CN112683307B - 一种星敏感器星点质心位置精度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星敏感器星点质心位置精度测量方法，包括步骤为：(1)获取星敏感器的焦距、主点坐标等系统参数，搭建实验系统并标定好零位，记录模拟的恒星星等信息；(2)转动转台获取星敏感器的星点坐标以及对应的不同转台位置，并在不同的转台位置多次采集星点质心坐标并求每个位置处的均值；(3)根据获取的转台位置以及星敏感器在转台上的安装位置、单星模拟平行光管的位置关系，计算得到两个恒星的理论星对角距；(4)计算测量得到的两两星点之间的星对角距测量值；(5)计算星对角距误差及其标准差；(6)根据推导的星点质心位置标准差与星对角距标准差之间的转换公式，计算出星点质心位置标准差。

Description

一种星敏感器星点质心位置精度测量方法

技术领域

本发明属于星敏感器测量技术领域，具体涉及一种星敏感器星点质心位置精度测量方法。

背景技术

星敏感器是一种高精度的姿态测量设备，通常用在卫星、舰船、飞机等平台上实现对载体的姿态测量。星敏感器的姿态测量精度通常用姿态角精度进行评价，这也是评价星敏感器姿态精度的最直接的一项指标。该指标与恒星星点质心位置测量精度、参与计算的恒星数目、恒星在视场中的分布特征以及探测器像元分辨率等因素都相关，而其中恒星星点质心位置测量精度是影响星敏感器姿态测量精度的一个最重要因素。对于卫星平台姿态测量用的匹配式星敏感器，通常用姿态测量精度直接评价星敏感器的测量精度，较少使用星点质心位置精度对其进行评价。然而，近年来，随着星敏感器技术的进步，星敏感器除了用于卫星平台进行单纯的姿态测量任务外，还被拓展应用到大气层内的多种平台，与惯性导航系统组合使用，实现组合定姿与定位。这一类星敏感器大多数采用单星跟踪的方式(也可称为星跟踪器)，即：瞬时视场内只有一颗恒星，通过对单颗恒星的搜索、捕获、跟踪和提取等步骤获取恒星的方位和俯仰角信息，并实现对惯性导航系统的误差校正，最终实现高精度的组合定姿与定位。对于这种类型的星敏感器，单星星点质心位置精度是一项非常重要的评价指标。

目前，由于对于单颗星点而言，星敏感器无法准确获取其理论星点质心位置，因此对星点质心位置精度很难进行直接测量。目前已有方法多数是通过理论或计算机仿真的方法对星点质心位置精度进行评估，甚至采用星点位置坐标的重复性测量精度指标对其进行评价，这些方法得到的星点质心位置测量精度指标误差较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有方法对星点质心位置测量精度评价误差大这个不足，提供了一种星点质心位置精度的实验测量与理论评估相结合的测量方法，可以解决对星敏感器星点质心位置精度评价不准确的问题，进而实现对单星工作模式的星敏感器的探测性能进行合理评价。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种星敏感器星点质心位置精度测量方法，包括步骤为：

步骤(1)、获取星敏感器的焦距、主点坐标系统参数，搭建实验系统并标定好零位，记录模拟的恒星星等信息；

步骤(2)、转动转台获取星敏感器的星点坐标以及对应的不同转台位置，并在不同的转台位置多次采集星点质心坐标并求每个位置处的均值；

步骤(3)、根据获取的转台位置以及星敏感器在转台上的安装位置、单星模拟平行光管的位置关系，计算得到两个恒星的理论星对角距；

步骤(4)、计算测量得到的两两星点之间的星对角距测量值；

步骤(5)、计算星对角距误差及其标准差；

步骤(6)、根据推导的星点质心位置标准差与星对角距标准差之间的转换公式，计算出星点质心位置标准差。

进一步地，一种星敏感器星点质心位置精度测量方法，包括如下步骤：

步骤(1)可获取的星敏感器的参数包括：焦距f、主点坐标(x₀,y₀)、光学视场FOV、探测器有效面阵大小N×N、探测器像元大小p参数；

步骤(2)中的具体方法，包括以下子步骤：

步骤(2-1)：在某恒星星等条件下，转台位置为(E_j，A_j)(j＝1，…，q)时，拍摄n(n>50)张星点图像，并提取星点质心位置坐标(x_ij，y_ij)(i＝1，…，n)；

