CN111426335A - 一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法，具体步骤为：在星敏感器视场范围内规划不同尺度的标定轨迹，大范围标定轨迹以一定密度和均匀度保证覆盖全视场，小范围的标定点则分布在每一个标定点为中心的几个像素范围内；采集暗场图像后由转台带动星敏感器按预设的不同尺度的标定轨迹同步嵌套的方式逐点移动；待标定的星敏感器对所有标定预设位置处的星点成像，采集窗口图像数据及对应的转台转角数据；根据小尺度范围数据有效分离像素高频空间误差，处理得到的星点坐标数据和转台数据进行视场空间低频误差拟合，最终获得星敏感器视场低频误差标定系数。本方法能有效降低标定残差，为星敏感器产品精度指标的提升奠定基础。

Description

一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法

技术领域

本发明涉及一种星敏感器视场低频误差地面标定方法，特别是一种基于误差分离思想的星敏感器视场低频误差标定方法。

背景技术

星敏感器作为一种高精度姿态测量部件，广泛应用于卫星、飞船等航天器上。其基本原理是采用图像传感器拍摄恒星图像，经过星图处理得到航天器的三轴惯性姿态。随着技术的发展，对星敏感器的精度指标提出了越来越高的要求。

星敏感器的像素空间高频误差和视场空间低频误差是决定其测量精度的关键。以往星敏感器误差的地面标定方法，一般采用单星模拟器加转台的方式进行全视场标定或者全视场分区标定。采用该方法能够满足角秒级、亚角秒级精度水平的产品需求。当指向测量精度需求达到优于0.1角秒及其以上的极高精度水平时，在亚角秒量级精度的产品标定时可忽略的暗电流噪声、像素空间高频误差带来的影响已不容忽视。若不进行误差分离考虑，则很难对视场低频误差进行有效标定，传统的标定方式已无法发挥作用。

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视场低频误差的地面标定方法，实现星敏感器全视场不同尺度数据采样的误差分离标定。

本发明的技术解决方案是：一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法，步骤如下：

(1)星敏感器安装于暗室中的二轴高精度转台上，模拟星敏感器工作的真空以及温度环境；转台调整至零位，连续采集多帧暗场图像数据并存储；

(2)根据星敏感器视场大小及像素尺寸，设定不同尺度的标定轨迹，具体包括大范围标定轨迹和小范围标定轨迹；所述大范围标定轨迹为覆盖全视场的均匀分布且密度合理的矩阵网格或其他分布形式；小范围标定轨迹则是以上述大范围内的每个标定点为中心，以若干像元数为半径的圆形轨迹或不规则轨迹；小范围标定轨迹的数量等于大范围标定轨迹所包含的点数；

(3)根据步骤(2)中设定的大范围标定轨迹，计算当前大范围标定点对应的转台位置并控制转台带动星敏感器转动到该位置；转台到位稳定后，星敏感器对平行光管模拟的单星点进行曝光成像，采集多组当前大范围标定点位置下的星点窗口图像数据及对应的转台俯仰角和偏航角数据并存储；

(4)当前大范围标定点位置下的星点窗口图像数据及对应的转台俯仰角和偏航角数据采集完成后，根据步骤(2)中设定的小范围标定轨迹，计算以步骤(3)中当前大范围标定点为中心的小范围标定点对应的转台位置并控制转台带动星敏感器转动至该位置；转台到位稳定后，星敏感器对平行光管模拟的单星点进行曝光成像，采集多组当前小范围标定点位置下的星点窗口图像数据及对应的转台俯仰角和偏航角数据并存储；

(5)若小范围标定点位置下的星点窗口图像数据及对应的转台俯仰角和偏航角数据采集结束，则执行步骤(3)中下一个大范围标定点位置下的数据采集，否则重复执行步骤(4)；按照大范围、小范围标定轨迹同步嵌套的方式逐点完成数据采集；

(6)将步骤(1)中采集到的暗场图像数据，进行多帧平均处理得到暗电流噪声背景图像；

(7)将步骤(3)、(4)、(5)中采集到的所有星点窗口图像数据减去步骤(6)得到的暗电流噪声背景图像，从减背景处理后的星点窗口图像中提取星点位置；将同一标定点位置下的多组星点坐标进行时域上的平均后得到该标定点位置对应的星点坐标；

(8)将步骤(7)中得到的标定点位置对应的星点坐标按照步骤(2)设定的标定轨迹进行分组；将小范围标定点的星点坐标通过平均处理得到该小范围标定轨迹所对应的大范围标定点位置最终的星点坐标数据，完成小范围误差分离，得到误差分离后的星点坐标数据；

(9)根据误差分离后的星点坐标数据以及步骤(3)得到的全视场大范围采样得到的转台俯仰角和偏航角数据，采用最小二乘方法得到标定系数。完成星敏感器视场低频误差的地面标定。

