CN115079728A - 小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置、方法及探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种恒星瞄准跟踪装置及方法，具体涉及一种小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置、方法及探测装置。解决手动调整小视场相机瞄准指向待观测恒星操作困难及速度慢的问题。装置包括安装底板、二维转台、恒星敏感器及电控盒；将恒星敏感器与二维转台均固定安装在同一基准平面上，通过安装矩阵可将恒星敏感器测量坐标系相对J2000.0惯性坐标系的目标矢量直接转换为二维转台坐标系下的目标矢量，与测量基准是否调平、指向初始零位等均无关，瞄准指向过程简单。具有恒星瞄准跟踪装置的探测装置可便携任意移动，随时重复展收。切换不同被观测恒星简单易行，只需查找恒星星库里被测目标的赤经赤纬信息输入即可切换指向。

Description

小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置、方法及探测装置

技术领域

本发明涉及一种恒星瞄准跟踪装置及方法，具体涉及一种小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置、方法及探测装置。

背景技术

恒星星等探测能力是空间光学相机的主要性能指标之一，除了设计生产阶段的室内定标测试外，室外针对星空拍摄恒星验证相机的实际探测能力的试验验证通常不可或缺。尤其对于特殊谱段或窄波段的光学相机，数据仿真分析误差极大，室内探测能力测试受限于光源谱段难以精确模拟，而不同恒星的光谱具有显著且稳定特征，在室外选取对应谱段的恒星校准特殊谱段或窄波段的光学相机成为重要手段。要在室外采用天球分布的恒星进行相机探测能力校准，相机瞄准指向恒星是第一步，瞄准并稳定指向恒星才能继续进行相机参数调整优化，校准探测能力。但对于5mrad视场甚至更小视场的相机，要在2πrad天球内快速指向瞄准待观测恒星则十分困难，需要设备安装底座严格调整水平，和零位基准指北标定。理论上，5mrad的相机视场需要无缝拼扫3.5×10^5次才能扫完半个天球。暗弱恒星目标极有可能在相机盲目手动指向寻找恒星的过程划过视场或遗漏。即使某时刻恰好捕获恒星进入相机视场，由于地球自转，对于5mrad相机视场，除北极星以外的恒星在视场内驻留时间仅约19.1s。时间过短难以进行相机的恒星探测能力校准和验证。

发明内容

本发明的目的是提供一种小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置及方法，以解决手动调整小视场相机瞄准指向待观测恒星操作困难及速度慢的问题。

本发明的技术方案是提供一种毫弧度量级小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置，其特殊之处在于：包括安装底板、二维转台、恒星敏感器及电控盒；

二维转台和恒星敏感器均固定安装在安装底板上；

二维转台由竖直的方位轴系、水平的俯仰轴系和俯仰载物台组成；俯仰载物台用于固定安装小视场相机，小视场相机基于二维转台可实现俯仰方位调整；

二维转台、恒星敏感器及小视场相机满足如下安装关系：

二维转台坐标系XzYzZz：Xz轴指向转台方位角度和俯仰角度均为0°时的相机视轴方向；Zz轴定义为安装底板安装面法线方向，Yz轴与Xz轴、Zz轴满足右手关系；定义绕Zz轴旋转的角度为方位角；俯仰载物台水平时即小视场相机水平时，二维转台的俯仰角度为0°；

恒星敏感器测量坐标系XsYsZs：定义Zs轴为恒星敏感器视轴指向，Xs轴和Ys轴与Zs轴垂直，Xs轴和Ys轴指向与恒星敏感器光电探测器的行和列方向平行；

电控盒包括存储器及处理器，存储器中存储计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现以下过程：

步骤1、计算地表试验现场指向待观测恒星的指向矢量；

根据J2000.0惯性坐标系下待观测恒星的赤经α、赤纬δ计算出待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r；将待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r等效为地表试验现场指向待观测恒星的指向矢量；

步骤2、采集恒星敏感器根据其视场内的恒星星图匹配，输出的其测量坐标系相对于J2000.0惯性坐标系下的姿态变化，以姿态矩阵A表征；

步骤3、基于姿态矩阵A获得对应恒星敏感器测量坐标系下的观测矢量；

步骤4、通过恒星敏感器测量坐标系与二维转台坐标系的安装矩阵M将恒星敏感器测量坐标系的观测矢量转换为二维转台坐标系下的观测矢量；

步骤5、计算被测小视场相机指向待观测恒星的方位俯仰角；

根据二维转台方位俯仰角度及其正负号的定义，计算二维转台坐标系下的观测矢量对应的方位角Az_t和俯仰角El_t，驱动二维转台轴系转动，使小视场相机视轴指向预定空域的待观测恒星。

