一种星敏感器多参数优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种星敏感器多参数优化方法，通过搭建星敏感器多参数优化系统，成像星点光斑参数获取模块用以获取成像星点光斑在图像平面的坐标和转台坐标系下的方向矢量，参数求取模块用以校正星点光斑在转台坐标系下的方向矢量和求取星点光斑对在不同坐标下的角距余弦值，目标函数构建模块构建目标函数，误差判定模块对星点光斑的重投影误差进行判定，完成了星敏感器多参数的优化。本发明专利技术考虑星敏感器光学参数和安装误差两者之间存在的内在关联，同时对星敏感器光学参数和安装误差进行估计。本发明专利技术方法可以有效地完成星敏感器的多参数优化，具有很高的使用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种星敏感器多参数优化方法及系统
本专利技术涉及一种多参数优化方法及系统，特别是一种星敏感器多参数优化方法及系统。
技术介绍
星敏感器作为目前航天器中重要的姿态测量敏感器之一，其测量精度直接影响航天器的姿态定位精度，通常，星敏感器在研制过程中，光学参数会存在误差，主要包括主点误差和焦距误差，同时，星敏感器坐标系和安装基准坐标系之间存在安装误差，这些误差会影响星敏感器质心定位的精度，降低星图识别算法的准确率，进而影响星敏感器的姿态定位精度。现有优化方法中，通常分别对星敏感器的光学参数和安装误差进行优化，忽略星敏感器光学参数和安装误差两者之间存在的内在关联，从而引入额外误差，降低了星敏感器参数的优化精度。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种星敏感器多参数优化方法及系统，解决现有方法忽略星敏感器光学参数和安装误差之间存在的关系而引入额外误差的问题。一种星敏感器多参数优化方法的具体步骤为：第一步搭建星敏感器多参数优化系统星敏感器多参数优化系统，包括：成像星点光斑参数获取模块、参数求取模块、目标函数构建模块和误差判定模块。成像星点光斑参数获取模块的功能为：获取成像星点光斑在图像平面的坐标和转台坐标系下的方向矢量。参数求取模块的功能为：校正星点光斑在转台坐标系下的方向矢量和求取星点光斑对在不同坐标下的角距余弦值。目标函数构建模块的功能为：构建目标函数，优化星敏感器的光学参数和安装误差。误差判定模块的功能为：对星点光斑的重投影误差进行判定。第二步成像星点光斑参数获取模块用以获取成像星点光斑在图像平面的坐标和转台坐标系下的方向矢量平行光管产生的平行光经星敏感器成像，在星敏感器成像平面中形成星点光斑，通过调节转台改变星敏感器坐标系的姿态，进而改变平行光经星敏感器成像产生的星点光斑在星敏感器坐标系的质心坐标：通过调节俯仰滚转台，采集平行光管在星敏感器的成像星点光斑，记录星点光斑在星敏感器坐标系下的质心坐标(us,vs)和星点光斑在转动后的转台坐标系下的方向矢量r＝(xs,ys,zs)T，θ、ψ、φ分别表示星敏感器与基础坐标系y轴、z轴、x轴的安装误差角，(θ,ψ,φ)的估计初值为(0,0,0)。us、vs分别表示星点光斑在星敏感器坐标系下的质心在x、y方向的坐标；xs、ys、zs分别表示星点光斑在转动后的转台坐标系下的矢量在x、y、z方向的值。第三步参数求取模块用以校正星点光斑在转台坐标系下的方向矢量和求取星点光斑对在不同坐标下的角距余弦值星敏感器与基础坐标系的安装误差角较小，结合小角度近似，获取星敏感器与基础坐标系的安装误差矩阵M：星点光斑通过安装误差矩阵得到星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量为：rR＝(xR,yR,zR)T，则：rR＝Mr(2)xR、yR、zR分别表示星点光斑通过安装误差矩阵得到星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量在x、y、z方向的值。将公式(2)展开：用公式(4)求取星点光斑对在星敏感器测量坐标系下的角距余弦值，两两不同的星点光斑组成星点光斑对，用星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量，结合公式(5)确定星点光斑对方向矢量之间的角距余弦值。i、j分别表示第i个、第j个星点光斑的索引；bi、bj分别表示第i个星点光斑、第j个星点光斑在星敏感器测量坐标系下的矢量；rRi、rRj分别表示第i个星点光斑、第j个星点光斑在转台坐标系下校正后的矢量；u0、v0分别为星敏感器的主点在x、y方向的坐标；uis、vis分别表示第i个星点光斑在星敏感器测量坐标系下的质心在x、y方向的坐标；xRi、yRi、zRi分别表示第i个星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量在x、y、z方向的值，f为星敏感器焦距；fij表示第i个和第j个星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量构成的星间角距余弦值；表示第i个星点光斑与第j个星点光斑在星敏感器测量坐标系下的星间角距余弦值。