CN115727824B - 协同观测载荷群共基准测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间测量技术领域，具体涉及一种多体制协同观测载荷群共基准测量系统及测量方法；测量系统包括第一确定模块用于确定基准模块，第二确定模块用于确定安装位姿，第三确定模块用于确定指向；基准模块包括光学合作靶标、大视场双目相机、靶标棱镜和自准直光学链路；每个载荷中至少安装一个基准模块；光学合作靶标与大视场双目相机形成共基准粗测模块，共基准粗测模块用于以在第一测量范围内进行测量；靶标棱镜和自准直光学链路形成共基准精测模块，共基准精测模块用于在第二测量范围内进行测量；第二测量范围小于第一测量范围；本发明所提供的测量系统及测量方法可适用于多圈层多体制协同观测载荷群共基准测量。

Description

协同观测载荷群共基准测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及空间测量技术领域，具体涉及一种多体制协同观测载荷群共基准测量系统及测量方法。

背景技术

随着天基多圈层地球透视观测需求的不断拓展，空间探测技术获得了广泛的关注，各国对多种用途、多种功能的高轨卫星载荷需求越来越多。然而，高轨轨位是极其宝贵的空间资源，其在实现多圈层地球透视探测中具有不可比拟的优势，各国在该领域展开了激烈的角逐。传统高轨载荷采用一体化设计思路，严重受限于火箭运载能力及整流罩尺寸，且发射成本较大，难以满足高轨卫星载荷多用途、多功能的发展需求。

为了顺应这一发展趋势，亟需开展超大型在轨可组装多体制协同观测载荷群的研制，打造可替换、可扩展、可升级、可重构的载荷集群，提高航天器使用效益，提高轨道利用效率，加快航天体系产业变革。而在这个过程中，大型高精高稳空间组合体共基准精密测量技术是保证多体制协同观测载荷群按预期指标组装的必要技术条件。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种可适用于多圈层多体制协同观测载荷群共基准测量的测量系统及测量方法。

本发明提供一种协同观测载荷群共基准测量系统，所述测量系统包括第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块；

所述第一确定模块用于确定基准模块，所述第二确定模块用于确定所述基准模块的安装位姿，所述第三确定模块用于确定所述基准模块的指向；所述基准模块包括光学合作靶标、大视场双目相机、靶标棱镜和自准直光学链路；

每个载荷中至少安装一个所述基准模块；第一载荷中安装第一基准模块，第二载荷中安装第二基准模块；

所述第一基准模块包括第一光学合作靶标、第一大视场双目相机、第一靶标棱镜和第一自准直光学链路；所述第二基准模块包括第二光学合作靶标、第二大视场双目相机、第二靶标棱镜和第二自准直光学链路；

所述第二光学合作靶标与所述第一大视场双目相机形成共基准粗测模块，所述共基准粗测模块用于在第一测量范围内进行测量，根据所述第二光学合作靶标在所述第一大视场双目相机的像面处的成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第一偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿，使得所述第一基准模块和所述第二基准模块均位于第二测量范围；

所述第一测量范围包括所述第二测量范围，所述第二测量范围小于所述第一测量范围；

所述第二靶标棱镜和所述第一自准直光学链路形成自准直光路，作为共基准精测模块，所述共基准精测模块用于在第二测量范围内进行测量，根据所述自准直光路的靶面成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第二偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿。

优选的，所述第一确定模块用于根据载荷共基准测量、重构维度需求，构建基准体系，确定基准模块。

优选的，所述基准体系中，所述第一基准模块中的第一大视场双目相机，与相邻的所述第二基准模块中的第二光学合作靶标相对应；

所述第一基准模块中的第一自准直链路，与相邻的所述第二基准模块中的第二靶标棱镜相对应。

优选的，所述光学合作靶标由不同的凸凹有秩的图案构成，所述光学合作靶标通过所述大视场双目相机捕获，并进行视觉测量。

优选的，所述靶标棱镜由两个倾斜的高反射率表面组成。

优选的，所述自准直光学链路包括两个分路。

优选的，所述基准模块的指向均由高精度经纬仪进行标定，使得每个载荷与所述载荷中对应的所述基准模块具有相同的指向。

本发明还提供一种协同观测载荷群共基准测量方法，所述测量方法通过上述的测量系统实现，所述测量方法包括步骤：

S1、构建基准体系，确定基准模块；

S2、确定所述基准模块的安装位姿；

S3、确定所述基准模块的指向，使得每个载荷与所述载荷中对应的所述基准模块具有相同的指向；

S4、根据所述第二光学合作靶标在所述第一大视场双目相机的像面处的成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第一偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿，使得所述第一基准模块和所述第二基准模块均位于第二测量范围；

