CN114370866B - 一种星敏感器主点和主距测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星敏感器主点和主距测量系统及方法，所述系统包括：依次放置的光源，积分球，多星点目标测试靶，大视场平行光管和三维转台；三维转台上设有待测星敏感器；控制系统，其分别与三维转台和星敏感器连接；光源发出的测试光依次经过积分球，多星点目标测试靶和大视场平行光管照射在星敏感器上；星敏感器用于获取一测试图像；控制系统用于根据接收到的测试图像进行计算得到星敏感器的主点和主距。本发明能够快速精确的计算出星敏感器主点和主距。

Description

一种星敏感器主点和主距测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光学装调技术领域，特别涉及一种星敏感器主点和主距测量系统及方法。

背景技术

星敏感器以天球惯性坐标系中的恒星作为参考基准，输出卫星在惯性空间中的姿态位置信息，是目前航天器测量精度最高的姿态测量传感器。星敏感器测量原理是采用针孔成像原理，焦距为f，主点为成像平面O(x_c,y_c)处，恒星星点v经光学系统在成像平面成像，像点坐标为(x₁,y₁)，如附图1所示，在不考虑畸变等误差的情况下，恒星在星敏感器的矢量可表示为：

光机组件(光学镜头与焦平面组成)的主点和主距的测量误差直接影响星敏感器的测量精度，是引起星敏感器的低频误差的主要原因之一。当前国内外关于星敏感器整机的主点、主距的测量系统及方法，均是基于由单星模拟器和高精度三维转台组成的测量系统，通过采集视场内各个角度星点坐标，再结合各种标定算法完成主点、主距的测量或标定。当前这种主点、主距测量方法存在主要特点或不足之处有：

1)三维转台的精度要求很高，精度等级至少比星敏感器的自身的姿态测量精度高1个量级以上。

2)采集星点位置数量非常多，整个采集、分析、测量周期长。

3)由于需要长时间采集数据，对地基、环境等要求高，需要独立的隔振地基和安静的环境。

随着星敏感器生产当量提升、研制周期的缩短及场地环境条件的限制等问题，当前主点、主距的测量方法难以满足产品生产需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多星点目标测试靶的星敏感器主点和主距测量系统及方法，实现快速精确的计算出星敏感器主点和主距的目的。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种星敏感器主点和主距测量系统，其位于暗室内，包括：依次放置的光源600，积分球500，多星点目标测试靶400，大视场平行光管300和三维转台100；所述三维转台100上设有待测星敏感器200；控制系统，其分别与所述三维转台100和所述星敏感器200连接；所述光源600发出的测试光依次经过所述积分球500，多星点目标测试靶400和大视场平行光管300照射在所述星敏感器200上；所述星敏感器200用于获取一测试图像；所述控制系统用于根据接收到的所述测试图像进行计算得到所述星敏感器200的主点和主距。

可选地，所述多星点目标测试靶400上设有若干个星点，若干个所述星点中包括若干个编码点；所述测试光经过所述多星点目标测试靶400上的若干个所述星点通过所述大视场平行光管300形成具有多种角度的平行光，各角度的所述平行束在所述星敏感器200上成像，生成各个光斑；

所述控制系统基于所述编码点的坐标，获取所述测试图像中的像点与所述星点之间的一一对应关系，建立坐标方程；根据所述坐标方程计算得到所述星敏感器200的主点和主距。

可选地，所述坐标方程采用如下公式表示：

式中，(x,y)为像点坐标，(x₀,y₀)为主点，(Δx,Δy)为畸变，f为主距，a_i/b_i/c_i(i＝1，2，3)为三维转角的余弦值，α为无穷远物点的偏航角；δ为无穷远物点的俯仰角。

可选地，所述畸变(Δx,Δy)采用如下公式进行计算：

式中，k₁、k₂、k₃为径向畸变系数，p₁、p₂为切向畸变系数，b₁、b₂为线性修正系数。

可选地，所述大视场平行光管300的视场大于所述星敏感器200的测量视场。

可选地，所述星敏感器200获取所述测试图像之前，所述星敏感器200预先获取一对准图像，所述控制系统根据所述对准图像中每一所述编码点的成像位置，计算出所述星敏感器200的光轴方向与所述大视场平行光管300的偏差值，所述控制系统根据所述偏差值控制所述三维转台100自动进行偏差修正。

