一种星敏感器光轴引出机构校准方法技术

一种星敏感器光轴引出机构校准方法，步骤为：首先用光学角规和小平面反射镜开展自准直仪准直误差的校准。然后，用自准直仪和大平面反射镜进行二维平移台的指向偏摆校准；最后评定星敏感器光轴引出机构校准结果的测量不确定度。本发明专利技术解决了机构内部二维平移台的指向偏摆校准和自准直仪在现场的校准测试，实现了星敏感器光轴引出机构系统角度误差的校准，提高星敏感器光轴引出精度。

A Calibration Method of Star Sensor Optical Axis Extraction Mechanism

A calibration method for star sensor optical axis extraction mechanism is presented. The steps are as follows: firstly, the calibration error of autocollimator is carried out by using optical angle gauge and small planar mirror. Then, the autocollimator and the large planar mirror are used to calibrate the pointing deflection of the two-dimensional translation platform. Finally, the uncertainty of the calibration results of the star sensor optical axis extraction mechanism is evaluated. The method solves the pointing deflection calibration of the two-dimensional translation table inside the mechanism and the calibration test of the autocollimator in the field, realizes the calibration of the angle error of the star sensor optical axis extraction mechanism system, and improves the precision of the star sensor optical axis extraction.

【技术实现步骤摘要】
一种星敏感器光轴引出机构校准方法
本专利技术属于专用测试设备计量领域，涉及一种星敏感器光轴引出机构校准方法。
技术介绍
决定星敏感器整机精度水平的因素有很多，其中星敏感器内部关键成像组件间空间装调精度为硬件误差因素的重要部分。老星敏感器光学基准的指向由其安装面相对于镜头安装面的机加精度决定，并不能真实反映光轴指向，精度低且产品一致性差。为实现高精度星敏感器光轴引出，提高关键基准精密装调精度，研制一套星敏感器光轴引出机构，该机构可以实现高精度成像系统的光轴引出、探测器芯片感光面的法线引出、建立光轴与芯片指向之间关系等，该机构的精度直接影响星敏感器精度，因此校准其精度成为重点和难点。星敏感器光轴引出机构通过准直方式将光轴引出到自准直仪上，再通过二维平移台将立方镜移至自准直仪视场，准直立方镜并指导立方镜安装，通过这种方法建立光学系统光轴指向和立方镜指向的关系。根据不同的位移范围，二维平移台单轴偏摆一般为几秒至几十秒，目前，国家规程尚没有相关规定平移台两轴联动时偏摆误差的校准方法。自准直仪误差一般在2″以内，光轴引出机构的系统误差主要由二维平移台决定，要提高光轴引出精度，必须对二维平移台的指向偏摆进行校准。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用平面反射镜和双向自准直仪，在不进行系统误差解耦的情况下，实现二维平移台移动到任意位置的偏摆测试，同时利用光学角规实现自准直仪的现场校准，最终解决了星敏感器光轴引出机构光轴指向引出精度的校准。本专利技术的技术方案是：一种星敏感器光轴引出机构校准方法，包括下列步骤：(1)利用光学角规和平面反射镜进行自准直仪误差的校准，得到自准直仪的准直测量误差；(2)在全量程范围内取n个不同偏差角的光学角规M1～Mn重复步骤(1)过程，n≥10，其中测量范围在±20″内取不少于5个光学角规，得到n次自准直仪示值误差β1～βn；取所有测量误差中的绝对值最大的作为自准直仪准直误差Δ自准直仪；(3)安装好自准直仪，将平面反射镜放置于二维平移台上，将二维平移台两轴导轨调整至十字交叉形，平面反射镜反射面向上水平放置在二维平移台上，调整平面反射镜与上方的自准直仪准直，锁紧平移台下面的角位移台，自准直仪清零，该位置作为初始零位；(4)定义横向导轨为X轴导轨；调整X轴导轨至负行程最大点，将X轴导轨从负向往正方向运动，分别按照负行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点，正行程1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点记录自准直仪读数ΔXi，