CN114264451A - 一种基于共基准光轴夹角实时监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于共基准光轴夹角实时监测系统及方法，提升遥感影像的地面定位精度。所述系统包括公共基准模块、相机传导棱镜组、星敏传导棱镜组、相机光轴测量收发模块组、星敏光轴测量接收模块、相机及星敏；所述相机传导棱镜组包括第一相机传导棱镜、第二相机传导棱镜、第三相机传导棱镜及第四相机传导棱镜；星敏传导棱镜组，所述星敏传导棱镜组包括第一星敏传导棱镜、第二星敏传导棱镜、第三星敏传导棱镜、第四星敏传导棱镜；所述相机光轴测量收发模块组包括第一相机光轴测量收发模块及第二相机光轴测量收发模块。

Description

一种基于共基准光轴夹角实时监测系统及方法

技术领域

本发明涉及光学遥感领域，具体涉及一种基于共基准光轴夹角实时监测系统及方法。

背景技术

在光学遥感卫星系统中，为了获取高精度地面无控制点条件下的图像定位精度，需要获取高精度相机光轴指向。为了获取相机光轴指向，通常基于星敏、陀螺等姿态测量敏感器测量卫星姿态的基础上，利用星敏光轴与相机光轴间的绝对夹角标定结果，得出相机光轴指向结果。然而光学遥感卫星在轨运行过程中，受引力、热等外部环境因素影响以及内部热耗影响，星敏感器光轴与相机光轴之间的夹角存在一定的变化，这种变化如不加以控制或消除，将极大地影响遥感图像定位精度，制约遥感卫星的应用性能。

为了提高相机光轴指向的精度，通常将姿态敏感器与相机一体化集成设计和安装，减少中间环节的误差传递，保证相机与星敏感器之间的夹角稳定性，这种措施能够在一定程度上减小相机光轴指向的确定误差，然而对热控精度、大尺寸高稳定结构的要求较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于共基准光轴夹角实时监测系统及方法，能够解决相机光轴的指向问题，通过在轨实时测量星敏光轴与相机光轴间的夹角相对变化，经过地面补偿处理实现相机光轴的高精度指向确定，提升遥感影像的地面定位精度。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种基于共基准光轴夹角实时监测系统，包括：

公共基准模块、相机传导棱镜组、星敏传导棱镜组、相机光轴测量收发模块组、星敏光轴测量接收模块、相机及星敏；所述相机传导棱镜组包括第一相机传导棱镜、第二相机传导棱镜、第三相机传导棱镜及第四相机传导棱镜；星敏传导棱镜组，所述星敏传导棱镜组包括第一星敏传导棱镜、第二星敏传导棱镜、第三星敏传导棱镜、第四星敏传导棱镜；所述相机光轴测量收发模块组包括第一相机光轴测量收发模块及第二相机光轴测量收发模块；

所述公共基准模块包括平面基准镜组及星敏光轴测量发射组；所述平面基准镜组包括第一平面基准镜单元及第二平面基准镜单元；所述星敏光轴测量发射组包括第一星敏光轴测量发射单元及第二星敏光轴测量发射单元；

所述第一相机光轴测量收发模块及第二相机光轴测量收发模块均由激光光源单元和激光接收单元组成，所述第一相机光轴测量收发模块包括第一激光光源单元及第一激光接收单元，所述第二相机光轴测量收发模块包括第二激光光源单元及第二激光接收单元；所述第一相机光轴测量收发模块及第二相机光轴测量收发模块分别设置于相机探测器的两端，所述第一相机光轴测量收发模块及第二相机光轴测量收发模块分别与所述相机探测器共成像集平面，且所述第一相机光轴测量收发模块及第二相机光轴测量收发模块分别与所述相机探测器刚性连接；所述第一激光光源单元发射的光经过相机的光学系统与相机传导棱镜组到达第一平面基准镜单元，再由所述第一平面基准镜单元反射后原路返回，经过所述相机传导棱镜组与相机的光学系统后在第一激光接收单元处形成第一自准直像，从形成的所述第一自准直像中获取第一光斑位置信息；所述第二激光光源单元发射的光经过相机的光学系统与相机传导棱镜组到达第二平面基准镜单元，再由所述第二平面基准镜单元反射后原路返回，经过所述相机传导棱镜组与相机的光学系统后在第一激光接收单元处形成第二自准直像，从形成的所述第二自准直像中获取第二光斑位置信息；所述第一相机光轴测量收发模块及第二相机光轴测量收发模块发出的光束、接收的光束与相机的成像光束共光路，占据相机光学系统的边缘视场；