步骤(2-2)：计算得到该转台位置对应的星点质心坐标的平均值，即每一个转台位置对应的星点质心坐标(x_j，y_j)计算公式为：

其中：(x_ij，y_ij)为第j个转台位置采集得到的第i次星点质心位置坐标，n代表采集次数，(x_j，y_j)为第j个转台位置对应的星点坐标的平均值。

步骤(2-3)：改变单星模拟器模拟输出的恒星星等，重复上述步骤(2-1)和步骤(2-2)，获取不同模拟恒星星等条件下的该转台位置对应的星点坐标的平均值。

步骤(3)中计算得到两个恒星的理论星对角距的具体方法：根据获取的转台位置(E_j，A_j)以及星敏感器在转台上的安装位置、单星模拟平行光管的位置关系，可得到该恒星的理论入射方向，计算公式如下：

再计算模拟的每两颗恒星之间的理论星对角距，计算公式为：

其中算式

为两个方向向量

和

的点积，

步骤(4)中计算测量得到的两两星点之间的星对角距测量值的方法为：每个星点坐标(x_j，y_j)对应的方向向量V_j的计算公式为：

其中

再计算测量得到的每两颗恒星之间的星对角距，计算公式为：

θ_k＝acos(V_j1·V_j2)，(k＝1，…，m)

其中V_j1·V_j2为两个星点方向向量V_j1和V_j2的点积，即有：

步骤(5)中计算星对角距误差及其标准差的方法：利用星点质心位置实测值计算的星对角距与转台位置计算的理论星对角距比较，得到星对角距误差，计算公式为：

星对角距测量标准差为：

其中

步骤(6)中计算出星点质心位置标准差的方法：根据星对角距计算公式：

不考虑焦距因素，推导可得星对角距标准差σ_θ与星点质心位置测量标准差σ之间的关系为：

其中，

N＝x₁x₂+y₁y₂+f²，由上式可得到星点质心位置的标准差σ。

综上所述，本发明方法提出了一种利用星点质心位置实测值计算的星对角距与通过转台位置计算的理论星对角距比较，得到星对角距误差；再在此基础上理论推导星对角距误差与星点质心位置误差的关系；最后计算得到星点质心位置精度，为星点质心位置精度的评估提供了一种可行的评价手段。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用实验室测量与理论计算相结合的方法实现对星敏感器的星点质心位置精度的测量和评估，方法简单易行、准确可靠；

(2)本发明提出的星敏感器的星点质心位置精度测量方法，可用于卫星平台大视场匹配式星敏感器，为其光电成像系统本身的成像性能评价提供了一种有效手段。

(3)本发明提出的星敏感器的星点质心位置精度测量方法，可用于大气层内的舰船、飞机等多种平台的单星跟踪式星敏感器，为其光电成像系统本身的成像性能评价提供了有效手段。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明提供的星敏感器测试系统示意图；

图3为本发明的一个实施例的星对角距测量误差曲线；

图中：1为光学平台，2为单星模拟器，3为长焦距平行光管，4为二维转台，5为转台控制计算机，6为星敏感器，7为数据采集处理计算机，8为自准直经纬仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细阐述：

实验采用的系统可以如图2所示，具体实验过程如下：

第一步：搭建实验系统；

a)利用自准直经纬仪8，建立二维转台4与长焦距平行光管3内回转面的垂直关系，星敏感器基准面安装在内回转面上后，调正星敏感器6位置，使得单星模拟器2发出的星点经长焦距平行光管3后垂直入射星敏感器6探测器面阵。将此刻二维转台4位置记为相对零位(E＝0°，A＝0°)；长焦距平行光管3和单星模拟器2组成单星模拟平行光管；

第二步：采集二维转台4的方位和俯仰角数据与对应的星点质心坐标；

打开数据采集处理计算机7中星敏感器数据采集处理软件，存储星点质心位置100次，并求其均值P00＝(x0，y0)；

转台俯仰角转动1°后，记录此刻二维转台4位置(E＝1°，A＝0°)，并采集此时的星点质心位置100次，并计算出均值，记为P10；

以此方式，以转动俯仰角1°间隔，正负两个方向转动俯仰角，并记录每个位置对应的星点质心位置的均值；

f)转台俯仰角回到0位，同样方式转动方位角，并记录相应的星点质心位置的均值。

g)测量结果如表1所示：

表1测量结果

序号	方位角A<sub>j</sub>(°)	俯仰角E<sub>j</sub>(°)	x<sub>j</sub>(pixel)	y<sub>j</sub>(pixel)	备注
						1	0	-3	1285.40	1130.37	P0-3
2	0	-2	1209.24	1130.05	P0-2
						3	0	-1	1133.09	1129.83	P0-1
4	0	0	1056.14	1130.45	P00
						5	0	1	979.82	1130.22	P01
6	0	2	904.47	1129.00	P02
						7	0	3	827.31	1129.51	P03
8	-3	0	1055.82	1358.73	P-30
						9	-2	0	1056.35	1281.97	P-20
10	-1	0	1056.16	1206.15	P-10
						11	1	0	1056.90	1053.85	P10
12	2	0	1057.44	977.03	P20
						13	3	0	1057.14	901.23	P30