S5、根据所述自准直光路的靶面成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第二偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿；

S6、重复S4和S5，依次完成协同观测载荷群中各个载荷相对基准的测量。

优选的，所述S4中，根据所述第二光学合作靶标在所述第一大视场双目相机的像面处的成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第一偏差的计算公式包括：

S为二维敏感度矩阵；

Dx和Dy分别代表典型特征处于对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元的坐标差；

piv()为逆矩阵符号；

Tx和Ty为载荷需要调整的两个位姿自由度。

优选的，所述S5中，根据所述自准直光路的靶面成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第二偏差的计算公式为：

为在坐标系o₁中，第一光束标靶信号在x方向的敏感度；

为在坐标系o₁中，第一光束标靶信号在y方向的敏感度；

为在坐标系o₂中，第二光束标靶信号在x方向的敏感度；

为在坐标系o₂中，第二光束标靶信号在y方向的敏感度；

△x₁为第一光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元x方向的坐标差；

△y₁为第一光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元y方向的坐标差；

△x₂为第二光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元x方向的坐标差；

△y₂为第二光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元y方向的坐标差

为冗余数据处理方法；

△Tx和△Ty为基准模块或载荷的指向调整维。

本发明所提供的多体制协同观测载荷群共基准测量系统及测量方法，通过多载荷协同观测载荷群实现多圈层地球透视观测需要各个载荷对观测目标具有一致的指向，但只需要两个维度(载荷指向为z轴，则两个倾斜维度指绕x轴旋转和绕y轴旋转)的共基准测量与调整；大视场双目相机能够在较大范围内捕获大尺寸光学靶标信息，并能在较大量程范围内确定其与靶标在两个指向维度的相对位姿关系；自准直光学链路能够在相对基准大跨度条件下，实现二维的精密测量。

本发明所提供的多体制协同观测载荷群共基准测量系统及测量方法，采用“由粗到精，分级测量”的技术方案：由光学合作靶标和大视场双目相机构建的大范围测量子系统；由靶标棱镜和自准直光学链路构建的高精度测量子系统。整体而言，可适用于多圈层多体制协同观测载荷群共基准测量。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中天基多圈层多体制协同地球透视观测载荷群示意图。

图2是本发明具体实施方式中基准模块平面结构示意图。

图3是本发明具体实施方式中基准模块立体结构示意图。

图4是本发明具体实施方式中大尺寸光学靶标在一个双目相机焦面的成像示意图。

图5是本发明具体实施方式中自准直光学链路的布局投影图。

图6是本发明具体实施方式中自准直光学链路的错位放大图。

图7是本发明具体实施方式中靶面坐标系及信息点示意图。

附图标记：

1、大视场双目相机，2、靶标棱镜，3、光学合作靶标，4、自准直光学链路，5、自准直焦面组件，6、激光发射组件，7、分光片组件，8、物镜组件，9、靶标棱镜组件，载荷(a)，载荷(b)，载荷(c)，载荷(d)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明具体实施方式中，面向城镇规划治理、海洋环境剖面探测、临近空间大气探测、南北极冰冻圈演变规律探索等对岩石圈、水体圈、大气圈、生物圈的多模式、多体制综合探测需求，需要将星载三维成像雷达、海洋剖面激光探测载荷、临近空间大气参量超分辨探测仪、甚长波红外高光谱成像仪等多种探测载荷形成“天基多圈层多体制协同地球透视观测载荷群”组合于同一平台实施共基准共指向观测，示意图如图1所示，其中载荷(a)、载荷(b)、载荷(c)以及载荷(d)等分别代表有效载荷为三维成像雷达、长波红外高光谱成像仪等。下文中提到的第一载荷可以为载荷(a)、载荷(b)、载荷(c)、载荷(d)或者是图中未示出的任意一个载荷，第二载荷则为与第一载荷相邻的任何一个载荷，在此并不作限定。