进一步地，步骤1中待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r_J2000.0通过下式表示：

进一步地，步骤2中的姿态矩阵A通过下式表示：

其中，q₀、q₁、q₂、q₃为姿态四元数。

进一步地，步骤3中基于姿态矩阵A获得对应恒星敏感器测量坐标系下的观测矢量r_s(t)如下：

其中，t为时间，x_s为恒星敏感器测量坐标系下的观测矢量的X分量，y_s为恒星敏感器测量坐标系下的观测矢量的Y分量，z_s为恒星敏感器测量坐标系下的观测矢量的Z分量。

进一步地，步骤4中，二维转台坐标系下的观测矢量r_cl(t)如下式：

x_cl为二维转台坐标系下的观测矢量的X分量，y_cl为二维转台坐标系下的观测矢量的Y分量，z_cl为二维转台坐标系下的观测矢量的Z分量。

进一步地，步骤5中，二维转台方位俯仰角度的正负号的定义如下：

二维转台方位角度的正负号的定义：

逆着Zz轴看，顺时针旋转角度为正，逆时针旋转角度为负；

二维转台俯仰角度的正负号的定义：

逆着Yz轴看，顺时针旋转角度为正，逆时针旋转角度为负。

进一步地，步骤5中二维转台坐标系下的观测矢量对应的方位角Az_t和俯仰角El_t如下：

本发明还提供一种基于上述装置的小视场相机快速恒星瞄准跟踪方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、计算地表试验现场指向待观测恒星的指向矢量；

根据J2000.0惯性坐标系下待观测恒星的赤经α、赤纬δ计算出待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r；将待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r等效为地表试验现场指向待观测恒星的指向矢量；

步骤2、恒星敏感器根据其视场内的恒星星图匹配，向电控盒输出其测量坐标系相对于J2000.0惯性坐标系下的姿态变化，以姿态矩阵A表征；

步骤3、电控盒基于姿态矩阵A获得对应恒星敏感器测量坐标系下的观测矢量；

步骤4、电控盒通过恒星敏感器测量坐标系与二维转台坐标系的安装矩阵M将恒星敏感器测量坐标系的观测矢量转换为二维转台坐标系下的观测矢量；

步骤5、计算被测小视场相机指向待观测恒星的方位俯仰角；

根据二维转台方位俯仰角度及其正负号的定义，计算二维转台坐标系下的观测矢量对应的方位角Az_t和俯仰角El_t，电控盒驱动二维转台轴系转动，使小视场相机视轴指向预定空域的待观测恒星。

进一步地，上述步骤1中待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r_J2000.0通过下式表示：

进一步地，上述步骤2中的姿态矩阵A通过下式表示：

其中，q₀、q₁、q₂、q₃为姿态四元数。

进一步地，上述步骤3中基于姿态矩阵A获得对应恒星敏感器测量坐标系下的观测矢量r_s(t)如下：

其中，t为时间，x_s为恒星敏感器测量坐标系下的观测矢量的X分量，y_s为恒星敏感器测量坐标系下的观测矢量的Y分量，z_s为恒星敏感器测量坐标系下的观测矢量的Z分量。

进一步地，上述步骤4中，二维转台坐标系下的观测矢量r_cl(t)如下式：

x_cl为二维转台坐标系下的观测矢量的X分量，y_cl为二维转台坐标系下的观测矢量的Y分量，z_cl为二维转台坐标系下的观测矢量的Z分量。

进一步地，上述步骤5中，二维转台方位俯仰角度的正负号的定义如下：

二维转台方位角度的正负号的定义：

逆着Zz轴看，顺时针旋转角度为正，逆时针旋转角度为负；

二维转台俯仰角度的正负号的定义：

逆着Yz轴看，顺时针旋转角度为正，逆时针旋转角度为负。

进一步地，上述步骤5中二维转台坐标系下的观测矢量对应的方位角Az_t和俯仰角El_t如下：

本发明还提供一种小视场相机室外探测装置，其特殊之处在于：包括上述小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置与小视场相机，小视场相机固定安装在小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置中二维转台的俯仰载物台上，基于二维转台可实现俯仰方位调整。