所述星敏光轴测量接收模块也称为星敏探测器，是星敏的探测器硬件模块，所述星敏光轴测量接收模块分时工作，分别完成对星空的成像和对激光光斑的接收，所述对星空的成像即采用星敏光学系统和星敏探测器完成对星空成像的功能，所述对激光光斑的接收即接收公共基准模块中的第一星敏光轴测量发射单元及第二星敏光轴测量发射单元分别发出的准直光，两束准直光分别经过所述星敏传导棱镜组、星敏光学系统，在星敏光轴测量接收模块上分别形成光斑图像；获取各个光斑的位置信息；第一星敏光轴测量发射单元及第二星敏光轴测量发射单元发出的两个光束与星敏的星空成像光束共光路；星敏探测器，即所述星敏光轴测量接收模块，用于分时完成激光光斑的接收和星空成像；所述星敏光轴测量接收模块对光斑的曝光成像与公共基准模块中的第一星敏光轴测量发射单元及第二星敏光轴测量发射单元的工作时序一致。

优选地，所述公共基准模块为从星敏光轴到相机光轴的过渡基准，所述公共基准模块由光学材料组成，刚性固定所述第一平面基准镜单元、第二平面基准镜单元、第一星敏光轴测量发射单元、及第二星敏光轴测量发射单元；第一星敏光轴测量发射单元、及第二星敏光轴测量发射单元，分别发出激光准直光，两束激光不平行。

优选地，所述公共基准模块的光学材料为微晶玻璃。

优选地，所述平面基准镜组在光学材料表面镀反射膜形成相机光轴测量收发模块的自准直平面。

本发明所提供的一种基于共基准光轴夹角实时监测方法，基于如前所述共基准光轴夹角实时监测系统，所述方法包括：

步骤S11：由第一相机光轴测量收发模块的激光光源单元产生第一激光束，第二相机光轴测量收发模块的激光光源单元产生第二激光束；所述第一激光束与第二激光束不平行，且分别位于相机的左、右视场；使两束激光分别逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输，经过各自对应的传导棱镜后入射到对应的平面基准镜上，经过平面基准镜反射，使两束激光分别原路返回；在返回过程中，两束激光分别再次经过传导棱镜、相机光学系统后，分别成像在相机焦平面分视场的第一激光接收单元、第二激光接收单元上；分别计算两束激光在采样时刻下在各自对应的激光接收单元上光斑位置的变化，确定相机光轴在采样时刻下绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S12：位于公共基准模块的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元分别发射彼此不平行的激光，两束激光均为准直光，使两束激光传输进入星敏光学系统内部，在星敏对星空成像的间隙在星敏光轴测量接收模块上分别成光斑像，计算两束激光在采样时刻下星敏光轴测量接收模块上光斑位置的变化，确定星敏光轴在采样时刻下绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S13：基于相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵；根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵；结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

本发明所提供的一种基于共基准光轴夹角实时监测方法，基于如前所述共基准光轴夹角实时监测系统，所述方法包括：

步骤S21：位于公共基准模块的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元分别发射彼此不平行的激光，两束激光均为准直光，使两束激光传输进入星敏光学系统内部，在星敏对星空成像的间隙在星敏光轴测量接收模块上分别成光斑像，计算两束激光在采样时刻下星敏光轴测量接收模块上光斑位置的变化，确定星敏光轴在采样时刻下绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S22：由第一相机光轴测量收发模块的激光光源单元产生第一激光束，第二相机光轴测量收发模块的激光光源单元产生第二激光束；所述第一激光束与第二激光束不平行，且分别位于相机的左、右视场；使两束激光分别逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输，经过各自对应的传导棱镜后入射到对应的平面基准镜上，经过平面基准镜反射，使两束激光分别原路返回；在返回过程中，两束激光分别再次经过传导棱镜、相机光学系统后，分别成像在相机焦平面分视场的第一激光接收单元、第二激光接收单元上；分别计算两束激光在采样时刻下在各自对应的激光接收单元上光斑位置的变化，确定相机光轴在采样时刻下绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S23：基于相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵；根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵；结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

本发明所提供的一种基于共基准光轴夹角实时监测方法，基于如前所述共基准光轴夹角实时监测系统，所述方法包括：

步骤31：由第一相机光轴测量收发模块的第一激光光源单元和第二相机光轴测量收发模块的第二激光光源单元分别发出第一激光和第二激光，使第一激光和第二激光逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输；

步骤32：第一激光和第二激光经过相机传导棱镜传输，入射到公共基准模块的平面基准镜上，经过平面基准镜反射原路返回；

步骤33：第一激光由相机焦平面分视场的第一激光接收单元接收，第二激光由相机焦平面分视场的第二激光接收单元接收，在两个接收单元上分别成光斑像；

步骤34：根据第一激光接收单元上第一激光光斑的位置变化和第二激光接收单元上第二激光光斑位置变化以及激光自准直光斑图像的额定位置计算相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤35：由公共基准模块中的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元二分别发出第三激光和第四激光，使激光传输到星敏传导棱镜；

步骤36：所述第三激光和第四激光经过星敏传导棱镜传输，入射到星敏光学系统内部；

步骤37：所述第三激光和第四激光由星敏光轴测量接收模块接收，在探测器上成两个光斑像；

步骤38：根据星敏光轴测量接收模块上第三激光形成的第三激光光斑的位置变化和第四激光形成的第四激光光斑的位置变化以及激光准直光斑图像的额定位置计算星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤39：根据相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵，根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵，再结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