本发明具体实施方式提供一种协同观测载荷群共基准测量系统，所述测量系统包括第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块；所述第一确定模块用于确定基准模块，所述第二确定模块用于确定所述基准模块的安装位姿，所述第三确定模块用于确定所述基准模块的指向；每个载荷中至少安装一个所述基准模块；第一载荷中安装第一基准模块，第二载荷中安装第二基准模块；所述第一基准模块包括第一光学合作靶标、第一大视场双目相机、第一靶标棱镜和第一自准直光学链路；所述第二基准模块包括第二光学合作靶标、第二大视场双目相机、第二靶标棱镜和第二自准直光学链路。

具体的实施方式中，所述第二光学合作靶标与所述第一大视场双目相机形成共基准粗测模块，所述共基准粗测模块用于在第一测量范围内进行测量，根据所述第二光学合作靶标在所述第一大视场双目相机的像面处的成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第一偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿，使得所述第一基准模块和所述第二基准模块均位于第二测量范围；所述第一测量范围包括所述第二测量范围，所述第二测量范围小于所述第一测量范围；即通过在第一测量范围这个大范围的测量调整之后，可以进一步缩小测量范围，在第二测量范围内再进行更加高精度的测量，第一测量范围具体可指在15米范围内正负一度的范围，第二测量范围具体可指15米范围内正负0.2度的范围。所述第二靶标棱镜和所述第一自准直光学链路形成自准直光路，作为共基准精测模块，所述共基准精测模块用于在第二测量范围内进行测量，根据所述自准直光路的靶面成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第二偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿。

具体的实施方式中，所述共基准粗测模块用于在第一测量范围内进行测量的过程，以及所述共基准精测模块用于在第二测量范围内进行测量的过程中，可以以任意一个基准模块作为基准，相应调整其他基准模块，上述描述中只是为了方便说明，故以第一基准模块作为基准，调整相邻的第二基准模块，实际并不一定采用第一基准模块作为基准，也不一定只是调整第二基准模块，也开业调整其他所需要调整的基准模块。

具体的实施方式中，根据天基多圈层多体制协同地球透视观测载荷群工作原理、重构维度需求，结合各个载荷结构特点及结构形式，本发明提出的基准模块结构的形式如图2和图3所示，分别为平面结构示意图和立体结构示意图，从图中可以看出，所述基准模块包括光学合作靶标2、大视场双目相机1、靶标棱镜3和自准直光学链路4；具体的，光学合作靶标2为大尺寸光学合作靶标，大尺寸光学靶标由不同凸凹有秩的图案构成，通过大视场双目相机1捕获，并进行视觉测量；大视场双目相机1关于光学合作靶标2的中心轴左右对称，大视场双目相机1可完成大跨度下立体测量；靶标棱镜3由两个倾斜的高反射率表面组成，两个倾斜表面的高反射率可用于反射波长范围在632.8nm±50nm的激光光束，具体两个表面的倾斜角度根据所需反射的激光光束的波长范围来确定；自准直光学链路4的光源采用激光光源，保证准直光束的能量满足探测要求，并且自准直光学链路由两个分路构成，具体包括第一光束和第二光束。基准模块中每一部分的指向均由高精度经纬仪进行标定，使其与所在平台的载荷具有相同的指向，即载荷与其对应的基准模块共指向；高精度经纬仪的精度优于2角秒。各个基准模块共同构建大型空间组合体可测量可传递基准体系，其中相邻载荷基准模块的安装要求为上下颠倒，即其中任意一个载荷基准模块中的大视场双目相机与另一个相邻载荷基准模块中大尺寸光学合作靶标相对应，一个载荷基准模块中的自准直链路与另一个相邻载荷基准模块中的靶标棱镜相对应。

本发明根据多体制协同观测载荷群工作原理、测量维度需求、测量精度需求，结合两类光学测量方法的测量范围和测量精度，建立相对基准大范围高精度测量系统，保证测量范围能够覆盖在轨装配偏差、测量精度能够满足组合体基准一致性要求。