可选地，所述编码点的个数为四个，四个所述编码点连线构成一正方形，且此正方形的中心与所述多星点目标测试靶400的中心重合。

另一方面，本发明还提供一种星敏感器主点和主距测量方法，包括采用如上文所述星敏感器主点和主距测量系统对待测的星敏感器进行测量。

步骤S1、将测量系统开机，根据所述星敏感器的型号，设置预估的主点和主距的值；

步骤S2、将所述星敏感器安装到三维转台上，控制三维转台使所述星敏感器的光轴大致对准大视场平行光管；

步骤S3、所述星敏感器上电，在暗室环境下，通过所述星敏感器完成一幅对准图像拍照，读取多星点目标测试靶上的编码点的坐标，计算出当前星敏感器的光轴与大视场平行光管的平行度偏差值，并将偏差值反馈给控制系统，控制系统控制所述三维转台完成平行度偏差修正；

步骤S4、平行度偏差修正之后，通过所述星敏感器拍摄一幅测试图像，基于多星点目标测试靶上的编码点坐标，获取多星点目标测试靶上其他星点的坐标，然后建立方程，求解出星敏感器的主点、主距。

可选地，所述坐标方程采用如下公式表示：

式中，(x,y)为像点坐标，(x₀,y₀)为主点，(Δx,Δy)为畸变，f为主距，a_i/b_i/c_i(i＝1，2，3)为三维转角的余弦值，α为无穷远物点的偏航角；δ为无穷远物点的俯仰角。

可选地，所述畸变(Δx,Δy)采用如下公式进行计算：

式中，k₁、k₂、k₃为径向畸变系数，p₁、p₂为切向畸变系数，b₁、b₂为线性修正系数。

本发明至少具有以下优点之一：

本发明公开一种基于多星点目标测试靶的星敏感器主点和主距测量系统及方法，可以实现星敏感器的主点和主距的快速精确计算或测量，其主要组成部件包括大视场平行光管、多星点目标测试靶、简易三维转台和光源等，与当前现有的主点、主距测量系统和方法相比，本发明设计的方法和系统主要优点和效果是：该系统采用高精度多星点目标测试靶和大视场平行光管的组合方式取代高精度三维转台和单星模拟器的组合方式，并且在多星点目标测试靶上设计了编码点，作为其他星点的识别码，可以实现星敏感器光轴与平行光管自动对准；可以实现产品拍摄一幅星点图，便可获得多星点目标测试靶上的星点与产品成像的像点之间对应关系，建立坐标方程；利用这种对应关系，并可以精确快速计算出产品的主点和主距；由于采集图像次数少、时间短、效率高，大幅减少了振动、温度变化等环境噪声和转台扰动对标定精度影响，降低标定测试对地基、温度等环境的要求。

附图说明

图1为现有技术中所提供的星敏感器成像原理图；

图2为本发明一实施例提供的一种星敏感器主点和主距测量系统示意框图；

图3为本发明一实施例提供的多星点目标测试靶示意图；

图4为本发明一实施例提供的多星点目标测试靶上编码点设计图；

图5为本发明一实施例提供的星敏感器主点和主距测量系统工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种星敏感器主点和主距测量系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

如图2所示，本实施例提供一种星敏感器主点和主距测量系统，其位于暗室内，包括：依次放置的光源600，积分球500，多星点目标测试靶400，大视场平行光管300和三维转台100；所述三维转台100上设有待测星敏感器200；控制系统，其分别与所述三维转台100和所述星敏感器200连接；所述光源600发出的测试光依次经过所述积分球500，(使得光源发出的光经过积分器后照射到靶标上的出射光变得均匀)，多星点目标测试靶400和大视场平行光管300照射在所述星敏感器200上；所述星敏感器200用于获取一测试图像；所述控制系统用于根据接收到的所述测试图像进行计算得到所述星敏感器200的主点和主距。所述积分球500使得光源600发出的测试光经过积分器(积分球500)后照射到多星点目标测试靶400上的出射光变得均匀。即其使得测试光变的均匀后照射在所述多星点目标测试靶400上。

在本实施例中，所述光源600的出光口，积分球500的进出光口，多星点目标测试靶400的进出光口，大视场平行光管300的进出光口和所述星敏感器200的光轴进行同轴或平行设置，但本发明不以此为限。

在本实施例中，如图5所示，所述多星点目标测试靶400上设有若干个星点，若干个所述星点中包括若干个编码点；所述测试光经过所述多星点目标测试靶400上的若干个所述星点通过所述大视场平行光管300形成具有多种角度的平行光，各角度的所述平行束在所述星敏感器200上成像，生成各个光斑。

根据针孔成像的光学原理，建立无穷远处的物点(目标测试靶上的星点孔)和对应像点以及星敏感器的内方位元素(主点、主距、畸变)、外方位元素(星点孔精确位置)等信息的方程式，即下文所述的坐标方程。