本发明所提供的一种基于共基准光轴夹角实时监测方法，基于如前所述共基准光轴夹角实时监测系统，所述方法包括：

步骤41：由公共基准模块中的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元二分别发出第三激光和第四激光，使激光传输到星敏传导棱镜；

步骤42：所述第三激光和第四激光经过星敏传导棱镜传输，入射到星敏光学系统内部；

步骤43：所述第三激光和第四激光由星敏光轴测量接收模块接收，在探测器上成两个光斑像；

步骤44：根据星敏光轴测量接收模块上第三激光形成的第三激光光斑的位置变化和第四激光形成的第四激光光斑的位置变化以及激光准直光斑图像的额定位置计算星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤45：由第一相机光轴测量收发模块的第一激光光源单元和第二相机光轴测量收发模块的第二激光光源单元分别发出第一激光和第二激光，使第一激光和第二激光逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输；

步骤46：第一激光和第二激光经过相机传导棱镜传输，入射到公共基准模块的平面基准镜上，经过平面基准镜反射原路返回；

步骤47：第一激光由相机焦平面分视场的第一激光接收单元接收，第二激光由相机焦平面分视场的第二激光接收单元接收，在两个接收单元上分别成光斑像；

步骤48：根据第一激光接收单元上第一激光光斑的位置变化和第二激光接收单元上第二激光光斑位置变化以及激光自准直光斑图像的额定位置计算相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤49：根据相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵，根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵，再结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

有益效果：

(1)本发明提出了一种共基准光轴夹角实时监测系统和方法，通过高稳定公共基准实现相机光轴指向和星敏光轴指向的关联，无需星敏与相机从结构上固连在一起，可实时测量二者夹角变化，适应多种分布式载荷的构型。本发明对夹角进行实时监测，测量的对象是光学相机光轴和星敏光轴在空间上形成的夹角。

(2)本发明提出了两种敏感器光轴指向变化实时监测系统和方法，两种实时监测系统即针对相机光轴的实时监测系统和针对星敏光轴的实时监测系统，两种实时监测方法即针对相机光轴的实时监测方法和针对星敏光轴的实时监测方法。一种通过敏感器光学系统的边缘视场空间提供对敏感器光轴指向变化的测量，另一种通过敏感器中探测器的分时工作，在敏感器正常曝光成像的间隙提供对光轴指向变化的测量；通过敏感器的光路复用实现对光轴的测量，不受在轨外热流和内部热耗的影响，测量精度高。本发明能够实现光轴实时监测，测量的对象是光学相机的光轴、星敏的光轴。

(3)本发明提供的夹角实时监测系统和光轴实时监测系统可扩展应用至卫星系统中多个载荷的光轴指向实时监测，及任意两个载荷的光轴夹角实时监测。

附图说明

图1为共基准光轴夹角实时监测系统结构示意图；

图2为相机光轴测量收发模块组成示意图；

图3为星敏工作时序图；

图4为共基准光轴夹角实时监测方法流程示意图。

图中，1，相机；2，第一相机光轴测量收发模块；3，第二相机光轴测量收发模块；4，主镜；5，透镜组；6，次镜；7，第一相机传导棱镜；8，第二相机传导棱镜；9，第三相机传导棱镜；10第四相机传导棱镜；11第一激光束；12第二激光束；13，公共基准模块；14，第一星敏光轴测量发射单元；15，第二星敏光轴测量发射单元；16，第一平面基准镜单元；17，第二平面基准镜单元；18，第三激光束；19，第四激光束；20，星敏；21，星敏探测器(星敏光轴测量接收模块)；22，星敏光学系统；23，第一星敏传导棱镜；24，第二星敏传导棱镜；25，第三星敏传导棱镜；26，第四星敏传导棱镜；27，相机探测器；28，第一激光光源单元；29，第一激光接收单元；30，第二激光光源单元；31，第二激光接收单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明一种基于共基准光轴夹角实时监测系统，所述系统包括：公共基准模块13、相机传导棱镜组、星敏传导棱镜组、相机光轴测量收发模块组、星敏光轴测量接收模块21、相机及星敏；所述相机传导棱镜组包括第一相机传导棱镜7、第二相机传导棱镜8、第三相机传导棱镜9及第四相机传导棱镜10；星敏传导棱镜组，所述星敏传导棱镜组包括第一星敏传导棱镜23、第二星敏传导棱镜24、第三星敏传导棱镜25、第四星敏传导棱镜26；所述相机光轴测量收发模块组包括第一相机光轴测量收发模块2及第二相机光轴测量收发模块3。

所述公共基准模块13包括平面基准镜组及星敏光轴测量发射组；所述平面基准镜组包括第一平面基准镜单元16及第二平面基准镜单元17；所述星敏光轴测量发射组包括第一星敏光轴测量发射单元14及第二星敏光轴测量发射单元15。