本发明的有益效果是：

1、现有小视场相机外场指向恒星时，通常要求测量基座调平精度高，小于1/2视场。导致每次设备展开后前期准备反复调平时间长，且移动后需要重新调平。本发明将恒星敏感器与二维转台均固定安装在同一基准平面上，通过安装矩阵M可将恒星敏感器测量坐标系相对J2000.0惯性坐标系的目标矢量直接转换为二维转台坐标系下的目标矢量，与测量基准是否调平、指向初始零位等均无关，瞄准指向过程简单。

2、本发明装置指向跟踪恒星无需精确测定的地面站位置，基于J2000.0惯性坐标系下的恒星赤经赤纬和J2000.0惯性系下的测量基准姿态直接计算，避免关联大地测量坐标以及地球自转极移章动岁差等。通常地面站指向恒星的仰角定义相对于当地水平，而当地水平与当地纬度、海拔高度地理信息密切相关等。相机视场约小，需要测站经纬高测量精度越高。

3、基于本发明装置的小视场相机室外探测装置测试时可便携任意移动，随时重复展收。且切换不同被观测恒星简单易行，只需查找恒星星库里被测目标的赤经赤纬信息输入即可切换指向。该赤经赤纬信息不随时间变化，可提前注入。而常规外场测试时指向恒星直接采用的角度，由于地球自转，高精度指向恒星目标需要严格的时间统一。

附图说明

图1为实施例中小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置结构示意图；

图中附图标记为：1、安装底板；2、二维转台；3、恒星敏感器；4、电控盒；5、小视场相机；21、俯仰载物台；

图2为实施例中恒星敏感器测量坐标系XsYsZs与二维转台测量坐标系XclYclZcl之间的旋转关系示意图；图中a、b、c指的是两个坐标系之间的旋转角度。

图3为实施例中小视场相机快速恒星瞄准跟踪方法流程框图；

图4为实施例中小视场相机的实际指向效果。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本实施例适用于小视场相机的快速恒星瞄准跟踪，此处小视场相机一般指视场为毫弧度量级的相机，此类相机要在2πrad天球内快速指向瞄准待观测恒星则十分困难。

如图1所示，装置包括安装底板1、二维转台2、恒星敏感器3及电控盒4。其中，二维转台2由竖直的方位轴系、水平的俯仰轴系和可搭载被测试件的俯仰载物台21组成。恒星敏感器3和二维转台2固定安装在安装底板1上，二维转台2的俯仰载物台21用于固定安装被测小视场相机5。根据实际需求，通过移动安装底板1，将整个装置置于使用环境中。

二维转台2、恒星敏感器3和被测小视场相机5的安装关系如下：

二维转台2坐标系XzYzZz：俯仰载物台21水平时定义为二维转台2的俯仰0°。Xz轴指向转台方位角度和俯仰角度均为0°时的相机视轴方向。Zz轴定义为安装底板1安装面法线方向，Yz轴与Xz轴、Zz轴满足右手关系。绕竖直轴Zz轴旋转的角度定义为方位角。二维转台2方位角度的正负号的定义：逆着Zz轴看，顺时针旋转角度为正，逆时针旋转角度为负；二维转台2俯仰角度的正负号的定义：逆着Yz轴看，顺时针旋转角度为正，逆时针旋转角度为负。

恒星敏感器3测量坐标系XsYsZs：安装恒星敏感器3视轴指向定义为Zs轴，Xs轴和Ys轴与Zs轴垂直，Xs轴和Ys轴指向与恒星敏感器3光电探测器的行和列方向平行。

电控盒4与二维转台2及恒星敏感器3电连接。通过以下过程可实现快速恒星瞄准跟踪：

计算地表试验现场指向待观测恒星的指向矢量。根据待观测恒星的赤经赤纬αδ计算出其相对于地球地心的观测矢量r。

由于恒星距离遥远，最近超过数光年，地球半径仅约6378km，远小于待观测恒星距离地心的距离，因此可将地心观测矢量等效为地表试验现场指向待观测恒星的矢量。

恒星敏感器3根据其视场内的恒星星图匹配，输出其测量坐标系相对于J2000.0惯性下的姿态变化，该姿态通常以姿态四元数q₀，q₁，q₂，q₃表示的姿态矩阵A表征。

对应恒星敏感器3测量坐标系下的观测矢量描述为：

由于地球自转，该姿态随时间t变化。

恒星敏感器3测量坐标系与二维转台2坐标系的安装矩阵为M，M是a、b、c三个角度的函数，即：

通过M矩阵将恒星敏感器3测量坐标系的观测矢量转换为二维转台2坐标系下的观测矢量。

当恒星敏感器3测量坐标系与二维转台2测量坐标系平行安装时，M矩阵为单位矩阵，此时该姿态也即二维转台2坐标系相对于J2000.0坐标系下的姿态。

计算被测小视场相机5指向恒星的方位俯仰角。根据二维转台2方位俯仰角度及其正负号的定义，计算该矢量对应的方位角Az_t和俯仰角El_t。并通过控制盒驱动二维转台2轴系转动，使相机视轴指向预定空域的目标恒星。

