[發明專利]基于經緯儀叉絲成像的多視場星敏感器的標定系統及方法

有效

• 申請號: 202110883235.X
• 申請日: 2021-08-02
• 公開（公告）號: CN113607188B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 江潔;田凌峰;楊季三;張廣軍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 北京竹辰知識產權代理事務所(普通合伙) 11706
• 代理人: 陳龍;聶鵬

基于經緯儀叉絲成像的多視場星敏感器標定系統及方法，包括以下步驟：對經緯儀十字叉絲經望遠鏡物鏡和星敏感器鏡頭在星敏感器像面上成像的過程進行建模；根據視場參數建立標定軌跡，采集不同標定位置上星敏感器拍攝到的十字叉絲圖像和經緯儀測量角度；將十字叉絲圖像提取為交叉點圖像坐標，以交叉點坐標和經緯儀角度為輸入數據，根據十字叉絲成像模型構建優化問題求解經緯儀坐標系和視場坐標系旋轉關系；通過經緯儀互瞄建立各經緯儀坐標系之間的旋轉關系；對分步結果進行融合，得到多視場星敏感器結構參數標定結果。本方法保持較高的標定精度使用多臺電子經緯儀構建標定系統，系統構型自由，應用于具有大尺寸、大重量和任意視場分布結構的多視場星敏感器系統。

技術領域

本發明屬于天文導航技術領域，提供了一種基于經緯儀叉絲成像的多視場星敏感器的標定系統與方法。

背景技術

測量精度和動態性能是星敏感器的兩個重要的性能指標。受到視場大小的限制，單視場星敏感器通常繞光軸方向姿態測量誤差比另兩軸高一個數量級，而多視場星敏感器可以利用某一視場高精度測量軸向的測量結果對其他視場低精度測量軸向進行補償，實現三軸等精度姿態測量；由于多視場星敏感器的視場范圍遠大于同規格的單視場星敏感器，因此多視場星敏感器的觀測星數量也多于單視場星敏感器，具有更高的整體姿態測量精度；另外，當星敏感器角速度增加時，各視場的星等探測靈敏度均有不同降低，觀測星數目減少，由于多視場星敏感器可以實現各視場星點信息融合，只要觀測星的總數目大于三個，仍可以輸出有效姿態，因而具有較單視場星敏感器更高的動態性能。

多視場星敏感器系統測量姿態的關鍵步驟是將不同視場中的星矢量融合至統一的坐標系下。由于加工和裝調誤差的存在，多視場星敏感器的各視場坐標系之間的旋轉關系，即結構參數將會偏離設計值，進而導致姿態測量失準。因此，精確標定結構參數對保證多視場星敏感器姿態測量精度具有重要意義。

目前多視場星敏感器結構參數標定常用的方法共有三種。第一種方法是外場標定方法，即控制多視場星敏感器的不同視場同時曝光，分別解算各視場坐標系相對天球坐標系的旋轉關系，以天球坐標系為中間坐標系得到各視場結構參數。該方法容易受到大氣折射的影響，導致標定結果精度較差，往往無法滿足多視場星敏感器的測量精度需求。第二種方法使用電子經緯儀結合基準立方鏡對結構參數進行標定，見“一種星敏感器探頭組合體光軸指向標定方法(申請號CN2011104609570，公開號CN102538825 A)”，該方法在多視場星敏感器每一視場上固連一基準立方鏡，進行各視場的星敏感器內外方元素校準時可以建立視場坐標系與棱鏡坐標系的旋轉關系，使用多臺經緯儀瞄準棱鏡可以建立各棱鏡坐標系與經緯儀坐標系的旋轉關系，再通過經緯儀互瞄可以建立各經緯儀坐標系之間的旋轉關系，最后進行融合得到視場結構參數。該方法的標定精度很大程度上受限于基準立方鏡的加工精度，通常基準立方鏡的加工精度只能達到角分級別，在對結構參數精度有較高要求時其標定精度不能滿足多視場星敏感器的使用需求。第三種方法使用三軸轉臺對結構參數進行標定，見專利“一種基于三軸轉臺的多視場星敏感器的標定系統及方法(申請號CN2018113663006，公開號CN109459059A)”，該方法利用多視場星敏感器視軸分布的對稱性，通過轉動三軸轉臺內框，使各視場輪流處于單星模擬器照射范圍內，分別進行星敏感器內外方元素校準，得到每一視場相對轉臺坐標系的旋轉關系，以轉臺坐標系為中間坐標系得到各視場結構參數。但通常三軸轉臺的安裝尺寸和載重能力有限，該方法只適用于輕小型多視場星敏感器系統的標定，且多視場星敏感器的視軸分布也需要具有對稱性，對于大體積、大重量或視軸分布不對稱的多視場星敏感器系統無法應用該方法。此外，諸如專利申請，申請號CN2010101884887，公開號：CN101858755 A公開的一種星敏感器的標定方法；申請號：CN2010105127866，公開號：CN102032918A公開的三探頭星敏指向標定方法；申請號：CN2014102253866，公開號：CN104154928A公開的一種適用于慣性平臺內置式星敏感器的安裝誤差標定方法；申請號：CN2014103608057，公開號：CN105318891B公開的一種星敏感器基準立方鏡安裝誤差的標定裝置；申請號：CN2018115226969，公開號：CN109506645 A公開的一種星敏感器安裝矩陣地面精測方法；申請號：CN2019107203476，公開號：CN110345970 A公開的一種光學導航敏感器標定方法及其設備；申請號：CN2019113583595，公開號：CN111044077 A公開的星敏感器測量坐標系與基準立方鏡坐標系間的標定方法等，均使用經緯儀對星敏感器相關參數和相關坐標系轉換關系進行標定，但這些方法均需要配合基準立方鏡使用，有些方法還需要附加額外的基準源，如平行光管及高精度轉臺或由標定點構成的標定場等，標定系統搭建復雜，且需要使用基準立方鏡構建中間轉換坐標系，涉及坐標系眾多，在多次坐標系轉換中難以控制標定誤差，基準立方鏡的加工精度不足也會導致標定結果精度降低。