所述第一相机光轴测量收发模块2及第二相机光轴测量收发模块3均由激光光源单元和激光接收单元组成，所述第一相机光轴测量收发模块2包括第一激光光源单元28及第一激光接收单元29，所述第二相机光轴测量收发模块3包括第二激光光源单元30及第二激光接收单元31；所述第一相机光轴测量收发模块2及第二相机光轴测量收发模块3分别设置于相机探测器的两端，所述第一相机光轴测量收发模块2及第二相机光轴测量收发模块3分别与所述相机探测器共成像集平面，且所述第一相机光轴测量收发模块2及第二相机光轴测量收发模块3分别与所述相机探测器刚性连接；所述第一激光光源单元28发射的光经过相机的光学系统与相机传导棱镜组到达第一平面基准镜单元16，再由所述第一平面基准镜单元16反射后原路返回，经过所述相机传导棱镜组与相机的光学系统后在第一激光接收单元29处形成第一自准直像，从形成的所述第一自准直像中获取第一光斑位置信息；所述第二激光光源单元30发射的光经过相机的光学系统与相机传导棱镜组到达第二平面基准镜单元17，再由所述第二平面基准镜单元17反射后原路返回，经过所述相机传导棱镜组与相机的光学系统后在第一激光接收单元31处形成第二自准直像，从形成的所述第二自准直像中获取第二光斑位置信息；所述第一相机光轴测量收发模块2及第二相机光轴测量收发模块3发出的光束、接收的光束与相机的成像光束共光路，占据相机光学系统的边缘视场。

所述星敏光轴测量接收模块21也称为星敏探测器21，是星敏20的探测器硬件模块，所述星敏光轴测量接收模块21分时工作，分别完成对星空的成像和对激光光斑的接收，所述对星空的成像即采用星敏光学系统22和星敏探测器20完成对星空成像的功能，所述对激光光斑的接收即接收公共基准模块13中的第一星敏光轴测量发射单元14及第二星敏光轴测量发射单元15分别发出的准直光，两束准直光分别经过所述星敏传导棱镜组、星敏光学系统，在星敏光轴测量接收模块21上分别形成光斑图像；获取各个光斑的位置信息；第一星敏光轴测量发射单元14及第二星敏光轴测量发射单元15发出的两个光束与星敏的星空成像光束共光路；星敏探测器，即所述星敏光轴测量接收模块21，用于分时完成激光光斑的接收和星空成像；所述星敏光轴测量接收模块21对光斑的曝光成像与公共基准模块13中的第一星敏光轴测量发射单元14及第二星敏光轴测量发射单元15的工作时序一致。

所述公共基准模块13为从星敏光轴到相机光轴的过渡基准，所述公共基准模块13由光学材料组成，刚性固定所述第一平面基准镜单元16、第二平面基准镜单元17、第一星敏光轴测量发射单元14、及第二星敏光轴测量发射单元15；第一星敏光轴测量发射单元14、及第二星敏光轴测量发射单元15，分别发出激光准直光，两束激光不平行。本实施例中，所述光学材料优选膨胀系数低的光学材料。

本方案采用公共的基准实现星敏光轴和相机光轴的指向实时监测、星敏光轴和相机光轴夹角的实时监测。

下面对本发明的共基准光轴夹角实时监测系统进行详细说明。

本实施例的用于共基准光轴夹角实时监测系统包括：相机1、第一相机光轴测量收发模块2、第二相机光轴测量收发模块3、第一相机传导棱镜7、第二相机传导棱镜8、第三相机传导棱镜9、第四相机传导棱镜10、公共基准模块13、星敏20、星敏光轴测量接收模块21、第一星敏传导棱镜23、第二星敏传导棱镜24、第三星敏传导棱镜25、第四星敏传导棱镜26；所述公共基准模块13包括第一星敏光轴测量发射单元14、第二星敏光轴测量发射单元15、第一平面基准镜单元16及第二平面基准镜单元17。

所述的相机包括：主镜4、次镜6、透镜组5、相机探测器27，相机在轨工作时，观测目标发出光线依次经过主镜、次镜、透镜组，到达相机探测器，在探测器上成像。

所述的第一相机光轴测量收发模块由第一激光光源单元28和第一激光接收单元29组成，第二相机光轴测量收发模块由第二激光光源单元30和第二激光接收单元31组成，如图2所示，其中第一激光光源单元和第二激光光源单元主要用于发出第一激光束11和第二激光束12，第一激光接收单元和第二激光接收单元主要为面阵探测器，用于接收返回的激光束光斑；第一相机光轴测量收发模块、第二相机光轴测量收发模块与相机探测器均位于相机焦平面上，两个相机光轴测量收发模块分别与相机焦平面刚性连接；通过第一激光接收单元测量第一激光接收单元发出的第一激光束在曝光时刻下的光斑位置变化信息，通过第二激光接收单元测量第二激光接收单元发出的第二激光束在曝光时刻下的光斑位置变化信息。