所述步骤(2)中设定不同尺度的标定轨迹，首先是全视场尺度下的大范围标定轨迹，具体为均匀划分的矩阵网格点或覆盖全视场范围内的其他轨迹；然后以大范围标定轨迹上的每个标定点为中心，以5～15个像素为半径规划小范围标定轨迹，具体为圆圈或不规则轨迹。

所述步骤(3)和(4)中获取大范围、小范围标定点位置下的星点窗口图像数据及对应的转台俯仰角和偏航角数据的方式为：按照视场范围内不同尺度标定轨迹，以同步嵌套的方式一次性完成标定试验。

所述步骤(7)中通过将各个标定点位置下采集的星点窗口图像减去步骤(6)得到的暗电流噪声背景图像，有效分离暗电流噪声带来的标定残差影响。

所述步骤(8)和步骤(9)将小范围标定点的星点坐标通过平均处理得到该小范围标定轨迹所对应的大范围标定点位置最终的星点坐标数据，完成小范围误差分离，进而对全视场范围的空间低频误差进行针对性标定处理，最终得到星敏感器标定参数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)通过采集暗场图像，多帧平均处理得到的暗电流背景图像，对标定采集的图像数据进行处理，可有效分离暗电流噪声带来的标定残差影响。

(2)依据视场低频空间误差在小范围内的一致性以及像素空间高频误差的随机特性，设计星敏感器视场范围内不同尺度标定轨迹，以同步嵌套的方式一次性完成标定试验。提供了极高精度指向测量产品视场低频误差标定的新方法。

(3)根据视场范围内不同尺度的数据采样信息，通过分析星点在不同位置时的能量变化有效分离像素空间高频误差和视场低频空间误差，使得视场误差标定更具有针对性，标定残差较传统方法降低显著，是提升指向测量精度的新思路。

附图说明

图1为本发明标定试验示意图；

图2为本发明流程图；

图3为本发明标定轨迹示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

图1为本发明星敏感器标定试验布局图，包括单星模拟器、高精度二轴转台以及待标定的星敏感器。其中星敏感器探头对星点成像并将图像传输给DPU。测试计算机同时采集星点图像数据以及转台转角数据。为尽可能模拟空间环境，在暗室以及真空高低温环境下开展试验。

如图2所示，本发明提出了一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法，步骤如下：

(1)星敏感器安装于暗室中的二轴高精度转台上，转台调整至零位。抽真空并保持气压稳定，控温至星敏感器工作温度水平。连续采集N帧暗场图像数据并存储，N取决于待标定星敏感器的暗电流水平；

(2)根据星敏感器视场大小及像素尺寸，设定不同尺度的标定轨迹。以图3所示的一种方案为例：全视场范围内标定轨迹为31×31的矩阵网格点；小范围尺度上标定轨迹则是以上述网格点为中心，以6个像元数为半径、以弧长20°为移动步距的圆形轨迹；

(3)根据上述预设的全视场标定网格点，计算转台位置并控制转台带动产品移动至目标位置，转台到位稳定后控制星敏感器对平行光管模拟的单星点曝光成像。当前成像位置需连续测量，采集多组星敏感器窗口图像以及对应的转台俯仰角和偏航角数据并存储；

(4)步骤(3)中当前位置标定点数据采集完成后，以该点为中心进行小范围的全方位采样。具体方式是按照步骤(2)中设定的小范围采样轨迹中的中心位置、半径以及移动步长计算转台对应转角，控制转台带动产品移动至小范围位置点。每到达一个采样点转台稳定后，同样连续多次测量，采集多组当前位置下的星敏感器窗口图像，同时存储对应的转台俯仰角和偏航角数据；

(5)若小范围数据采集结束，则执行步骤(3)中下一个全视场网格点的数据采集。如此重复进行步骤(4)和步骤(3)，直至完成步骤(2)中设定的所有标定点数据的采集；

(6)将步骤(1)中获取的暗场图像，进行多帧平均处理得到暗电流噪声背景图像Imgdark；

(7)将步骤(3)(4)(5)中采集到的所有星点窗口图像进行减背景处理，具体方法是:

Imgwin_process＝Imgwin-Imgdark_win

其中Imgdark_win指的是从背景图像中截取的对应窗口背景图；通过星点提取算法计算每一帧处理后的窗口图Imgwin_process中的星点位置坐标(u_i,v_i)，将同一标定位置处连续多次测量并提取到的坐标进行时域上的平均得到最终的星点坐标(U,V)；

(8)将步骤(7)中得到的星点坐标根据标定尺度范围进行数据分组，全视场标定星点数据为(U_fov,V_fov)，其对应的转台数据为(pitch，yaw)；将小范围标定星点数据通过平均处理得到与全视场星点位置一一对应的一组数据(U_min,V_min)，完成小范围误差分离；

(9)根据误差分离后的星点数据以及全视场范围采样得到的转台转角数据，采用曲面方程拟合星点位置和转台转角代表的理想位置之间的关系。最终通过最小二乘方法得到待定系数K。