二维转台2测量坐标系相对J2000.0惯性系的姿态矩阵和二维转台2的方位角度和俯仰角度随时间t更新，保持相机视轴指向跟踪被观测恒星，使被观测目标恒星始终处于小视场相机5视场中心。

上述计算过程均可在控制盒内进行，控制盒内包括存储器及处理器，存储器中存储计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现上述计算过程。

同时，本实施例还可以提供一种包括上述小视场相机5快速恒星瞄准跟踪装置的小视场相机5室外探测装置，小视场相机55固定安装在小视场相机5快速恒星瞄准跟踪装置中二维转台22的俯仰载物台21上，基于二维转台22可实现俯仰方位调整。

Claims (15)

1.一种小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置，其特征在于：包括安装底板(1)、二维转台(2)、恒星敏感器(3)及电控盒(4)；

二维转台(2)和恒星敏感器(3)均固定安装在安装底板(1)上；

电控盒(4)与二维转台(2)及恒星敏感器(3)电连接；

二维转台(2)由竖直的方位轴系、水平的俯仰轴系和俯仰载物台(21)组成；俯仰载物台(21)用于固定安装小视场相机(5)，小视场相机(5)基于二维转台(2)可实现俯仰方位调整；

二维转台(2)、恒星敏感器(3)及小视场相机(5)满足如下安装关系：

二维转台(2)坐标系XzYzZz：Xz轴指向转台方位角度和俯仰角度均为0°时的相机视轴方向；Zz轴定义为安装底板(1)安装面法线方向，Yz轴与Xz轴、Zz轴满足右手关系；定义绕Zz轴旋转的角度为方位角，绕Yz轴旋转的角度为俯仰角；

恒星敏感器(3)测量坐标系XsYsZs：定义Zs轴为恒星敏感器(3)视轴指向，Xs轴和Ys轴与Zs轴垂直，Xs轴和Ys轴指向与恒星敏感器(3)光电探测器的行和列方向平行；

电控盒(4)包括存储器及处理器，存储器中存储计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现以下过程：

步骤1、计算地表试验现场指向待观测恒星的指向矢量；

根据J2000.0惯性坐标系下待观测恒星的赤经α、赤纬δ计算出待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r；将待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r等效为地表试验现场指向待观测恒星的指向矢量；

步骤2、采集恒星敏感器(3)根据其视场内的恒星星图匹配，输出的其测量坐标系相对于J2000.0惯性坐标系下的姿态变化，以姿态矩阵A表征；

步骤3、基于姿态矩阵A获得对应恒星敏感器(3)测量坐标系下的观测矢量；

步骤4、通过恒星敏感器(3)坐标系与二维转台(2)坐标系的安装矩阵M将恒星敏感器(3)测量坐标系的观测矢量转换为二维转台(2)坐标系下的观测矢量；

步骤5、计算被测小视场相机(5)指向待观测恒星的方位俯仰角；

根据二维转台(2)方位俯仰角度及其正负号的定义，计算二维转台(2)坐标系下的观测矢量对应的方位角Az_t和俯仰角El_t，驱动二维转台(2)轴系转动，使小视场相机(5)视轴指向预定空域的待观测恒星。

2.根据权利要求1所述的小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置，其特征在于：步骤1中待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r_J2000.0通过下式表示：

3.根据权利要求2所述的小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置，其特征在于：步骤2中的姿态矩阵A通过下式表示：

其中，q₀、q₁、q₂、q₃为姿态四元数。

4.根据权利要求3所述的小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置，其特征在于：步骤3中基于姿态矩阵A获得对应恒星敏感器(3)测量坐标系下的观测矢量r_s(t) 如下：

其中，t为时间，x_s为恒星敏感器(3)测量坐标系下观测矢量的X分量，y_s为恒星敏感器(3)测量坐标系下观测矢量的Y分量，z_s为恒星敏感器(3)测量坐标系下观测矢量的Z分量。