所述星敏包括：星敏光学系统22、星敏探测器21。所述的星敏光轴测量接收模块也称为星敏探测器，是星敏20的探测器硬件模块。探测器分时曝光完成对激光光斑的曝光成像、星空的曝光成像；探测器通过对激光光斑的曝光成像计算曝光时刻下的光斑位置变化信息，探测器通过对星空的曝光成像计算星敏曝光时刻下星敏在惯性空间下的姿态信息；如图3所示，提供了一种星敏曝光的时序，星敏在Ts、Ts+0.25s、Ts+0.5s、Ts+0.75s的时刻下开始对激光光斑的曝光，获取光斑位置变化信息，星敏在Ts+ΔT、Ts+ΔT+0.25s、Ts+ΔT+0.5s、Ts+ΔT+0.75s的时刻下开始对激光光斑的曝光，获取星敏在惯性空间下的姿态信息，1秒钟可以提供4Hz的星敏光轴变化数据和星敏姿态数据。

所述的相机传导棱镜组由多个传导棱镜组成，包括第一相机传导棱镜7、第二相机传导棱镜8、第三相机传导棱镜9、第四相机传导棱镜10，将第一相机光轴收发模块发射的第一激光束从相机光学系统出射后，引入第一平面基准镜单元，并将第一平面基准镜单元反射的第一激光束引入相机光学系统；将第二相机光轴收发模块发射的第二激光束从相机光学系统出射后，引入第二平面基准镜单元，并将第二平面基准镜反射的第二激光束引入相机光学系统。

所述的公共基准模块为从星敏光轴到相机光轴的过渡基准，公共基准模块由膨胀系数极低的光学材料组成，例如微晶玻璃；平面基准镜单元在光学材料表面镀反射膜形成相机光轴测量收发模块的自准直平面；平面基准镜单元有两套，分别为第一平面基准镜单元和第二平面基准镜单元，分别用于反射从第一激光光源单元发出的第一激光束和从第二激光光源单元发出的第二激光束；星敏光轴测量发射单元安装在光学材料内部，星敏光轴测量发射单元有两套，分别为第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元，发出第三激光束和第四激光束，两束激光不平行；第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元均由激光光源和平行光管组成，激光光源位于平行光管的焦面处，激光光源经过平行光管后出射准直光。

所述的星敏传导棱镜组由多个传导棱镜组成，包括第一星敏传导棱镜23、第二星敏传导棱镜24、第三星敏传导棱镜25、第四星敏传导棱镜26，将第一星敏光轴测量发射单元发射的第三激光束18引入星敏光学系统，将第二星敏光轴测量发射单元发射的第四激光束19引入星敏光学系统。

本发明一种基于共基准光轴夹角实时监测方法，基于如前所述的共基准光轴夹角实时监测系统，所述方法包括：

步骤S11：由第一相机光轴测量收发模块2的激光光源单元产生第一激光束，第二相机光轴测量收发模块3的激光光源单元产生第二激光束；所述第一激光束与第二激光束不平行，且分别位于相机的左、右视场；使两束激光分别逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输，经过各自对应的传导棱镜后入射到对应的平面基准镜上，经过平面基准镜反射，使两束激光分别原路返回；在返回过程中，两束激光分别再次经过传导棱镜、相机光学系统后，分别成像在相机焦平面分视场的第一激光接收单元、第二激光接收单元上；分别计算两束激光在采样时刻下在各自对应的激光接收单元上光斑位置的变化，确定相机光轴在采样时刻下绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S12：位于公共基准模块的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元分别发射彼此不平行的激光，两束激光均为准直光，使两束激光传输进入星敏光学系统内部，在星敏对星空成像的间隙在星敏光轴测量接收模块上分别成光斑像，计算两束激光在采样时刻下星敏光轴测量接收模块上光斑位置的变化，确定星敏光轴在采样时刻下绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S13：基于相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵；根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵；结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

本方案包括相机光轴指向实时监测方法、星敏光轴指向实时监测方法、星敏与相机光轴夹角实时监测方法。

本发明一种基于共基准光轴夹角实时监测方法，基于如前所述的共基准光轴夹角实时监测系统，所述方法包括：

步骤S21：位于公共基准模块的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元分别发射彼此不平行的激光，两束激光均为准直光，使两束激光传输进入星敏光学系统内部，在星敏对星空成像的间隙在星敏光轴测量接收模块上分别成光斑像，计算两束激光在采样时刻下星敏光轴测量接收模块上光斑位置的变化，确定星敏光轴在采样时刻下绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S22：由第一相机光轴测量收发模块2的激光光源单元产生第一激光束，第二相机光轴测量收发模块3的激光光源单元产生第二激光束；所述第一激光束与第二激光束不平行，且分别位于相机的左、右视场；使两束激光分别逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输，经过各自对应的传导棱镜后入射到对应的平面基准镜上，经过平面基准镜反射，使两束激光分别原路返回；在返回过程中，两束激光分别再次经过传导棱镜、相机光学系统后，分别成像在相机焦平面分视场的第一激光接收单元、第二激光接收单元上；分别计算两束激光在采样时刻下在各自对应的激光接收单元上光斑位置的变化，确定相机光轴在采样时刻下绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S23：基于相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵；根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵；结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

