[發明專利]一種基于外場的星敏感器內部參數標定及精度快速驗證系統

有效

• 申請號: 201710627711.5
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107607127B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 陸壯志;萬志江;周鑫;楊賢哲;施麗娟
• 申請（專利權）人: 湖北航天技術研究院總體設計所
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 武漢智匯為專利代理事務所(普通合伙) 42235
• 代理人: 樊黎

1.一種基于外場的星敏感器內部參數標定及精度快速驗證系統，包括星敏感器、時統設備、數據采集分析系統和水平轉位鎖緊試驗裝置，通過建立星敏感器內部參數標定及精度快速驗證系統的閉環信息鏈，通過時統設備獲取高精度時間信息和當前觀星點位置信息，在外場真實星空下，把地球用作勻速轉動的轉臺，采用四位置法對星敏感器的內部參數進行標定，并快速驗證星敏感器的光軸指向精度；

其中：星敏感器，實時采集當前時刻的星圖，接收時統設備的UTC時間信息和當前觀星點位置信息，接收數據采集分析系統計算出來的內部參數信息；

時統設備，實時采集UTC時間信息和當前觀星點位置信息；

數據采集分析系統，接收來自星敏感器的星圖信息，計算星敏感器的內部參數信息，分析星敏感器的光軸指向精度；

水平轉位鎖緊試驗裝置，用于動態調節星敏感器的光軸指向，確保星敏感器的光軸指向垂直指向天頂位置；

閉環信息鏈包括星敏感器與時統設備的通信鏈、星敏感器與數據采集分析系統的通信鏈、數據采集分析系統的天文觀測在線管理系統數據鏈、數據采集分析系統與水平轉位鎖緊試驗裝置之間星敏感器的光軸指向反饋信息鏈；

所述時統設備具有接收北斗和GPS衛星信號完成UTC時間授時和定位的功能，其中定位包括經度、緯度；

所述水平轉位鎖緊試驗裝置具有調平和鎖緊功能，其中調平功能實現星敏感器的光軸指向垂直指向天頂位置，從而將大氣折射效應對星敏感器成像的影響降到最低；鎖緊功能確保星敏感器在觀星時刻能夠保持穩定的位置指向；

所述數據采集分析系統的天文觀測在線管理系統數據鏈包括星敏感器的坐標系轉換模塊、內部參數標定模塊和星敏感器的光軸指向精度評價模塊；

所述星圖信息包括星圖中的UTC時間信息、當前觀星點位置信息、在J2000平赤道地心坐標系下星敏感器的光軸指向、恒星數量、每顆星的匹配星號、星點灰度值、星點x坐標、星點y坐標；

所述內部參數信息包括星敏感器的焦距、主點坐標和畸變系數；

一種基于外場的星敏感器內部參數標定及精度快速驗證系統工作流程如下：

步驟一：選擇一個空曠無大量雜光的區域，搭建整個系統的試驗平臺，把星敏感器固連在水平轉位鎖緊試驗裝置上，讓星敏感器的光學鏡頭垂直朝天放置，打開時統設備的工作電源，待時統設備的時間可用后，啟動星敏感器和數據采集分析系統工作；

步驟二：將水平轉位鎖緊試驗裝置分別調至0°、90°、180°、270°四個位置，數據采集分析系統啟動星圖信息的工作模式，根據數據采集分析系統中星敏感器的光軸指向精度評價模塊提供的值來微調水平轉位鎖緊試驗裝置，確保星敏感器的光軸指向垂直指向天頂位置后，鎖緊水平轉位鎖緊試驗裝置，分別采集10分鐘的星圖信息；

