一种利用三轴转台测试紫外敏感器的方法技术

一种利用三轴转台测试紫外敏感器的方法，包括（１）建立一个实验坐标系；（２）在月球模拟器发光面边缘上选取ｎ个点，计算各个点在紫外敏感器测量坐标系中的坐标；（３）将在月球模拟器发光面边缘上选取的ｎ个点与紫外敏感器光学中心连线，形成一个以紫外敏感器光学中心为顶点的圆锥，这个圆锥的回转轴线所表征的方向即为月心方向矢量；（４）求出月心方向矢量在紫外敏感器测量坐标系中的坐标，转化为俯仰角和滚动角，将紫外敏感器实际输出值与理论值分别进行比较，即可得到敏感器测量误差。本发明专利技术可以在紫外敏感器光学中心与转台回转中心距离较远且敏感器与模拟器相距较近时进行紫外敏感器的精度测试，避免了使用具有很大的结构尺寸、体积庞大的三轴转台。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属光学敏感器
，可用于检测紫外敏感器的仪器精度。技术背景我国现阶段可用于航天器姿态测量任务的大视场成像式光学姿态敏感 器，主要是指紫外月球敏感器和紫外地球敏感器。其中紫外月球敏感器已经 在嫦娥一号卫星的飞行实验中获得成功，紫外地球敏感器尚处于研发阶段。 这两种光学姿态敏感器的工作原理、功能组成基本相同，可统称为紫外敏感 器，属于较新的航天产品。其功能是以月球或地球为观测对象，以测量卫星 等航天器在轨道坐标系中的姿态。紫外敏感器是一种成像式光学敏感器，它首先需要对月球或地球拍摄图 像，然后通过图像处理算法检测出月球或地球圓盘的边缘，最终完成姿态测 量任务。紫外敏感器所得到的姿态，实质是月心或地心方向偏离紫外敏感器 测量坐标系的角度，即俯仰角和滚动角。在紫外敏感器交付之前，应对其姿态角测量精度做出准确评定。只有当 其仪器精度满足飞行任务要求时，才能在航天器上安装使用。一般可以利用两轴转台和大型月球(或地球)模拟器进行紫外敏感器的精度测试。测试系统如图1所示，包括两轴转台1、转台外框轴2、转台内 框轴3、紫外敏感器4、大型月球或地^^莫拟器5。把紫外敏感器安装在转台 的工作台面上，使其光轴对月^Mt拟器中心。此时紫外敏感器输出的俯仰角 和滚动角均应为0。将转台两轴转过一定角度后，紫外敏感器输出一定俯仰 角和滚动角。分别将敏感器的俯仰角与转台内框轴转角、滚动角与转台外框 轴转角进行比较，可以得到紫外敏感器的测量误差。当紫外敏感器光学中心与转台回转中心(即外框轴延长线与内框轴交点)重合时，转台外框轴转角等于敏感器理论滚动角，转台内框转角等于敏感器 理论俯仰角。若紫外敏感器光学中心与转台回转中心虽不重合但相距很近时， 仍然可以认为转台外框轴转角等于敏感器理论滚动角，转台内框转角等于敏 感器理论俯仰角。因此采用图示方式可以比较方便地评价出紫外敏感器的测 量精度。当紫外敏感器光学中心到月球模拟器发光圓面的距离，与紫外敏感 器光学中心到转台回转中心的距离之比大于100，即可认为紫外敏感器光学 中心与转台回转中心相距很近。由于紫外敏感器往往需要具有导航功能，即除测量俯仰角、滚动角之外， 还需测量偏航角，因此两轴转台不能满足紫外敏感器的测试要求，需要使用 三轴转台进行测试。在测试时，以月球模拟器为紫外敏感器的观测目标，可 检测紫外敏感器俯仰角和滚动角测量精度；紫外敏感器同时观测星模拟器或 太阳模拟器，可检测紫外敏感器偏航角测量精度。使用三轴转台虽然可对紫 外敏感器进行三轴姿态测量精度测试，但又会带来其他问题妨碍测试的进行。一般会出现以下两种情况情况一如图2a所示，测试系统包括三轴转台21、转台外框轴22、转台 内框轴23、转台中框轴24、紫外敏感器25、大型月球或地球模拟器26。紫 外敏感器光学中心与转台回转中心重合或距离很近。此时可认为转台外框轴 转角等于敏感器理论滚动角，转台中框转角等于敏感器理论俯仰角。因而可 直接将敏感器的俯仰角与转台中框轴转角、滚动角与转台外框轴转角进行比 较，得到紫外敏感器的测量误差。但由于紫外敏感器视场角大，可达150° 以上，若采用图2a所示的转台，则需要转台中框具有很大的结构尺寸，一 般中框的轴向长度不能小于1600mm，否则框架会遮挡紫外敏感器视场。这 样的转台将非常庞大，制造费用昂贵，4艮不利于生产、运输、安装和使用， 一种转台结构示意图如图7所示，中框轴为41，内框轴为42,外框轴为43。 一种能满足紫外敏感器测试要求的此种结构转台，重量不低于1900kg，造 价不低于人民币250万元。若采用图2b所示的转台，测试系统包括三轴转台31、转台外框轴32、 转台内框轴33、转台中框轴34、紫外敏感器35、大型月球或地^^莫拟器36。 则转台中框尺寸小，转台体积较小和重量较轻，制造费用低，便于生产、运 输、安装和使用， 一种转台结构示意图如图8所示，中框轴为51,内框轴为 52,外框轴为53，其重量不足350kg，造价低于人民币70万元。