所述步骤(2)中预设标定轨迹，首先是全视场尺度下的标定轨迹，可以是均匀划分的矩阵网格点或视场范围内的随机标定点，确定原则是尽可能在全视场均匀分布且密度足够；然后以以上每个点为中心，以5～15个像素为半径规划小范围标定轨迹，可以是圆圈，也可以是不规则轨迹。

所述步骤(3)和(4)中获取标定数据的方式为按照视场范围内不同尺度标定轨迹，以同步嵌套的方式一次性完成标定试验。转台每到达一个预定点，根据转角计算出星点在星敏感器视场内的具体位置后开窗获得对应的多帧窗口图像。

所述步骤(8)和步骤(9)通过对各标定点小范围内全方位采样并平均处理的方式分离像素空间高频误差，进而对全视场范围的空间低频误差进行针对性标定处理，最终得到星敏感器标定参数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法，其特征在于步骤如下：

(1)星敏感器安装于暗室中的二轴高精度转台上，模拟星敏感器工作的真空以及温度环境；转台调整至零位，连续采集多帧暗场图像数据并存储；

(2)根据星敏感器视场大小及像素尺寸，设定不同尺度的标定轨迹，具体包括大范围标定轨迹和小范围标定轨迹；所述大范围标定轨迹为覆盖全视场的均匀分布且密度合理的矩阵网格或其他分布形式；小范围标定轨迹则是以上述大范围内的每个标定点为中心，以若干像元数为半径的圆形轨迹或不规则轨迹；小范围标定轨迹的数量等于大范围标定轨迹所包含的点数；

(3)根据步骤(2)中设定的大范围标定轨迹，计算当前大范围标定点对应的转台位置并控制转台带动星敏感器转动到该位置；转台到位稳定后，星敏感器对平行光管模拟的单星点进行曝光成像，采集多组当前大范围标定点位置下的星点窗口图像数据及对应的转台俯仰角和偏航角数据并存储；

(4)当前大范围标定点位置下的星点窗口图像数据及对应的转台俯仰角和偏航角数据采集完成后，根据步骤(2)中设定的小范围标定轨迹，计算以步骤(3)中当前大范围标定点为中心的小范围标定点对应的转台位置并控制转台带动星敏感器转动至该位置；转台到位稳定后，星敏感器对平行光管模拟的单星点进行曝光成像，采集多组当前小范围标定点位置下的星点窗口图像数据及对应的转台俯仰角和偏航角数据并存储；

(5)若小范围标定点位置下的星点窗口图像数据及对应的转台俯仰角和偏航角数据采集结束，则执行步骤(3)中下一个大范围标定点位置下的数据采集，否则重复执行步骤(4)；按照大范围、小范围标定轨迹同步嵌套的方式逐点完成数据采集；

(6)将步骤(1)中采集到的暗场图像数据，进行多帧平均处理得到暗电流噪声背景图像；

(7)将步骤(3)、(4)、(5)中采集到的所有星点窗口图像数据减去步骤(6)得到的暗电流噪声背景图像，从减背景处理后的星点窗口图像中提取星点位置；将同一标定点位置下的多组星点坐标进行时域上的平均后得到该标定点位置对应的星点坐标；

(8)将步骤(7)中得到的标定点位置对应的星点坐标按照步骤(2)设定的标定轨迹进行分组；将小范围标定点的星点坐标通过平均处理得到该小范围标定轨迹所对应的大范围标定点位置最终的星点坐标数据，完成小范围误差分离，得到误差分离后的星点坐标数据；

(9)根据误差分离后的星点坐标数据以及步骤(3)得到的全视场大范围采样得到的转台俯仰角和偏航角数据，采用最小二乘方法得到标定系数。完成星敏感器视场低频误差的地面标定。

2.根据权利要求1所述的一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法，其特征在于：所述步骤(2)中设定不同尺度的标定轨迹，首先是全视场尺度下的大范围标定轨迹，具体为均匀划分的矩阵网格点或覆盖全视场范围内的其他轨迹；然后以大范围标定轨迹上的每个标定点为中心，以5～15个像素为半径规划小范围标定轨迹，具体为圆圈或不规则轨迹。

3.根据权利要求1所述的一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法，其特征在于：所述步骤(3)和(4)中获取大范围、小范围标定点位置下的星点窗口图像数据及对应的转台俯仰角和偏航角数据的方式为：按照视场范围内不同尺度标定轨迹，以同步嵌套的方式一次性完成标定试验。

4.根据权利要求1所述的一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法，其特征在于：所述步骤(7)中通过将各个标定点位置下采集的星点窗口图像减去步骤(6)得到的暗电流噪声背景图像，有效分离暗电流噪声带来的标定残差影响。

5.根据权利要求1所述的一种星敏感器视场低频误差的地面标定方法，其特征在于：所述步骤(8)和步骤(9)将小范围标定点的星点坐标通过平均处理得到该小范围标定轨迹所对应的大范围标定点位置最终的星点坐标数据，完成小范围误差分离，进而对全视场范围的空间低频误差进行针对性标定处理，最终得到星敏感器标定参数。

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