本发明还提供一种协同观测载荷群共基准测量方法，所述测量方法通过上述的测量系统实现，所述测量方法包括步骤：

S1、构建基准体系，确定基准模块；

S2、确定所述基准模块的安装位姿；

S3、确定所述基准模块的指向，使得每个载荷与所述载荷中对应的所述基准模块具有相同的指向；

S4、根据所述第二光学合作靶标在所述第一大视场双目相机的像面处的成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第一偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿，使得所述第一基准模块和所述第二基准模块均位于第二测量范围；

S5、根据所述自准直光路的靶面成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第二偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿；

S6、重复S4和S5，依次完成协同观测载荷群中各个载荷相对基准的测量，即依次实现大范围高精度的测量。

具体的实施方式中，S4中共基准粗测的原理包括：

第一，分别将不同载荷的指向通过高精度经纬仪传递到大视场双目相机和大尺寸光学靶标；

第二，标定出对准状态下大尺寸光学靶标在双目相机焦面的成像特点及成像位置；

第三，准确计算典型特征对典型维度的敏感度S，敏感度S具体为一个二维矩阵。

如图4所示，为大尺寸光学靶标在一个双目相机焦面的成像示意图，其中Ⅰ为对准状态，Ⅱ为重构阶段；在轨对准时，根据所述第二光学合作靶标在所述第一大视场双目相机的像面处的成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第一偏差的计算公式如公式(1)所示：

公式(1)中：

S为二维敏感度矩阵；

Dx和Dy分别代表典型特征处于对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元的坐标差；

piv()为逆矩阵符号；

Tx和Ty为载荷需要调整的两个位姿自由度。

具体的实施方式中，S5中共基准精测的测量原理及布局方式如图5和图6所示，从图中可以看出，自准直光学链路4包括两个分路，即第一光束和第二光束，分别用于测量X/Y两个维度的倾斜，即两个维度的角度偏差；具体以其中一个光束为例进行说明，任意一个第一载荷中的第一基准模块中的激光发射组件6发射含特定信息的高质量激光光束，具体的，激光发射组件6包括光束控制模块以及信号标记模块等，光束控制模块主要指控制光束的发散角等，信号标记模块主要指改变光束的外轮廓；激光发射组件6发射的高质量激光光束由分光片组件7反射至物镜组件8，经过物镜组件8后形成带有特定信息的小尺寸准直光束；准直光束出射到第一载荷临近的载荷基准模块中的棱镜靶标3的高反射率反射面，并将光束反射回物镜组件8。

返回的光束经分光片组件7调制后到达自准直焦面组件5，具体如图7所示，为本发明具体实施方式中靶面坐标系及信息点示意图；从图中可以看出，o₁和o₂为标定下的坐标原点，即不同载荷的基准模块共指向时像点在像面的像素坐标，R₁和R₂分别为非共基准时两个光束回路在两个坐标系的成像位置。

针对自准直焦面组件5采集到的信息进行真值估计，然后基于冗余数据处理解算不同载荷的基准模块之间的相对位姿偏差，具体通过公式(2)进行计算，即根据所述自准直光路的靶面成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第二偏差的计算公式为：

公式(2)中：

为在坐标系o₁中，第一光束标靶信号在x方向的敏感度；

为在坐标系o₁中，第一光束标靶信号在y方向的敏感度；

为在坐标系o₂中，第二光束标靶信号在x方向的敏感度；

为在坐标系o₂中，第二光束标靶信号在y方向的敏感度；

△x₁为第一光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元x方向的坐标差；

△y₁为第一光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元y方向的坐标差；

△x₂为第二光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元x方向的坐标差；

△y₂为第二光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元y方向的坐标差；

为冗余数据处理方法；

△Tx和△Ty为基准(载荷)指向调整维度。

本发明所提供的多体制协同观测载荷群共基准测量系统及测量方法，通过多载荷协同观测载荷群实现多圈层地球透视观测需要各个载荷对观测目标具有一致的指向，但只需要两个维度(载荷指向为z轴，则两个倾斜维度指绕x轴旋转和绕y轴旋转)的共基准测量与调整；大视场双目相机能够在较大范围内捕获大尺寸光学靶标信息，并能在较大量程范围内确定其与靶标在两个指向维度的相对位姿关系；自准直光学链路能够在相对基准大跨度条件下，实现二维的精密测量；整体而言，可适用于多圈层多体制协同观测载荷群共基准测量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种协同观测载荷群共基准测量系统，其特征在于，所述测量系统包括第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块；