i＝1…9；Max(ΔXi)－Min(ΔXi)为X轴导轨运动造成二维平移台的指向偏摆误差Δ平移台X；(5)定义纵向导轨为Y轴导轨；调整Y轴导轨至负行程最大点，将Y轴导轨从负向往正方向运动，按照负行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点，正行程1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点记录自准直仪读数ΔYi；Max(ΔYi)－Min(ΔYi)为Y轴导轨运动造成二维平移台的指向偏摆误差Δ平移台Y；(6)X轴导轨和Y轴导轨同时运动到正向行程所围成的象限区域为第一象限；X轴导轨和Y轴导轨同时运动到负向行程所围成的象限区域为第三象限；调整X轴和Y轴导轨至负行程最大点，X轴从负向往正方向运动，每次运动的步距sx为X轴正行程的1/4，Y轴从负向往正向运动，每次运动的步距sy为Y轴正行程的1/4；在X轴负向和Y轴负向行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点位置记录自准直仪读数ΔX负Y负j，j＝1，…，5；在X轴正向和Y轴正向行程零点、1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点位置记录自准直仪读数ΔX正Y正j；取第一象限Max(ΔX正Y正j)－Min(ΔX正Y正j)为第一象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ一象限；取第三象限Max(ΔX负Y负j)－Min(ΔX负Y负j)为第三象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ三象限；(7)X轴导轨运动到负向行程、Y轴导轨运动到正向行程所围成的象限区域为第二象限；X轴导轨运动到正向行程、Y轴导轨运动到负向行程所围成的象限区域为第四象限；X轴导轨运动到负向行程最大点，Y轴导轨运动到正向行程最大点；将X轴导轨从负向行程最大点往正方向运动，每次运动的步距sx为X轴正行程的1/4，同时将Y轴导轨从正向行程最大点往负方向运动，每次运动的步距sy为Y轴正行程的1/4；在X轴负向行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点位置记录自准直仪读数ΔX负Y正j；在X轴正向行程零点、1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点位置记录自准直仪读数ΔX正Y负j，j＝1，…，5；取第二象限Max(ΔX负Y正j)－Min(ΔX负Y正j)为第二象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ二象限；取第四象限Max(ΔX正Y负j)－Min(ΔX正Y负j)为第四象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ四象限；(8)取ΔXi、ΔYi、ΔX负Y负j、ΔX正Y正j、ΔX负Y正j、ΔX正Y负j中的最大值减去最小值，作为二维平移台指向偏摆示值误差Δ平移台；(9)计算星敏感器光轴引出机构光轴引出误差Δ＝Δ自准直仪+Δ平移台；(10)用自准直仪和大平面反射镜测试二维平移台指向的重复性；将X轴和Y轴导轨调整至零位，记录自准直仪读数L0，移动二维平移台至某固定位置，记录自准直仪读数L1，计算P1＝L1-L0，以此为一个测量循环，重复10组测量，得到P1～Pw，w＝1，2，…，10；(11)计算二维平移台指向重复性引入的不确定度分量u重复性；(12)计算二维平移台指向偏摆误差引入的不确定度分量u平移台；(13)计算自准直仪准直误差引入的不确定度分量u自准直仪；(14)计算温度影响引入的测量不确定度u温度；(15)测量不确定度合成，计算扩展测量不确定度U，完成星敏感器光轴引出机构校准。所述步骤(1)中得到自准直仪的准直测量误差的具体过程为：将光学角规、自准直仪、小平面反射镜放置在同一平台上，光学角规位于中间，光学角规主截面和平面镜均垂直于自准直仪视轴；将激光找准器放置在自准直仪上，调整自准直仪底座上的偏摆和俯仰旋钮，使自准直仪的激光找准光束射到光学角规的中心位置并且出射光束和入射光束尽量重合；拿走激光找准器，打开自准直仪测量软件，启动后观察到十字回像；记录自准直仪分别准直光学角规前后两个面时的角度读数β1和β2，计算光学角规偏向角测量值；对比光学角规偏向角的标定值，得出自准直仪的测量误差。所述步骤(2)的具体误差计算方法如下：光学角规偏向角标定值采用国家计量院计量校准证书上的实测值，测量点误差计算公式如下：其中，c为玻璃折射率；β标为光学角规偏向角的标定值；β为自准直仪在该点的准直误差。所述步骤(3)中平面反射镜直径大于两轴导轨中较长导轨行程的3/4，平面反射镜平面度优于0.08μm。