本实施例中，相机为整个成像的相机，包含光学系统和探测器；探测器是放在相机焦面上的接收信号的器件。

本实施例中，用于共基准光轴夹角实时监测的方法，方法的流程如图4所示。

步骤31：由第一相机光轴测量收发模块的第一激光光源单元和第二相机光轴测量收发模块的第二激光光源单元分别发出第一激光和第二激光，使第一激光和第二激光逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输；

第一相机光轴测量收发模块和第二相机光轴测量收发模块均位于相机焦平面上，产生的第一激光光源单元和第二激光光源单元产生的两束激光分别位于相机光学系统的左右边缘视场，与光轴左右对称，经过相同的光学系统中的单元，在图1中简化的光学系统中，依次经过透镜组、次镜、主镜，然后到达相机传导棱镜；

步骤32：第一激光和第二激光经过相机传导棱镜传输，入射到公共基准模块的平面基准镜上，经过平面基准镜反射原路返回；

第一激光和第二激光经过平面基准镜反射后，再次经过传导棱镜，到达相机光学系统，经过相同的光学系统中的单元，在图1中简化的光学系统中，依次经过主镜、次镜、透镜组，到达相机焦平面分视场；

步骤33：第一激光由相机焦平面分视场的第一激光接收单元接收，第二激光由相机焦平面分视场的第二激光接收单元接收，在两个接收单元上分别成光斑像；

步骤34：根据第一激光接收单元上第一激光光斑的位置变化和第二激光接收单元上第二激光光斑位置变化以及激光自准直光斑图像的额定位置计算相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤35：由公共基准模块中的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元二分别发出第三激光和第四激光，使激光传输到星敏传导棱镜；

第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元发出的激光为准直光，且两束光不平行；

步骤36：所述第三激光和第四激光经过星敏传导棱镜传输，入射到星敏光学系统内部；

步骤37：所述第三激光和第四激光由星敏光轴测量接收模块接收，在探测器上成两个光斑像；

星敏光轴测量接收模块也称为星敏探测器，是星敏的探测器硬件模块，在星敏探测器对星空曝光成像的间隙完成对激光光斑的曝光成像；

步骤38：根据星敏光轴测量接收模块上第三激光形成的第三激光光斑的位置变化和第四激光形成的第四激光光斑的位置变化以及激光准直光斑图像的额定位置计算星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤39：根据相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵，根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵，再结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

另一实施方式为：

步骤41：由公共基准模块中的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元二分别发出第三激光和第四激光，使激光传输到星敏传导棱镜；

第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元发出的激光为准直光，且两束光不平行；

步骤42：所述第三激光和第四激光经过星敏传导棱镜传输，入射到星敏光学系统内部；

步骤43：所述第三激光和第四激光由星敏光轴测量接收模块接收，在探测器上成两个光斑像；

星敏光轴测量接收模块也称为星敏探测器，是星敏的探测器硬件模块，在星敏探测器对星空曝光成像的间隙完成对激光光斑的曝光成像；

步骤44：根据星敏光轴测量接收模块上第三激光形成的第三激光光斑的位置变化和第四激光形成的第四激光光斑的位置变化以及激光准直光斑图像的额定位置计算星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤45：由第一相机光轴测量收发模块的第一激光光源单元和第二相机光轴测量收发模块的第二激光光源单元分别发出第一激光和第二激光，使第一激光和第二激光逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输；

第一相机光轴测量收发模块和第二相机光轴测量收发模块均位于相机焦平面上，产生的第一激光光源单元和第二激光光源单元产生的两束激光分别位于相机光学系统的左右边缘视场，与光轴左右对称，经过相同的光学系统中的单元，在图1中简化的光学系统中，依次经过透镜组、次镜、主镜，然后到达相机传导棱镜；

步骤46：第一激光和第二激光经过相机传导棱镜传输，入射到公共基准模块的平面基准镜上，经过平面基准镜反射原路返回；

第一激光和第二激光经过平面基准镜反射后，再次经过传导棱镜，到达相机光学系统，经过相同的光学系统中的单元，在图1中简化的光学系统中，依次经过主镜、次镜、透镜组，到达相机焦平面分视场；

步骤47：第一激光由相机焦平面分视场的第一激光接收单元接收，第二激光由相机焦平面分视场的第二激光接收单元接收，在两个接收单元上分别成光斑像；

步骤48：根据第一激光接收单元上第一激光光斑的位置变化和第二激光接收单元上第二激光光斑位置变化以及激光自准直光斑图像的额定位置计算相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤49：根据相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵，根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵，再结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于共基准光轴夹角实时监测系统，其特征在于，所述系统包括：公共基准模块(13)、相机传导棱镜组、星敏传导棱镜组、相机光轴测量收发模块组、星敏光轴测量接收模块(21)、相机及星敏；所述相机传导棱镜组包括第一相机传导棱镜(7)、第二相机传导棱镜(8)、第三相机传导棱镜(9)及第四相机传导棱镜(10)；星敏传导棱镜组，所述星敏传导棱镜组包括第一星敏传导棱镜(23)、第二星敏传导棱镜(24)、第三星敏传导棱镜(25)、第四星敏传导棱镜(26)；所述相机光轴测量收发模块组包括第一相机光轴测量收发模块(2)及第二相机光轴测量收发模块(3)；