所述第一确定模块用于确定基准模块，所述第二确定模块用于确定所述基准模块的安装位姿，所述第三确定模块用于确定所述基准模块的指向；所述基准模块包括光学合作靶标、大视场双目相机、靶标棱镜和自准直光学链路；

每个载荷中至少安装一个所述基准模块；第一载荷中安装第一基准模块，第二载荷中安装第二基准模块；

所述第一基准模块包括第一光学合作靶标、第一大视场双目相机、第一靶标棱镜和第一自准直光学链路；所述第二基准模块包括第二光学合作靶标、第二大视场双目相机、第二靶标棱镜和第二自准直光学链路；

所述第二光学合作靶标与所述第一大视场双目相机形成共基准粗测模块，所述共基准粗测模块用于在第一测量范围内进行测量，根据所述第二光学合作靶标在所述第一大视场双目相机的像面处的成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第一偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿，使得所述第一基准模块和所述第二基准模块均位于第二测量范围；

所述第一测量范围包括所述第二测量范围，所述第二测量范围小于所述第一测量范围；

所述第二靶标棱镜和所述第一自准直光学链路形成自准直光路，作为共基准精测模块，所述共基准精测模块用于在第二测量范围内进行测量，根据所述自准直光路的靶面成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第二偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述第一确定模块用于根据载荷共基准测量、重构维度需求，构建基准体系，确定基准模块。

3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述基准体系中，所述第一基准模块中的第一大视场双目相机，与相邻的所述第二基准模块中的第二光学合作靶标相对应；

所述第一基准模块中的第一自准直链路，与相邻的所述第二基准模块中的第二靶标棱镜相对应。

4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光学合作靶标由不同的凸凹有秩的图案构成，所述光学合作靶标通过所述大视场双目相机捕获，并进行视觉测量。

5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述靶标棱镜由两个倾斜的高反射率表面组成。

6.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述自准直光学链路包括两个分路。

7.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述基准模块的指向均由高精度经纬仪进行标定，使得每个载荷与所述载荷中对应的所述基准模块具有相同的指向。

8.一种协同观测载荷群共基准测量方法，其特征在于，所述测量方法通过权利要求1～7中任意一项所述的测量系统实现，所述测量方法包括步骤：

S1、构建基准体系，确定基准模块；

S2、确定所述基准模块的安装位姿；

S3、确定所述基准模块的指向，使得每个载荷与所述载荷中对应的所述基准模块具有相同的指向；

S4、根据所述第二光学合作靶标在所述第一大视场双目相机的像面处的成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第一偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿，使得所述第一基准模块和所述第二基准模块均位于第二测量范围；

S5、根据所述自准直光路的靶面成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第二偏差，以所述第一基准模块为基准，调整所述第二基准模块的安装位姿；

S6、重复S4和S5，依次完成协同观测载荷群中各个载荷相对基准的测量。

9.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述S4中，根据所述第二光学合作靶标在所述第一大视场双目相机的像面处的成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第一偏差的计算公式包括：

S为二维敏感度矩阵；

Dx和Dy分别代表典型特征处于对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元的坐标差；

piv()为逆矩阵符号；

Tx和Ty为载荷需要调整的两个位姿自由度。

10.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述S5中，根据所述自准直光路的靶面成像情况，确定所述第一基准模块和所述第二基准模块的相对位姿的第二偏差的计算公式为：

为在坐标系o₁中，第一光束标靶信号在x方向的敏感度；

为在坐标系o₁中，第一光束标靶信号在y方向的敏感度；

为在坐标系o₂中，第二光束标靶信号在x方向的敏感度；

为在坐标系o₂中，第二光束标靶信号在y方向的敏感度；

△x₁为第一光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元x方向的坐标差；

△y₁为第一光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元y方向的坐标差；

△x₂为第二光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元x方向的坐标差；

△y₂为第二光束标靶信号对准状态与处于非对准状态时其在焦面像元y方向的坐标差；

为冗余数据处理方法；

△Tx和△Ty为基准模块或载荷的指向调整维度。

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