所述步骤(11)的具体实现方法如下：计算测量重复性引入的不确定度分量uA(x)：其中s(x)为实验标准偏差，计算公式如下：其中，为Pw，w＝1，2，…，10的平均值；所述步骤(12)的具体实现方法如下：二维平移台指向偏摆最大示值误差为Δ平移台，k为置信因子，则：所述步骤(13)的具体实现方法如下：取自准直仪允许误差MPE允许和上述测量计算得到Δ自准直仪中最大值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星敏感器光轴引出机构校准方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)利用光学角规和平面反射镜进行自准直仪误差的校准，得到自准直仪的准直测量误差；(2)在全量程范围内取n个不同偏差角的光学角规M1～Mn重复步骤(1)过程，n≥10，其中测量范围在±20″内取不少于5个光学角规，得到n次自准直仪示值误差β1～βn；取所有测量误差中的绝对值最大的作为自准直仪准直误差Δ自准直仪；(3)安装好自准直仪，将平面反射镜放置于二维平移台上，将二维平移台两轴导轨调整至十字交叉形，平面反射镜反射面向上水平放置在二维平移台上，调整平面反射镜与上方的自准直仪准直，锁紧平移台下面的角位移台，自准直仪清零，该位置作为初始零位；(4)定义横向导轨为X轴导轨；调整X轴导轨至负行程最大点，将X轴导轨从负向往正方向运动，分别按照负行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点，正行程1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点记录自准直仪读数ΔXi，i＝1...9；Max(ΔXi)‑Min(ΔXi)为X轴导轨运动造成二维平移台的指向偏摆误差Δ平移台X；(5)定义纵向导轨为Y轴导轨；调整Y轴导轨至负行程最大点，将Y轴导轨从负向往正方向运动，按照负行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点，正行程1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点记录自准直仪读数ΔYi；Max(ΔYi)‑Min(ΔYi)为Y轴导轨运动造成二维平移台的指向偏摆误差Δ平移台Y；(6)X轴导轨和Y轴导轨同时运动到正向行程所围成的象限区域为第一象限；X轴导轨和Y轴导轨同时运动到负向行程所围成的象限区域为第三象限；调整X轴和Y轴导轨至负行程最大点，X轴从负向往正方向运动，每次运动的步距sx为X轴正行程的1/4，Y轴从负向往正向运动，每次运动的步距sy为Y轴正行程的1/4；在X轴负向和Y轴负向行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点位置记录自准直仪读数ΔX负Y负j，j＝1，...，5；在X轴正向和Y轴正向行程零点、1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点位置记录自准直仪读数ΔX正Y正j；取第一象限Max(ΔX正Y正j)‑Min(ΔX正Y正j)为第一象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ一象限；取第三象限Max(ΔX负Y负j)‑Min(ΔX负Y负j)为第三象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ三象限；(7)X轴导轨运动到负向行程、Y轴导轨运动到正向行程所围成的象限区域为第二象限；X轴导轨运动到正向行程、Y轴导轨运动到负向行程所围成的象限区域为第四象限；X轴导轨运动到负向行程最大点，Y轴导轨运动到正向行程最大点；将X轴导轨从负向行程最大点往正方向运动，每次运动的步距sx为X轴正行程的1/4，同时将Y轴导轨从正向行程最大点往负方向运动，每次运动的步距sy为Y轴正行程的1/4；在X轴负向行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点位置记录自准直仪读数ΔX负Y正j；在X轴正向行程零点、1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点位置记录自准直仪读数ΔX正Y负j，j＝1，...，5；取第二象限Max(ΔX负Y正j)‑Min(ΔX负Y正j)为第二象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ二象限；取第四象限Max(ΔX正Y负i)‑Min(ΔX正Y负j)为第四象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ四象限；(8)取Δxi、ΔYi、ΔX负Y负j、ΔX正Y正j、ΔX负Y正j、ΔX正Y负j中的最大值减去最小值，作为二维平移台指向偏摆示值误差Δ平移台；(9)计算星敏感器光轴引出机构光轴引出误差Δ＝Δ自准直仪+Δ平移台；(10)用自准直仪和大平面反射镜测试二维平移台指向的重复性；将X轴和Y轴导轨调整至零位，记录自准直仪读数L0，移动二维平移台至某固定位置，记录自准直仪读数L1，计算P1＝Li‑L0，以此为一个测量循环，重复10组测量，得到P1～Pw，w＝1，2，...，10；(11)计算二维平移台指向重复性引入的不确定度分量u重复性；(12)计算二维平移台指向偏摆误差引入的不确定度分量u平移台；(13)计算自准直仪准直误差引入的不确定度分量u自准直仪；(14)计算温度影响引入的测量不确定度u温度；(15)测量不确定度合成，计算扩展测量不确定度U，完成星敏感器光轴引出机构校准。...

