一种多视场复合光学敏感器的标定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种多视场复合光学敏感器的标定装置及方法，所述装置包括三轴高精度转台、单星星光模拟器、用于支撑单星模拟器的大理石平台、数据处理计算机以及多视场复合光学敏感器；本发明专利技术建立了多视场复合光学敏感器星光入射矢量、反射矢量以及透视投影成像的模型，利用两步法，分别对单敏感器和复合光学敏感器进行标定。通过本发明专利技术的测量装置和方法，可以测量出多视场复合光学敏感器光学系统的各项参数以及安装参数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种多视场复合光学敏感器的标定装置与方法，属于航天测量技术。
技术介绍
多视场复合光学敏感器是一种新型的航天测量仪器，它利用多个虚拟视场同时对 近地天体（如地球、月球）和恒星成像，为空间飞行器提供姿态和位置信息。一般自主天 文导航系统是通过多种光学敏感器（如星敏感器、太阳敏感器、红外地平仪、紫外月球敏感 器）组合的方式来确定航天器的空间位置和姿态。多视场复合光学敏感器将这些基于同一 光学原理的敏感器在功能上进行复合，实现了 一敏多用。该敏感器的具体实现方式见专 利一种多视场复合光学敏感器标定装置与方法（专利号ZL201310631365.X)。其具体实 现原理为：多视场复合光学敏感器的光学系统由四棱镜和透镜组成，根据光学反射原理将 CMOS成像面分割成不重叠的多个成像区域，由此虚拟出多个观测视场，并分别对恒星和近 地天体成像；然后经过系统的图像预处理程序可以得到星点质心和地球边缘等信息；数据 处理系统利用这些信息进行星图识别以及导航结算，计算出航天器的导航信息。其原理示 意图如图1所示。 光学敏感器在投入使用前必须要测定其内外参数，称之为光学敏感器的标定。多 视场复合光学敏感器在结构原理上类似于具有四个虚拟视场的星敏感器，所以其标定可以 采用星敏感器的标定方法。传统星敏感器的标定方法通常采用基于二轴转台和单星模拟器 的标定法，它主要利用了星光为平行光的特点，对星敏感器的参数进行统一建模，其具体标 定过程见专利'一种星敏感器内外元素校准方法（专利号ZL2005101125537) '。 这种方法现在普遍应用于传统星敏感器的标定以及精度测试，但是对于新型多视 场复合光学敏感器，这种传统标定方法不再适用，其主要原因有以下几点： (1)新型多视场复合光学敏感器的四个虚拟视轴朝向四个不同的方向，进光口与 光轴近于垂直状态，在两轴状态条件下无法安装，而且两轴转台无法按照标定要求运动使 星点线性的布满整个视场。 (2)多视场复合光学敏感器的光学系统包含光学棱镜、透镜和成像器件，其参数更 为复杂。由于棱镜参数和敏感器安装参数、透镜参数相耦合类似，在采用传统标定方法进行 统一建模计算时，会造成计算过程无法收敛或者拟合精度极低。 由于装置、建模和计算方法的限制，传统的基于二轴转台的星敏感器标定方法不 适用于新型多视场复合光学敏感器的标定。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：针对多视场复合光学敏感器的标定存在的问题，提供一 种新型多视场复合光学敏感器的标定装置与方法，对多视场复合光学敏感器分为单敏感器 标定和复合光学敏感器整体标定两部分，并进行分别建模计算，利用非线性拟合方法迭代 出参数的最佳估计值。 本专利技术的技术方案是：一种多视场复合光学敏感器的标定装置，包括三轴高精度 转台、用于支撑单星星光模拟器的大理石平台、用于模拟星光入射的单星星光模拟器、多视 场复合光学敏感器以及数据处理计算机。其中单星星光模拟器水平安装在大理石平台上， 多视场复合光学敏感器安装在三维高精度转台上，复合光学敏感器的视轴平行于三轴高精 度转台的内轴，单星星光模拟器发出的星光方向垂直于三轴高精度转台的中轴。 