步驟三：數據采集分析系統在停止采集星圖信息后，利用星敏感器的內部參數標定模塊，計算星敏感器的內部參數信息；

步驟四：數據采集分析系統啟動內部參數信息的工作模式，通過星敏感器與數據采集分析系統的通信鏈將星敏感器的內部參數信息上傳至星敏感器指定的FLASH存儲空間中；

步驟五：重復步驟二的過程，數據采集分析系統啟動星圖信息的工作模式，分別采集0°、90°、180°、270°四個位置的星圖信息；

步驟六：數據采集分析系統在停止采集星圖信息后，利用星敏感器的坐標系轉換模塊和星敏感器的光軸指向精度評價模塊，完成星敏感器的光軸指向精度測試工作。

2.根據權利要求1所述的一種基于外場的星敏感器內部參數標定及精度快速驗證系統，星敏感器的光軸指向精度評價模塊實施步驟如下：

步驟一：評價星敏感器的光軸指向是否垂直指向天頂位置，方法是：

當水平轉位鎖緊試驗裝置調至指定位置0°后，數據采集分析系統中星敏感器的坐標系轉換模塊將星敏感器在J2000平赤道地心坐標系下的當前光軸指向信息：光軸赤經、光軸赤緯，實時轉換到在地固坐標系下的當前光軸指向信息：光軸經度、光軸緯度，同時數據采集分析系統采集星敏感器的星圖信息包含觀星點經度和觀星點緯度，通過比對光軸經度與觀星點經度、光軸緯度與觀星點緯度之間的差值，若兩個差值都小于給定閾值10′，則認為當前的光軸指向已垂直指向天頂位置，滿足試驗條件；否則，需要微調水平轉位鎖緊試驗裝置，直到星敏感器的光軸指向垂直指向天頂位置；

步驟二：評價星敏感器在出廠前的光軸指向精度性能指標，數據處理方法是：

采用四位置法采集天頂位置的星圖信息，四位置分別為0°、90°、180°、270°，讓恒星盡可能的快速遍歷星敏感器的整個視場，消除系統的隨機誤差源；數據采集分析系統在接收到星敏感器的星圖信息后，先根據時間有效標志和指向有效標志剔除光軸指向信息中的無效值，再通過星敏感器的坐標系轉換模塊獲得在地固坐標系下的當前光軸指向信息，最后統計光軸指向信息的標準差σ，作為星敏感器的光軸指向精度評價指標；

星敏感器的內部參數標定模塊是通過下述公式獲得：

若O_n-X_nY_nZ_n為天球坐標系，O-XYZ為星敏感器坐標系，設v，w分別為恒星在天球坐標系和星敏感器坐標系中的方向矢量，則

其中，(α,δ)為恒星的赤經、赤緯，(x,y)、(x₀,y₀)分別表示恒星在星敏感器圖像探測器上的投影坐標和主點坐標，f表示焦距；

在不考慮畸變和噪聲誤差理想的情況下，兩顆恒星i、j在星敏感器坐標系中的方向矢量w_i、w_j的夾角與對應的天球坐標系中的位置矢量v_i、v_j的夾角相等，根據這一特性，可以建立式(3)所描述的狀態觀測方程，來估計星敏感器內部參數；

將式(2)代入式(3)，得

由于星敏感器實際光學系統的離焦成像、加工和裝配誤差共同引起的焦距偏差、成像畸變、圖像探測器感光面的傾斜、圖像傳感器感光面的旋轉和主點偏差因素的影響，導致被拍攝的恒星在星敏感器坐標系下的投影位置與天球坐標系下的實際位置不重合，從而引起測角誤差；

綜合以上因素，式(4)中的投影坐標值(x，y)需要加入對應的誤差系數(δx,δy)；由于高階的畸變系數相對來說影響很小，可以忽略不計，因此，畸變模型中包含了一階徑向畸變系數κ₁、二階徑向畸變系數κ₂和一階切向畸變系數κ₃、二階切向畸變系數κ₄，(δx,δy)可用公式表述為：

其中，u＝x-x₀，v＝y-y₀，r＝u²+v²；

因此，式(4)修正為：

為了估計出最優的內部參數信息，先對(f,x₀,y₀)值進行估計，后對(f,κ₁,κ₂,κ₃,κ₄)值進行估計；

當一幅拍攝的星圖有n顆已識別出來的導航星時，記(f,x₀,y₀)的估計值為估計值與真值的誤差記為(Δf,Δx₀,Δy₀)，將式(6)線性化可得

其中，i＝1,2,…,n-1；j＝i+1,i+2,…,n，則有

R＝A[Δf Δx₀ Δy₀]^T (8)

式(8)中

當有m幅拍攝的星圖時有

因此，(x₀,y₀,f)的最小二乘估計結果為

式(11)中

按照上述方法再對(f,κ₁,κ₂,κ₃,κ₄)值進行估計，最終得到的(f,x₀,y₀,κ₁,κ₂,κ₃,κ₄)即為星敏感器的內部參數信息。