所述控制系统基于所述编码点的坐标，获取所述测试图像中的像点与所述星点之间的一一对应关系，建立坐标方程；根据所述坐标方程计算得到所述星敏感器200的主点和主距。本实施例所测量的主距测量精度优于5‰，所测量的主点测量精度优于10像素。

在本实施例中，所述坐标方程采用如下公式表示：

式中，(x,y)为像点坐标，(x₀,y₀)为主点，(Δx,Δy)为畸变，f为主距，a_i/b_i/c_i(i＝1，2，3)为三维转角的余弦值，α为无穷远物点的偏航角；δ为无穷远物点的俯仰角。

在本实施例中，所述畸变(Δx,Δy)采用如下公式进行计算：

式中，k₁、k₂、k₃、p₁、p₂、b₁和b₂均为畸变系数。具体的，k₁、k₂、k₃为径向畸变系数，p₁、p₂为切向畸变系数，b₁、b₂为线性修正系数。

其中，像点坐标(x,y)通过图像处理模块的亚像素定位算法来确定，无穷远物点的偏航角/俯仰角α/δ事先通过高精度经纬仪严格标定得到，均为已知。然后通过方程式线性化和最小二乘法处理，可计算出主点(x₀,y₀)、主距f，畸变系数和三维转角

在本实施例中，所述大视场平行光管300的视场大于所述星敏感器200的测量视场。

在本实施例中，所述星敏感器200获取所述测试图像之前，所述星敏感器200预先获取一对准图像，所述控制系统根据所述对准图像中每一所述编码点的成像位置，计算出所述星敏感器200的光轴方向与所述大视场平行光管300的偏差值，所述控制系统根据所述偏差值控制所述三维转台100自动进行偏差修正。

在本实施例中，如图3和图4所示，所述编码点的个数为四个，四个所述编码点连线构成一正方形，且此正方形的中心与所述多星点目标测试靶400的中心重合。

多星点目标测试靶400上的星点之间的坐标需要经过严格的设计与制作，并且还需要设计具备唯一识别特性的编码点。

即本实施例设计确定多星点目标测试靶上的星点之间的相对位置，并且对星点孔的制作具有非常高的精度要求，用于确定星敏感器的像点坐标，坐标精度优于1个像素。

另一方面，本实施例还提供一种星敏感器主点和主距测量方法，包括采用如上文所述星敏感器主点和主距测量系统对待测的星敏感器进行测量。步骤S1、将测量系统开机，根据所述星敏感器的型号，设置预估的主点和主距的值。

步骤S2、将所述星敏感器安装到三维转台上，控制三维转台使所述星敏感器的光轴大致对准大视场平行光管。

步骤S3、所述星敏感器上电，在暗室环境下，通过所述星敏感器完成一幅对准图像拍照，读取多星点目标测试靶上的编码点的坐标，计算出当前星敏感器的光轴与大视场平行光管的平行度偏差值，并将偏差值反馈给控制系统，控制系统控制所述三维转台完成平行度偏差修正，偏差在2个像素以内。

步骤S4、平行度偏差修正之后，通过所述星敏感器拍摄一幅测试图像，基于多星点目标测试靶上的编码点坐标，获取多星点目标测试靶上其他星点的坐标，然后建立方程，求解出星敏感器的主点、主距。

所述坐标方程采用如下公式表示：

式中，(x,y)为像点坐标，(x₀,y₀)为主点，(Δx,Δy)为畸变，f为主距，a_i/b_i/c_i(i＝1，2，3)为三维转角的余弦值，α为无穷远物点的偏航角；δ为无穷远物点的俯仰角。

具体的，三维转角是指目标测试靶上星点孔相对于转台的偏航角/俯仰角α/δ在XYZ三轴方向上的分量，a_i/b_i/c_i分别是三维转角/>的余弦值。

可选地，所述畸变(Δx,Δy)采用如下公式进行计算：

式中，k₁、k₂、k₃、p₁、p₂、b₁和b₂均为畸变系数。具体的，k₁、k₂、k₃为径向畸变系数，p₁、p₂为切向畸变系数，b₁、b₂为线性修正系数。

本实施例公开一种基于多星点目标测试靶的星敏感器主点和主距测量系统及方法，可以实现星敏感器的主点和主距的快速精确计算或测量，其主要组成部件包括大视场平行光管、多星点目标测试靶、简易三维转台和光源等，与当前现有的主点、主距测量系统和方法相比，本实施例设计的方法和系统主要优点和效果是：该系统采用高精度多星点目标测试靶和大视场平行光管的组合方式取代高精度三维转台和单星模拟器的组合方式，对三维转台的精度要求低，设备制造相对简单、成本较低；并且在多星点目标测试靶上设计了编码点，作为其他星点的识别码，可以实现星敏感器光轴与平行光管自动对准；可以实现产品拍摄一幅星点图，便可获得多星点目标测试靶上的星点与产品成像的像点之间对应关系，建立坐标方程；利用这种对应关系，并可以精确快速计算出产品的主点和主距。由于采集图像次数少、标定时间短、效率和精度高，大幅减少了振动、温度变化等环境噪声和转台扰动对标定精度影响。使用该系统和方法，可以大幅降低标定过程对地基、温度等环境的要求。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