一种多视场复合光学敏感器的标定方法，分两步进行，分别为单敏感器标定与复 合敏感器整体标定，所述单敏感器是指多视场复合光学敏感器除去光学棱镜的部分；在进 行第一步单敏感器标定后得到单敏感器的安装参数和内部参数，将结果代入第二步复合 敏感器整体标定中参与迭代计算，利用非线性最小二乘法拟合出棱镜参数，其实现步骤如 下： ⑴单敏感器的标定 利用三轴转台来标定单敏感器，在进行第一步单敏感器单元的标定时，多视场光 学敏感器不安装光学棱镜（称之为单敏感器），调整三轴转台中轴，使单敏感器的视轴与单 星模拟器星光入射方向平行，通过传统标定方法可以得到单敏感器的安装误差矩阵，焦距， 光学主点以及镜头畸变系数参数，具体过程参见一种星敏感器内外元素校准方法（专利 号 ZL2005101125537)。 (2)多视场复合光学敏感器的整体标定 在步骤（1)的基础上，保持单敏感器的安装位置不变并正确安装光学四棱镜，调 整三轴转台使得复合光学敏感器的视轴与单星模拟器的星光入射方向相垂直，并按如下步 骤进行标定； (2. 1)建立测量坐标系 建立敏感器坐标系和三轴转台零位坐标系，其中敏感器坐标系与三轴转台零位坐 标系之间的转换关系可由三轴转台转过的角度确定； 敏感器坐标系M定义为：原点Om为多视场复合光学敏感器镜头的光学中心，X m与 图像传感器行方向平行，Ym与图像传感器列方向平行，Zm沿星敏感器镜头的光轴方向，由右 手定则确定，记作：Om-XmYmZm; 转台零位坐标系N定义为：零位状态下由转台回转轴确定的坐标系，原点为转台 的回转中心，X,为三轴转台内框轴转轴，Y,为转台中框轴转轴，Z,为三轴轴转台外框轴转轴 确定，记作也-XJA ; (2. 2)棱镜入射矢量建模 定义从单星星光模拟器发出并入射到光学四棱镜表面上的星光矢量为棱镜入射 矢量V1。影响棱镜入射矢量的因素主要包括星光矢量初始对准偏差Vtl、敏感器安装偏差R w和转台转换矩阵&，它们之间关系为： V1 = WV0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多视场复合光学敏感器的标定装置，其特征在于包括：三轴高精度转台、单星星光模拟器、用于支撑单星模拟器的大理石平台、数据处理计算机以及多视场复合光学敏感器；其中单星星光模拟器水平安装在大理石平台上，多视场复合光学敏感器安装在三维高精度转台上，复合光学敏感器的主视轴平行于三轴高精度转台的内轴，单星星光模拟器发出的星光方向垂直于三轴高精度转台的中轴。

【技术特征摘要】
1. 一种多视场复合光学敏感器的标定装置，其特征在于包括：三轴高精度转台、单星 星光模拟器、用于支撑单星模拟器的大理石平台、数据处理计算机以及多视场复合光学敏 感器；其中单星星光模拟器水平安装在大理石平台上，多视场复合光学敏感器安装在三维 高精度转台上，复合光学敏感器的主视轴平行于三轴高精度转台的内轴，单星星光模拟器 发出的星光方向垂直于三轴高精度转台的中轴。2. -种多视场复合光学敏感器的标定方法，其特征在于：多视场复合光学敏感器的标 定分两步进行，分别为单敏感器标定与复合敏感器整体标定，所述单敏感器是指多视场复 合光学敏感器除去光学棱镜的部分；在进行第一步单敏感器标定后得到单敏感器的安装参 数和内部参数，将结果代入第二步复合敏感器整体标定中参与迭代计算，利用非线性最小 二乘法拟合出棱镜参数，具体实现步骤如下： (1) 单敏感器的标定 利用三轴转台来标定单敏感器，在进行第一步标定时，多视场光学敏感器不安装光学 棱镜，称之为单敏感器。调整三轴转台中轴，使单敏感器的视轴与单星模拟器星光入射方向 平行，利用星敏感器的标定方法得到单敏感器的安装误差矩阵，焦距，光学主点以及镜头畸 变系数等参数； (2) 多视场复合光学敏感器的整体标定 在步骤（1)的基础上，保持单敏感器的安装位置不变并正确安装光学四棱镜，调整三 轴转台使得复合光学敏感器的视轴与单星模拟器的星光入射方向相垂直，并按如下步骤进 行标定； (2. 