镜A面和B面法线方向在经纬仪空间测量坐标系中的坐标。

其中，经纬仪空间测量坐标系的坐标轴方向由如下方式确定：用经纬仪A准直星敏感器立方镜A面，通过置零设置此时经纬仪A的水平方向读数为0度，这时经纬仪所对方向在水平面的投影为X轴，铅垂向上为Z轴，以右手定则确定Y轴。

其中，测量星敏感器立方镜A面在经纬仪空间测量坐标系中坐标的方法是：用经纬仪A准直星敏感器立方镜A面后，读取经纬仪A的垂直方向读数θ_A，用下式计算出立方镜A面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

其中，测量星敏感器立方镜B面在经纬仪空间测量坐标系中坐标的方法是：将经纬仪B放置在图1中位置(1)处，对进行精确调平，然后通过让经纬仪A和B进行互瞄调整经纬仪B的水平零位使其和经纬仪A一致，然后用经纬仪B准直星敏感器立方镜B面，读取经纬仪B的水平和垂直方向读数(δ_B,θ_B)，用下式计算出立方镜B面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

测量完毕后移走经纬仪B。

步骤3)计算出经纬仪空间测量坐标系到星敏感器立方镜坐标系之间的旋转矩阵T_mc。

首先需要先根据右手定则计算出星敏感器上表面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

接下来T_mc可由下式得到：

步骤4)调节平行光管的方向，使其发出的光在星敏感器视场范围内，通过星敏感器对平行光管成像，让星敏感器输出平行光方向在星敏感器测量坐标系下的坐标

其中，平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标计算方法为：

其中，(x_n1,y_n1)是像点在图像传感器上的质心坐标，f_inv是星敏感器的标定模型；φ₁是标定模型的参数；

步骤5)用经纬仪B测量出平行光方向在经纬仪测量坐标系中的坐标。

具体方法是：将经纬仪B放置在图1中位置(2)处，对进行精确调平，然后通过让经纬仪A和B进行互瞄调整经纬仪B的水平零位使其和经纬仪A一致，然后调节经纬仪B使其准直平行光，读取经纬仪B的水平和垂直方向读数(δ_P,θ_P)，用下式计算出平行光方向在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

测量完毕后移走经纬仪B。

步骤6)重复进行步骤4)、步骤5)多次，每次调节平行光管的方向时，使其发出的平行光方向和之前的方向不同，并且仍要保持发出光在星敏感器视场范围内。每次重复可以得到一组平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标

和在经纬仪测量坐标系下的坐标

其中i的范围从2到n，n为总共进行步骤4)、5)的次数，n不小于2。

步骤7)利用前面得到的多组平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标

和在经纬仪测量坐标系下的坐标

计算出从星敏感器测量坐标系到经纬仪测量坐标系的旋转矩阵T_bm。

已知平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标和在经纬仪测量坐标系下的坐标满足如下关系：

根据式(6)中的关系，可以使用QUEST算法对从星敏感器测量坐标系到经纬仪测量坐标系的旋转矩阵T_bm进行求解。其中QUEST算法是一种在星敏感器领域中十分常用的姿态求解算法。

步骤8)计算得到星敏感器测量坐标系到星敏感器立方镜坐标系的旋转矩阵T_bc＝T_bmT_mc。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法，所述方法包括：

计算经纬仪空间测量坐标系到星敏感器立方镜坐标系之间的旋转矩阵T_mc；

调节平行光管的方向，使其在星敏感器视场范围内发出多组不同方向的平行光，计算多组平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标以及在经纬仪空间测量坐标系下的坐标；

利用多组平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标和在经纬仪空间测量坐标系下的坐标，使用QUEST算法，计算出星敏感器测量坐标系到经纬仪空间测量坐标系的旋转矩阵T_bm；

星敏感器测量坐标系到星敏感器立方镜坐标系的旋转矩阵为T_bc＝T_bmT_mc。

2.根据权利要求1所述的星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法，其特征在于，所述计算经纬仪空间测量坐标系到星敏感器立方镜坐标系之间的旋转矩阵T_mc，具体包括：

计算立方镜A面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

计算立方镜B面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

根据右手定则计算出星敏感器上表面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

则旋转矩阵T_mc为：

3.根据权利要求2所述的星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法，其特征在于，所述计算立方镜A面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

具体包括：

平行光管对准星敏感器，其发出的平行光在星敏感器视场范围，第一经纬仪准直星敏感器的立方镜A面；对第一经纬仪进行精确调平，建立经纬仪空间测量坐标系，测量得到星敏感器立方镜A面法线方向在经纬仪空间测量坐标系中的坐标；经纬仪空间测量坐标系的坐标轴方向由如下方式确定：用经纬仪A准直星敏感器立方镜A面，通过置零设置此时第一经纬仪的水平方向读数为0度，这时经纬仪所对方向在水平面的投影为X轴，铅垂向上为Z轴，以右手定则确定Y轴；

用第一经纬仪准直星敏感器立方镜A面后，读取经纬仪A的垂直方向读数θ_A，用下式计算出立方镜A面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

4.根据权利要求3所述的星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法，其特征在于，所述计算立方镜B面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

具体包括：

将第二经纬仪放置在能够准直星敏感器立方镜B面的位置，对进行精确调平，然后通过让第一经纬仪和第二经纬仪进行互瞄，调整第二经纬仪的水平零位使其和第一经纬仪一致；

用第二经纬仪准直星敏感器立方镜B面，读取第二经纬仪的水平和垂直方向读数(δ_B,θ_B)，用下式计算出立方镜B面法线在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

测量完毕后移走第二经纬仪。

5.根据权利要求4所述的星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法，其特征在于，调节平行光管的方向，使其在星敏感器视场范围内发出多组不同方向的平行光，计算多组平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标和在经纬仪空间测量坐标系下的坐标；具体包括：

调节平行光管的方向，使其发出第i束平行光在星敏感器视场范围内，1≤i≤n通过星敏感器对平行光管成像，让星敏感器输出平行光方向在星敏感器测量坐标系下的坐标

其中，平行光在星敏感器测量坐标系下的坐标计算方法为：

其中，(x_ni,y_ni)是第i束平行光入射到星敏感器上，在图像传感器上形成像点的质心坐标，f_inv是星敏感器的标定模型；φ₁是标定模型的参数；

将第二经纬仪放置平行光的光路上，对进行精确调平，然后通过让第一经纬仪和第二经纬仪进行互瞄，调整第二经纬仪的水平零位使其和第一经纬仪一致，然后调节第二经纬仪使其准直第i束平行光，读取第二经纬仪的水平和垂直方向读数(δ_Pi,θ_Pi)，用下式计算出平行光方向在经纬仪空间测量坐标系中的坐标

测量完毕后移走第二经纬仪。

6.根据权利要求5所述的星敏感器测量坐标系与星敏感器立方镜坐标系间的标定方法，其特征在于，所述星敏感器测量坐标系到经纬仪空间测量坐标系的旋转矩阵T_bm满足：

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