第三步：计算理论星对角距；

根据获取的转台位置(E_j，A_j)以及星敏感器6在转台上的安装位置、单星模拟平行光管3的位置关系，可计算得到恒星的理论入射方向，计算公式如下：

计算两颗恒星之间的理论星对角距，计算公式为：

其中

为两个方向向量

和

的点积，

第四步：计算测量得到的星对角距；

计算测量得到的每个星点坐标(x_j，y_j)对应的方向向量

计算公式为：

其中

计算测量得到的两两星点之间的星对角距，计算公式为：

θ_k＝acos(V_j1·V_j2)，(k＝1，…，m)

其中，算式V_j1·V_j2为两个星点方向向量V_j1和V_j2的点积，即有：

第五步：计算星对角距误差及其标准差；

计算星对角距误差：

星对角距测量标准差为：

其中，

第六步：计算星点质心位置误差；

不考虑焦距因素，星对角距标准差σ_θ与星点质心位置测量标准差σ之间的关系为：

其中，

N＝x₁x₂+y₁y₂+f²，由上式可得到星点质心位置的标准差σ。

Claims (3)

1.一种星敏感器星点质心位置精度测量方法，其特征在于：包括步骤为：

步骤(1)、获取星敏感器的焦距f、主点坐标(x₀,y₀)，搭建实验系统并标定好零位，记录模拟的恒星星等信息；

步骤(2)、转动转台获取星敏感器的星点坐标以及对应的不同转台位置，并在不同的转台位置多次采集星点质心坐标并求每个位置处的均值；

步骤(3)、根据获取的转台位置以及星敏感器在转台上的安装位置、单星模拟平行光管的位置关系，计算得到两个恒星的理论星对角距；

步骤(4)、计算测量得到的两两星点之间的星对角距测量值；

步骤(5)、计算星对角距误差及其标准差；

步骤(6)、根据推导的星点质心位置标准差与星对角距标准差之间的转换公式，计算出星点质心位置标准差；

其中，步骤(3)中计算得到两个恒星的理论星对角距的具体方法：根据获取的转台位置(E_j，A_j)以及星敏感器在转台上的安装位置、单星模拟平行光管的位置关系，可得到该恒星的理论入射方向，计算公式如下：

再计算模拟的每两颗恒星之间的理论星对角距，计算公式为：

其中：算式

为两个方向向量

和

的点积，

步骤(4)中计算测量得到的两两星点之间的星对角距测量值的方法为：每个星点坐标(x_j，y_j)对应的方向向量V_j的计算公式为：

其中，

再计算测量得到的每两颗恒星之间的星对角距，计算公式为：

θ_k＝acos(V_j1·V_j2)，(k＝1,…,m)

其中：算式V_j1·V_j2为两个星点方向向量V_j1和V_j2的点积，即有：

步骤(5)中计算星对角距误差及其标准差的方法：利用星点质心位置实测值计算的星对角距θ_k与转台位置计算的理论星对角距

比较，得到星对角距误差Δθ，计算公式为：

星对角距测量标准差为：

其中：

步骤(6)中计算出星点质心位置标准差的方法：根据星对角距计算公式：

不考虑焦距因素，推导可得星对角距标准差σ_θ与星点质心位置测量标准差σ之间的关系为：

其中，

N＝x₁x₂+y₁y₂+f²，由上式可得到星点质心位置的标准差σ。

2.根据权利要求1所述的一种星敏感器星点质心位置精度测量方法，其特征在于：步骤(1)获取的星敏感器的参数还包括：光学视场FOV、探测器有效面阵大小N×N、探测器像元大小p参数。

3.根据权利要求1所述的一种星敏感器星点质心位置精度测量方法，其特征在于：步骤(2)中的具体方法，包括以下子步骤：

步骤(2-1)：在某恒星星等条件下，转台位置为(E_j，A_j)(j＝1,…,q)时，拍摄n张星点图像，n>50，并提取星点质心位置坐标(x_ij，y_ij)(i＝1,…,n)；

步骤(2-2)：计算得到该转台位置对应的星点质心坐标的平均值，即每一个转台位置对应的星点质心坐标(x_j，y_j)计算公式为：

其中：(x_ij，y_ij)为第j个转台位置采集得到的第i次星点质心位置坐标，n代表采集次数，(x_j，y_j)为第j个转台位置对应的星点坐标的平均值；

步骤(2-3)：改变单星模拟器模拟输出的恒星星等，重复上述步骤(2-1)和步骤(2-2)，获取不同模拟恒星星等条件下的该转台位置对应的星点坐标的平均值。

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