【技术特征摘要】
1.一种星敏感器光轴引出机构校准方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)利用光学角规和平面反射镜进行自准直仪误差的校准，得到自准直仪的准直测量误差；(2)在全量程范围内取n个不同偏差角的光学角规M1～Mn重复步骤(1)过程，n≥10，其中测量范围在±20″内取不少于5个光学角规，得到n次自准直仪示值误差β1～βn；取所有测量误差中的绝对值最大的作为自准直仪准直误差Δ自准直仪；(3)安装好自准直仪，将平面反射镜放置于二维平移台上，将二维平移台两轴导轨调整至十字交叉形，平面反射镜反射面向上水平放置在二维平移台上，调整平面反射镜与上方的自准直仪准直，锁紧平移台下面的角位移台，自准直仪清零，该位置作为初始零位；(4)定义横向导轨为X轴导轨；调整X轴导轨至负行程最大点，将X轴导轨从负向往正方向运动，分别按照负行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点，正行程1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点记录自准直仪读数ΔXi，i＝1...9；Max(ΔXi)-Min(ΔXi)为X轴导轨运动造成二维平移台的指向偏摆误差Δ平移台X；(5)定义纵向导轨为Y轴导轨；调整Y轴导轨至负行程最大点，将Y轴导轨从负向往正方向运动，按照负行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点，正行程1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点记录自准直仪读数ΔYi；Max(ΔYi)-Min(ΔYi)为Y轴导轨运动造成二维平移台的指向偏摆误差Δ平移台Y；(6)X轴导轨和Y轴导轨同时运动到正向行程所围成的象限区域为第一象限；X轴导轨和Y轴导轨同时运动到负向行程所围成的象限区域为第三象限；调整X轴和Y轴导轨至负行程最大点，X轴从负向往正方向运动，每次运动的步距sx为X轴正行程的1/4，Y轴从负向往正向运动，每次运动的步距sy为Y轴正行程的1/4；在X轴负向和Y轴负向行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点位置记录自准直仪读数ΔX负Y负j，j＝1，...，5；在X轴正向和Y轴正向行程零点、1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点位置记录自准直仪读数ΔX正Y正j；取第一象限Max(ΔX正Y正j)-Min(ΔX正Y正j)为第一象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ一象限；取第三象限Max(ΔX负Y负j)-Min(ΔX负Y负j)为第三象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ三象限；(7)X轴导轨运动到负向行程、Y轴导轨运动到正向行程所围成的象限区域为第二象限；X轴导轨运动到正向行程、Y轴导轨运动到负向行程所围成的象限区域为第四象限；X轴导轨运动到负向行程最大点，Y轴导轨运动到正向行程最大点；将X轴导轨从负向行程最大点往正方向运动，每次运动的步距sx为X轴正行程的1/4，同时将Y轴导轨从正向行程最大点往负方向运动，每次运动的步距sy为Y轴正行程的1/4；在X轴负向行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点位置记录自准直仪读数ΔX负Y正j；在X轴正向行程零点、1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点位置记录自准直仪读数ΔX正Y负j，j＝1，...，5；取第二象限Max(ΔX负Y正j)-Min(ΔX负Y正j)为第二象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ二象限；取第四象限Max(ΔX正Y负i)-Min(ΔX正Y负j)为第四象限X和Y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差Δ四象限；(8)取Δxi、ΔYi、ΔX负Y负j、ΔX正Y正j、ΔX负Y正j、ΔX正Y负j中的最大值减去最小值，作为二维平移台指向偏摆示值误差Δ平移台；(9)计算星敏感器光轴引出机构光轴引出误差Δ＝Δ自...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瀚文，王晓燕，于志军，马德智，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11