主点(u0,v0)的估计初始值为星敏感器成像平面的中心位置，焦距f的估计初值用公式(8)求得：Fu为星敏感器在u方向的视场宽度。第四步目标函数构建模块构建目标函数结合理想的小孔成像原理，目标函数构建模块估算星点光斑在星敏感器坐标系下的质心坐标(ud,vd)：ud、vd分别表示估算星点光斑在星敏感器坐标系下的质心在x、y方向的坐标。得到(ud,vd)与安装误差角(θ,ψ,φ)的关系为：给定N个星点星点光斑，且有1≤i≤N-1、i+1≤j≤N和1≤t≤N，t表示第t个星点光斑。目标函数构建模块构建目标函数：uts、vts分别表示第t个星点光斑在星敏感器坐标系的质心在x、y方向的坐标；utd、vtd分别表示第t个星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量经过公式(10)估算得到的质心在x、y方向的坐标；表示第i个星点光斑与第j个星点光斑在星敏感器测量坐标系下的星间角距余弦值；fij表示第i个和第j个星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量构成的星间角距余弦值。第五步误差判定模块对星点光斑的重投影误差进行判定误差判定模块利用估算得到主点坐标和焦距以及安装误差角估计值根据小孔成像原理，得到平行光在星敏感器测量坐标下的星点光斑重投影质心坐标为：分别表示星敏感器的主点在x、y方向的坐标；分别表示星敏感器与基础坐标系y轴、z轴、x轴的安装误差角估计值；分别表示为平行光在星敏感器测量坐标下的星点光斑重投影质心在x、y方向的坐标；表示星敏感器焦距的估计值。误差判定模块获取所有星点光斑的重投影误差ε为：式中，p表示第p个星点光斑的索引，且1≤p≤N，N表示星点光斑的总个数；ups、vps分别表示第p个星点光斑在星敏感器测量坐标下的质心在x、y方向的坐标；分别表示第p个星点光斑的重投影质心在x、y方向的坐标。当重投影误差ε小于容许误差ξ时，则判定结束，得到最终的主点坐标、焦距和安装误差角估计值；当重投影误差ε大于等于容许误差ξ时，重复第二步、第三步、第四步和第五步。至此，完成了星敏感器多参数的优化。本专利技术考虑星敏感器光学参数和安装误差两者之间存在的内在关联，同时对星敏感器光学参数和安装误差进行估计。本专利技术方法可以有效地完成星敏感器的多参数优化，具有很高的使用价值。因此，充分考虑星敏感器的光学参数和安装误差的相互影响，研究多参数同时优化的算法是非常必要的。具体实施方式一种星敏感器多参数优化方法的具体步骤为：第一步搭建星敏感器多参数优化系统星敏感器多参数优化系统，包括：成像星点光斑参数获取模块、参数求取模块、目标函数构建模块和误差判定模块。成像星点光斑参数获取模块的功能为：获取成像星点光斑在图像平面的坐标和转台坐标系下的方向矢量。参数求取模块的功能为：校正星点光斑在转台坐标系下的方向矢量和求取星点光斑对在不同坐标下的角距余弦值。目标函数构建模块的功能为：构建目标函数，优化星敏感器的光学参数和安装误差。误差判定模块的功能为：对星点光斑的重投影误差进行判定。第二步成像星点光斑参数获取模块用以获取成像星点光斑在图像平面的坐标和转台坐标系下的方向矢量平行光管产生的平行光经星敏感器成像，在星敏感器成像平面中形成星点光斑，通过调节转台改变星敏感器坐标系的姿态，进而改变平行光经星敏感器成像产生的星点光斑在星敏感器坐标系的质心坐标：通过调节俯仰滚转台，采集平行光管在星敏感器的成像星点光斑，记录星点光斑在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星敏感器多参数优化方法，其特征在于该方法的具体步骤为：第一步搭建星敏感器多参数优化系统星敏感器多参数优化系统，包括：成像星点光斑参数获取模块、参数求取模块、目标函数构建模块和误差判定模块；成像星点光斑参数获取模块的功能为：获取成像星点光斑在图像平面的坐标和转台坐标系下的方向矢量；参数求取模块的功能为：校正星点光斑在转台坐标系下的方向矢量和求取星点光斑对在不同坐标下的角距余弦值；目标函数构建模块的功能为：构建目标函数，优化星敏感器的光学参数和安装误差；误差判定模块的功能为：对星点光斑的重投影误差进行判定；第二步成像星点光斑参数获取模块用以获取成像星点光斑在图像平面的坐标和转台坐标系下的方向矢量平行光管产生的平行光经星敏感器成像，在星敏感器成像平面中形成星点光斑，通过调节转台改变星敏感器坐标系的姿态，进而改变平行光经星敏感器成像产生的星点光斑在星敏感器坐标系的质心坐标：通过调节俯仰滚转台，采集平行光管在星敏感器的成像星点光斑，记录星点光斑在星敏感器坐标系下的质心坐标(us,vs)和星点光斑在转动后的转台坐标系下的方向矢量r＝(xs,ys,zs)T，θ、ψ、φ分别表示星敏感器与基础坐标系y轴、z轴、x轴的安装误差角，(θ,ψ,φ)的估计初值为(0,0,0)；us、vs分别表示星点光斑在星敏感器坐标系下的质心在x、y方向的坐标；xs、ys、zs分别表示星点光斑在转动后的转台坐标系下的矢量在x、y、z方向的值；第三步参数求取模块用以校正星点光斑在转台坐标系下的方向矢量和求取星点光斑对在不同坐标下的角距余弦值星敏感器与基础坐标系的安装误差角较小，结合小角度近似，获取星敏感器与基础坐标系的安装误差矩阵M：...