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 (5)

1.一种星敏感器主点和主距测量系统，其位于暗室内，其特征在于，包括：依次放置的光源(600)，积分球(500)，多星点目标测试靶(400)，大视场平行光管(300)和三维转台(100)；

所述三维转台(100)上设有待测星敏感器(200)；

控制系统，其分别与所述三维转台(100)和所述星敏感器(200)连接；

所述光源(600)发出的测试光依次经过所述积分球(500)，所述多星点目标测试靶(400)和所述大视场平行光管(300)照射在所述星敏感器(200)上；

所述星敏感器(200)用于获取一测试图像；

所述控制系统用于根据接收到的所述测试图像进行计算得到所述星敏感器(200)的主点和主距；

所述多星点目标测试靶(400)上设有若干个星点，若干个所述星点中包括若干个编码点；

所述测试光经过所述多星点目标测试靶(400)上的若干个所述星点通过所述大视场平行光管(300)形成具有多种角度的平行光，各角度的所述平行束在所述星敏感器(200)上成像，生成各个光斑；

所述控制系统基于所述编码点的坐标，获取所述测试图像中的像点与所述星点之间的一一对应关系，建立坐标方程；

所述坐标方程采用如下公式表示：

式中，(x,y)为像点坐标，(x₀,y₀)为主点，(Δx,Δy)为畸变，f为主距，a_i/b_i/c_i(i＝1，2，3)为三维转角/ω/κ的余弦值，α为无穷远物点的偏航角；δ为无穷远物点的俯仰角；

所述畸变(Δx,Δy)采用如下公式进行计算：

式中，k₁、k₂、k₃为径向畸变系数，p₁、p₂为切向畸变系数，b₁、b₂为线性修正系数；

根据所述坐标方程计算得到所述星敏感器(200)的主点和主距；

所述星敏感器(200)获取所述测试图像之前，所述星敏感器(200)预先获取一对准图像，

所述控制系统根据所述对准图像中每一所述编码点的成像位置，计算出所述星敏感器(200)的光轴方向与所述大视场平行光管(300)的偏差值，所述控制系统根据所述偏差值控制所述三维转台(100)自动进行偏差修正；

所述编码点的个数为四个，四个所述编码点连线构成一正方形，且此正方形的中心与所述多星点目标测试靶(400)的中心重合。

2.如权利要求1所述的星敏感器主点和主距测量系统，其特征在于，所述大视场平行光管(300)的视场大于所述星敏感器(200)的测量视场。

3.一种星敏感器主点和主距测量方法，其特征在于，包括采用如权利要求1或2所述星敏感器主点和主距测量系统对待测的星敏感器进行测量；

步骤S1、将测量系统开机，根据所述星敏感器的型号，设置预估的主点和主距的值；

步骤S2、将所述星敏感器安装到三维转台上，控制三维转台使所述星敏感器的光轴大致对准大视场平行光管；

步骤S3、所述星敏感器上电，在暗室环境下，通过所述星敏感器完成一幅对准图像拍照，读取多星点目标测试靶上的编码点的坐标，计算出当前星敏感器的光轴与大视场平行光管的平行度偏差值，并将偏差值反馈给控制系统，控制系统控制所述三维转台完成平行度偏差修正；

步骤S4、平行度偏差修正之后，通过所述星敏感器拍摄一幅测试图像，基于多星点目标测试靶上的编码点坐标，获取多星点目标测试靶上其他星点的坐标，然后建立方程，求解出星敏感器的主点、主距。

4.如权利要求3所述的星敏感器主点和主距测量方法，其特征在于，

所述坐标方程采用如下公式表示：

式中，(x,y)为像点坐标，(x₀,y₀)为主点，(Δx,Δy)为畸变，f为主距，ai/bi/ci(i＝1，2，3)为三维转角/ω/κ的余弦值，α为无穷远物点的偏航角；δ为无穷远物点的俯仰角。

5.如权利要求4所述的星敏感器主点和主距测量方法，其特征在于，

所述畸变(Δx,Δy)采用如下公式进行计算：

式中，k₁、k₂、k₃为径向畸变系数，p₁、p₂为切向畸变系数，b₁、b₂为线性修正系数。