1)建立测量坐标系 建立敏感器坐标系和三轴转台零位坐标系，其中敏感器坐标系与三轴转台零位坐标系 之间的转换关系由三轴转台转过的角度确定； 敏感器坐标系M定义为：原点Om为多视场复合光学敏感器镜头的光学中心，Xm与图像 传感器行方向平行，Ym与图像传感器列方向平行，Zm沿星敏感器镜头的光轴方向，由右手定 则确定，记作：〇m_XmYmZm ; 转台零位坐标系N定义为：零位状态下由转台回转轴确定的坐标系，原点为转台的回 转中心，X,为三轴转台内框轴转轴，Y,为转台中框轴转轴，Z,为三轴转台外框轴转轴确定， 记作：〇r_XrYrZr ; (2. 2)棱镜入射矢量建模 定义从单星星光模拟器发出并入射到光学四棱镜表面上的星光矢量为棱镜入射矢量Vi。影响棱镜入射矢量的因素包括星光矢量初始对准偏差％、敏感器安装偏差Rw和转台转 换矩阵艮，它们之间关系为： Vi=Rr*Rw*V0 令，经计算可以得到： vn = z〇cos a cos ^ cos co2+z^in a cos ^ cos co 2+z2sin ^ cos co 2+z3cos a cos^ cosco^i nc〇2 +z4sinacos3coscopinco2+z5sin3coscopinco2+z6cosacos3sincopinco2 +z7sinacos 3sincopinco2+z8sin3 sincopinco2 v12 = _z0cosapos3sinco2-ZiSinacos3sinco2_z2sin3sinco2+z3cosapos3cosco丄cosco2 +z4sinacos ^cosco^osco2+z5sin^ cosco^osco2+z6cosacos ^sinco^osco2 +z7sinacos3sincofosco2+z8sin3sincofosco2 v13 = _z3cosacos3sinco「Zqsinacos3sinco「ZsSin3sincoi+ZgCosacos3cosco丄 +z7sinacos3coscoi+ZsSin3cosco丄 其中a，0为星光矢量在坐标系N中的类赤经和类赤纬；Z(l?z8SRw矩阵自左上至 右下的元素，其值经第（1)步标定得到；％为转台从零位状态绕中轴的旋转角，《2为转台 从零位绕外轴的旋转角； (2. 3)棱镜反射矢量建模 定义经四棱镜表面反射后进入光学透镜的矢量为棱镜反射矢量影响棱镜反射矢量 的因素包括对应棱镜平面的法向量&，设为视场1、棱镜入射向量'， 根据平面反射原理得到它们之间的关系为：令_经计算可以得到： rx =sin^ (z2cosco2+z5cosco^inco2+z8sinco^inco2+cosacos^ (z〇cosco2+z3coscoxs inc〇2+ z6sincopinco2)+cos3sina(zfoscoi+ZqCoscopinco2+z7sincopinco2)-cos由cosY( 2sin (sin3 (ZsCoscOfZsSincoJ+cosacos^ (ZeCoscOfZgSincoJ+cos^sina(zfoscOfZq sinco汐） +2cos4>siny(sin^ (z5cosco^osco2-z2sinco2+z8cosco2sincox)+cosacos^ (z3cosco iCOS co 2 _z0sinco2+z6cosco2sinco)+cos3sina(z4coscofosco2-ZiSinco2+z7cosco...

【专利技术属性】
技术研发人员：江洁，李宁，闫劲云，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11