【技术特征摘要】
1.一种星敏感器多参数优化方法，其特征在于该方法的具体步骤为：第一步搭建星敏感器多参数优化系统星敏感器多参数优化系统，包括：成像星点光斑参数获取模块、参数求取模块、目标函数构建模块和误差判定模块；成像星点光斑参数获取模块的功能为：获取成像星点光斑在图像平面的坐标和转台坐标系下的方向矢量；参数求取模块的功能为：校正星点光斑在转台坐标系下的方向矢量和求取星点光斑对在不同坐标下的角距余弦值；目标函数构建模块的功能为：构建目标函数，优化星敏感器的光学参数和安装误差；误差判定模块的功能为：对星点光斑的重投影误差进行判定；第二步成像星点光斑参数获取模块用以获取成像星点光斑在图像平面的坐标和转台坐标系下的方向矢量平行光管产生的平行光经星敏感器成像，在星敏感器成像平面中形成星点光斑，通过调节转台改变星敏感器坐标系的姿态，进而改变平行光经星敏感器成像产生的星点光斑在星敏感器坐标系的质心坐标：通过调节俯仰滚转台，采集平行光管在星敏感器的成像星点光斑，记录星点光斑在星敏感器坐标系下的质心坐标(us,vs)和星点光斑在转动后的转台坐标系下的方向矢量r＝(xs,ys,zs)T，θ、ψ、φ分别表示星敏感器与基础坐标系y轴、z轴、x轴的安装误差角，(θ,ψ,φ)的估计初值为(0,0,0)；us、vs分别表示星点光斑在星敏感器坐标系下的质心在x、y方向的坐标；xs、ys、zs分别表示星点光斑在转动后的转台坐标系下的矢量在x、y、z方向的值；第三步参数求取模块用以校正星点光斑在转台坐标系下的方向矢量和求取星点光斑对在不同坐标下的角距余弦值星敏感器与基础坐标系的安装误差角较小，结合小角度近似，获取星敏感器与基础坐标系的安装误差矩阵M：星点光斑通过安装误差矩阵得到星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量为：rR＝(xR,yR,zR)T，则：rR＝Mr(2)xR、yR、zR分别表示星点光斑通过安装误差矩阵得到星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量在x、y、z方向的值；将公式(2)展开：用公式(4)求取星点光斑对在星敏感器测量坐标系下的角距余弦值，两两不同的星点光斑组成星点光斑对，用星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量，结合公式(5)确定星点光斑对方向矢量之间的角距余弦值；i、j分别表示第i个、第j个星点光斑的索引；bi、bj分别表示第i个星点光斑、第j个星点光斑在星敏感器测量坐标系下的矢量；rRi、rRj分别表示第i个星点光斑、第j个星点光斑在转台坐标系下校正后的矢量；u0、v0分别为星敏感器的主点在x、y方向的坐标；uis、vis分别表示第i个星点光斑在星敏感器测量坐标系下的质心在x、y方向的坐标；xRi、yRi、zRi分别表示第i个星点光斑在转台坐标系下校正后的方向矢量在x、y、z方向的值，f为星敏感器焦距；fij表示第i个和第j个星点光斑在转台坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶涛，杨飞，谢剑锋，
申请(专利权)人：北京遥感设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11