5.根据权利要求4所述的小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置，其特征在于：步骤4中，二维转台(2)坐标系下的观测矢量r_cl(t)如下式：

x_cl为二维转台(2)坐标系下观测矢量的X分量，y_cl为二维转台(2)坐标系下观测矢量的Y分量,z_cl为二维转台(2)坐标系下观测矢量的Z分量。

6.根据权利要求5所述的小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置，其特征在于：步骤5中，二维转台(2)方位俯仰角度的正负号的定义如下：

二维转台(2)方位角度的正负号的定义：

逆着Zz轴看，顺时针旋转角度为正，逆时针旋转角度为负；

二维转台(2)俯仰角度的正负号的定义：

逆着Yz轴看，顺时针旋转角度为正，逆时针旋转角度为负。

7.根据权利要求6所述的小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置，其特征在于：步骤5中二维转台(2)坐标系下的观测矢量对应的方位角Az_t和俯仰角El_t如下：

8.一种基于上述装置的小视场相机快速恒星瞄准跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、计算地表试验现场指向待观测恒星的指向矢量；

根据J2000.0惯性坐标系下待观测恒星的赤经α、赤纬δ计算出待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r；将待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r等效为地表试验现场指向待观测恒星的指向矢量；

步骤2、恒星敏感器(3)根据其视场内的恒星星图匹配，向电控盒(4)输出其测量坐标系相对于J2000.0惯性坐标系下的姿态变化，以姿态矩阵A表征；

步骤3、电控盒(4)基于姿态矩阵A获得对应恒星敏感器(3)测量坐标系下的观测矢量；

步骤4、电控盒(4)通过恒星敏感器(3)坐标系与二维转台(2)坐标系的安装矩阵M将恒星敏感器(3)测量坐标系的观测矢量转换为二维转台(2)坐标系下的观测矢量；

步骤5、计算被测小视场相机(5)指向待观测恒星的方位俯仰角；

根据二维转台(2)方位俯仰角度及其正负号的定义，由电控盒(4)计算二维转台(2)坐标系下的观测矢量对应的方位角Az_t和俯仰角El_t，电控盒(4)驱动二维转台(2)轴系转动，使小视场相机(5)视轴指向预定空域的待观测恒星。

9.根据权利要求8所述基于上述装置的小视场相机快速恒星瞄准跟踪方法，其特征在于：步骤1中待观测恒星相对于地球地心的观测矢量r_J2000.0通过下式表示：

10.根据权利要求9所述基于上述装置的小视场相机快速恒星瞄准跟踪方法，其特征在于：步骤2中的姿态矩阵A通过下式表示：

其中，q₀、q₁、q₂、q₃为姿态四元数。

11.根据权利要求10所述基于上述装置的小视场相机快速恒星瞄准跟踪方法，其特征在于：步骤3中基于姿态矩阵A获得对应恒星敏感器(3)测量坐标系下的观测矢量r_s(t)如下：

其中，t为时间，x_s为恒星敏感器(3)测量坐标系下的观测矢量的X分量，y_s为恒星敏感器(3)测量坐标系下的观测矢量的Y分量，z_s为恒星敏感器(3)测量坐标系下的观测矢量的Z分量。

12.根据权利要求11所述基于上述装置的小视场相机快速恒星瞄准跟踪方法，其特征在于：步骤4中，二维转台(2)坐标系下的观测矢量r_cl(t)如下式：

x_cl为二维转台(2)坐标系下的观测矢量的X分量，y_cl为二维转台(2)坐标系下的观测矢量的Y分量，z_cl为二维转台(2)坐标系下的观测矢量的Z分量。

13.根据权利要求12所述基于上述装置的小视场相机快速恒星瞄准跟踪方法，其特征在于：步骤5中，二维转台(2)方位俯仰角度的正负号的定义如下：

二维转台(2)方位角度的正负号的定义：

逆着Zz轴看，顺时针旋转角度为正，逆时针旋转角度为负；

二维转台(2)俯仰角度的正负号的定义：

逆着Yz轴看，顺时针旋转角度为正，逆时针旋转角度为负。

14.根据权利要求13所述基于上述装置的小视场相机快速恒星瞄准跟踪方法，其特征在于：步骤5中二维转台(2)坐标系下的观测矢量对应的方位角Az_t和俯仰角El_t如下：

15.一种小视场相机室外探测装置，其特征在于：包括上述小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置与小视场相机(5)，小视场相机(5)固定安装在小视场相机快速恒星瞄准跟踪装置中二维转台(2)的俯仰载物台(21)上，基于二维转台(2)可实现俯仰方位调整。

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