所述公共基准模块(13)包括平面基准镜组及星敏光轴测量发射组；所述平面基准镜组包括第一平面基准镜单元(16)及第二平面基准镜单元(17)；所述星敏光轴测量发射组包括第一星敏光轴测量发射单元(14)及第二星敏光轴测量发射单元(15)；

所述第一相机光轴测量收发模块(2)及第二相机光轴测量收发模块(3)均由激光光源单元和激光接收单元组成，所述第一相机光轴测量收发模块(2)包括第一激光光源单元(28)及第一激光接收单元(29)，所述第二相机光轴测量收发模块(3)包括第二激光光源单元(30)及第二激光接收单元(31)；所述第一相机光轴测量收发模块(2)及第二相机光轴测量收发模块(3)分别设置于相机探测器的两端，所述第一相机光轴测量收发模块(2)及第二相机光轴测量收发模块(3)分别与所述相机探测器共成像集平面，且所述第一相机光轴测量收发模块(2)及第二相机光轴测量收发模块(3)分别与所述相机探测器刚性连接；所述第一激光光源单元(28)发射的光经过相机的光学系统与相机传导棱镜组到达第一平面基准镜单元(16)，再由所述第一平面基准镜单元(16)反射后原路返回，经过所述相机传导棱镜组与相机的光学系统后在第一激光接收单元(29)处形成第一自准直像，从形成的所述第一自准直像中获取第一光斑位置信息；所述第二激光光源单元(30)发射的光经过相机的光学系统与相机传导棱镜组到达第二平面基准镜单元(17)，再由所述第二平面基准镜单元(17)反射后原路返回，经过所述相机传导棱镜组与相机的光学系统后在第一激光接收单元(31)处形成第二自准直像，从形成的所述第二自准直像中获取第二光斑位置信息；所述第一相机光轴测量收发模块(2)及第二相机光轴测量收发模块(3)发出的光束、接收的光束与相机的成像光束共光路，占据相机光学系统的边缘视场；

所述星敏光轴测量接收模块(21)也称为星敏探测器(21)，是星敏(20)的探测器硬件模块，所述星敏光轴测量接收模块(21)分时工作，分别完成对星空的成像和对激光光斑的接收，所述对星空的成像即采用星敏光学系统(22)和星敏探测器(20)完成对星空成像的功能，所述对激光光斑的接收即接收公共基准模块(13)中的第一星敏光轴测量发射单元(14)及第二星敏光轴测量发射单元(15)分别发出的准直光，两束准直光分别经过所述星敏传导棱镜组、星敏光学系统，在星敏光轴测量接收模块(21)上分别形成光斑图像；获取各个光斑的位置信息；第一星敏光轴测量发射单元(14)及第二星敏光轴测量发射单元(15)发出的两个光束与星敏的星空成像光束共光路；星敏探测器，即所述星敏光轴测量接收模块(21)，用于分时完成激光光斑的接收和星空成像；所述星敏光轴测量接收模块(21)对光斑的曝光成像与公共基准模块(13)中的第一星敏光轴测量发射单元(14)及第二星敏光轴测量发射单元(15)的工作时序一致。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述公共基准模块(13)为从星敏光轴到相机光轴的过渡基准，所述公共基准模块(13)由光学材料组成，刚性固定所述第一平面基准镜单元(16)、第二平面基准镜单元(17)、第一星敏光轴测量发射单元(14)、及第二星敏光轴测量发射单元(15)；第一星敏光轴测量发射单元(14)、及第二星敏光轴测量发射单元(15)，分别发出激光准直光，两束激光不平行。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述平面基准镜组在光学材料表面镀反射膜形成相机光轴测量收发模块的自准直平面。

4.一种基于共基准光轴夹角实时监测方法，基于如权利要求1-3中任一项所述共基准光轴夹角实时监测系统，其特征在于，所述方法包括：

步骤S11：由第一相机光轴测量收发模块(2)的激光光源单元产生第一激光束，第二相机光轴测量收发模块(3)的激光光源单元产生第二激光束；所述第一激光束与第二激光束不平行，且分别位于相机的左、右视场；使两束激光分别逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输，经过各自对应的传导棱镜后入射到对应的平面基准镜上，经过平面基准镜反射，使两束激光分别原路返回；在返回过程中，两束激光分别再次经过传导棱镜、相机光学系统后，分别成像在相机焦平面分视场的第一激光接收单元、第二激光接收单元上；分别计算两束激光在采样时刻下在各自对应的激光接收单元上光斑位置的变化，确定相机光轴在采样时刻下绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S12：位于公共基准模块的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元分别发射彼此不平行的激光，两束激光均为准直光，使两束激光传输进入星敏光学系统内部，在星敏对星空成像的间隙在星敏光轴测量接收模块上分别成光斑像，计算两束激光在采样时刻下星敏光轴测量接收模块上光斑位置的变化，确定星敏光轴在采样时刻下绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S13：基于相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵；根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵；结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