但使用此 类转台最主要的问题是紫外敏感器光学中心与转台回转中心距离较远，紫 外敏感器光学中心到月球模拟器发光圆面的距离，与紫外敏感器光学中心到 转台回转中心的距离之比远远小于100，转台外框轴转角与敏感器理论滚动 角、中框转角与敏感器理论俯仰角并不相等，因此不能通过直接比较敏感器 的俯仰角与转台中框轴转角、滚动角与转台外框轴转角，得到紫外敏感器的 测量误差。这严重妨碍了紫外敏感器的精度测试，必须加以克服。国内外未 见有与上述测试问题、测试方法相关的资料和报道。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题克服现有技术的不足，提供一种利用三轴转台 测试紫外^:感器方法，利用此方法可以在紫外每文感器光学中心与转台回转中 心距离较远且敏感器与模拟器相距较近时进行紫外敏感器的精度测试，避免 了使用具有4艮大的结构尺寸、体积庞大的三轴转台。本专利技术所釆用的技术解决方案 一种利用三轴转台测试紫外敏感器的方 法，其特征在于包括以下步骤(1 )建立一个实验坐标系，并测量月球模拟器中心、转台回转中心在 实验坐标系中的坐标，确定紫外敏感器在工作台面上的安装位置及方向，测 量转台工作台面到转台回转中心的距离，测量月球模拟器发光面半径；(2)确保月球模拟器处于紫外敏感器的视场范围内时，使三轴转台处 于任意一转角位置，在月球模拟器发光面边缘上选取n个点，计算各个点在 紫外敏感器测量坐标系中的坐标，所述的n^36,这n个点所形成的圆弧的 圆心角不小于180°;(3) 将在月球模拟器发光面边缘上选取的n个点与紫外敏感器光学中 心连线，形成一以紫外敏感器光学中心为顶点的圓锥，这个圓锥的回转轴线 所表征的方向即为月心方向矢量；(4) 用最小二乘法求出月心方向矢量在紫外敏感器测量坐标系中的坐 标，并由欧拉转角7>式转化为俯仰角和滚动角，该俯仰角和滚动角即为紫外 月球敏感器此时的俯仰角和滚动角的理论值，将紫外敏感器实际输出的俯仰 角和滚动角与理论值分别进行比较，即可得到紫外壽文感器测量误差。步骤(1 )中所述的实验坐标系的原点可取为三轴转台回转中心Ozt,以 转台位于零位时外框轴、中框轴和内框轴作为实验室坐标的三个坐标轴乂zt、 Vzt和Zzt,步骤(2 )中所述的紫外敏感器测量坐标系的原点Ouvs可取为紫外 敏感器的光学中心，垂直于顶部圓面且指向紫外敏感器外部空间的矢量作为 测量坐标系的Zuvs轴；以经过原点、垂直于紫外敏感器顶面且指向紫外敏感 器外部空间的矢量作为测量坐标系的Xuvs轴；测量系中y^轴的定义符合笛 卡尔坐标系的定义规则。设所述的月球i^莫拟器发光面边缘上的一点A与紫外壽文感器光学中心Ouvs 的连线是^，则A点在紫外敏感器测量坐标系中的坐标J,， 4么的计算 公式如下<formula>formula see original document page 8</formula>对&进行规一化，得到单位矢量^i,计算步骤如下:<formula>formula see original document page 8</formula>其中"为转台外框相对基准零位的转角；3为转台中框相对基准零位的转角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用三轴转台测试紫外敏感器的方法，其特征在于包括以下步骤：（１）建立一个实验坐标系，并测量月球模拟器中心、转台回转中心在实验坐标系中的坐标，确定紫外敏感器在工作台面上的安装位置及方向，测量转台工作台面到转台回转中心的距离，测量月球模拟器发光面半径；（２）确保月球模拟器处于紫外敏感器的视场范围内时，使三轴转台处于任意一转角位置，在月球模拟器发光面边缘上选取ｎ个点，计算各个点在紫外敏感器测量坐标系中的坐标，所述的ｎ≥３６，这ｎ个点所形成的圆弧的圆心角不小于１８０°；（３）将在月球模拟器发光面边缘上选取的ｎ个点与紫外敏感器光学中心连线，形成一以紫外敏感器光学中心为顶点的圆锥，这个圆锥的回转轴线所表征的方向即为月心方向矢量；（４）用最小二乘法求出月心方向矢量在紫外敏感器测量坐标系中的坐标，并由欧拉转角公式转化为俯仰角和滚动角，该俯仰角和滚动角即为紫外月球敏感器此时的俯仰角和滚动角的理论值，将紫外敏感器实际输出的俯仰角和滚动角与理论值分别进行比较，即可得到紫外敏感器测量误差。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄欣，王立，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]