5.一种基于共基准光轴夹角实时监测方法，基于如权利要求1-3中任一项所述共基准光轴夹角实时监测系统，其特征在于，所述方法包括：

步骤S21：位于公共基准模块的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元分别发射彼此不平行的激光，两束激光均为准直光，使两束激光传输进入星敏光学系统内部，在星敏对星空成像的间隙在星敏光轴测量接收模块上分别成光斑像，计算两束激光在采样时刻下星敏光轴测量接收模块上光斑位置的变化，确定星敏光轴在采样时刻下绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S22：由第一相机光轴测量收发模块(2)的激光光源单元产生第一激光束，第二相机光轴测量收发模块(3)的激光光源单元产生第二激光束；所述第一激光束与第二激光束不平行，且分别位于相机的左、右视场；使两束激光分别逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输，经过各自对应的传导棱镜后入射到对应的平面基准镜上，经过平面基准镜反射，使两束激光分别原路返回；在返回过程中，两束激光分别再次经过传导棱镜、相机光学系统后，分别成像在相机焦平面分视场的第一激光接收单元、第二激光接收单元上；分别计算两束激光在采样时刻下在各自对应的激光接收单元上光斑位置的变化，确定相机光轴在采样时刻下绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角；

步骤S23：基于相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵；根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵；结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

6.一种用于共基准光轴夹角实时监测的方法，基于如权利要求1-3中任一项所述共基准光轴夹角实时监测系统，其特征在于，所述方法包括：

步骤31：由第一相机光轴测量收发模块的第一激光光源单元和第二相机光轴测量收发模块的第二激光光源单元分别发出第一激光和第二激光，使第一激光和第二激光逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输；

步骤32：第一激光和第二激光经过相机传导棱镜传输，入射到公共基准模块的平面基准镜上，经过平面基准镜反射原路返回；

步骤33：第一激光由相机焦平面分视场的第一激光接收单元接收，第二激光由相机焦平面分视场的第二激光接收单元接收，在两个接收单元上分别成光斑像；

步骤34：根据第一激光接收单元上第一激光光斑的位置变化和第二激光接收单元上第二激光光斑位置变化以及激光自准直光斑图像的额定位置计算相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤35：由公共基准模块中的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元二分别发出第三激光和第四激光，使激光传输到星敏传导棱镜；

步骤36：所述第三激光和第四激光经过星敏传导棱镜传输，入射到星敏光学系统内部；

步骤37：所述第三激光和第四激光由星敏光轴测量接收模块接收，在探测器上成两个光斑像；

步骤38：根据星敏光轴测量接收模块上第三激光形成的第三激光光斑的位置变化和第四激光形成的第四激光光斑的位置变化以及激光准直光斑图像的额定位置计算星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤39：根据相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵，根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵，再结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

7.一种用于共基准光轴夹角实时监测的方法，基于如权利要求1-3中任一项所述共基准光轴夹角实时监测系统，其特征在于，所述方法包括：

步骤41：由公共基准模块中的第一星敏光轴测量发射单元和第二星敏光轴测量发射单元二分别发出第三激光和第四激光，使激光传输到星敏传导棱镜；

步骤42：所述第三激光和第四激光经过星敏传导棱镜传输，入射到星敏光学系统内部；

步骤43：所述第三激光和第四激光由星敏光轴测量接收模块接收，在探测器上成两个光斑像；

步骤44：根据星敏光轴测量接收模块上第三激光形成的第三激光光斑的位置变化和第四激光形成的第四激光光斑的位置变化以及激光准直光斑图像的额定位置计算星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤45：由第一相机光轴测量收发模块的第一激光光源单元和第二相机光轴测量收发模块的第二激光光源单元分别发出第一激光和第二激光，使第一激光和第二激光逆着相机光学系统成像光线入射的方向传输；

步骤46：第一激光和第二激光经过相机传导棱镜传输，入射到公共基准模块的平面基准镜上，经过平面基准镜反射原路返回；

步骤47：第一激光由相机焦平面分视场的第一激光接收单元接收，第二激光由相机焦平面分视场的第二激光接收单元接收，在两个接收单元上分别成光斑像；

步骤48：根据第一激光接收单元上第一激光光斑的位置变化和第二激光接收单元上第二激光光斑位置变化以及激光自准直光斑图像的额定位置计算相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化；

步骤49：根据相机光轴绕相机测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得相机光轴变化的修正矩阵，根据星敏光轴绕星敏测量坐标系X轴、Y轴、Z轴的变化角，获得星敏光轴变化的修正矩阵，再结合相机光轴与星敏光轴的在轨标定或地面标定结果，获取实时修正的星敏与相机的光轴夹角矩阵。

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