一种伺服式星敏感器结构参数标定方法技术

本发明专利技术提出一种伺服式星敏感器结构参数标定方法，仅采用经纬仪，建立星敏感器的棱体参考系和经纬仪参考系的转换关系，实现对星敏感器结构参数的标定。测量经纬仪利用自身的自准直功能，获得棱体坐标系三轴在经纬仪坐标系下的表征矢量，并通过与固定经纬仪互瞄，将棱体坐标系的表征矢量转换到固定经纬仪坐标系下；照准经纬仪通过照准功能获取脱靶矢量，转换为星敏感器相机参考系下的入射矢量，并采用与测量经纬仪相同的方法，通过与固定经纬仪互瞄，建立二者参考系间的转换关系，将十字丝靶在照准经纬仪参考系下的表征矢量转换到固定经纬仪参考系下，进而转换为棱体参考系的入射矢量，最终根据两个参考系的入射矢量估计结构参数。参数。参数。

【技术实现步骤摘要】
一种伺服式星敏感器结构参数标定方法


[0001]本专利技术涉及绝对姿态测量
，具体涉及一种伺服式星敏感器结构参数标定方法。

技术介绍

[0002]伺服式星敏感器用于解决地面天文位姿测量时的全天时观测问题。伺服的引入使得星敏感器出现了多个与结构特征相关联的参考系，如相机参考系、基准棱体参考系，天体观测矢量须逐步经过这些参考系的转换才能进行位姿解算。因此，表征转换关系的结构参数的准确标定是伺服式星敏感器测量精度的保证。
[0003]目前常见的做法是在结构加工装配时保证安装精度达到需求。另一种标定方法利用星敏感器对外场天体的指向观测以及天文引北后经纬仪对星敏感器的实际姿态的测量结果，对结构参数进行最优化估计。但该方法不能在室内条件下完成标定，需要的条件多，且引入了较多误差：首先，如果加工装配的安装精度不够，则目标天体极有可能脱靶量过大而偏出视场；其次，无法控制标定过程中可供使用的天体数量及分布位置，进而无法保证结构参数的标定精度；此外，由于大气蒙气差和湍流扰动的存在，标定过程中将直接将这些随机误差引入到标定结果中。除此之外，为了寻找合适天体需要事前对实验时段进行精准的预测，观测过程还将受到天候影响，标定效率低。
[0004]因此，目前一种星敏感器的结构参数测定方法，能够提高标定精度，避免环境、安装、观测条件的限制和影响。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种伺服式星敏感器结构参数标定方法，能够在实验室内标定星敏感器的结构参数，解决依赖安装精度、存在大气扰动及观测天候，提高结构参数的标定效率和标定精度，并减小标定设备的复杂程度。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种伺服式星敏感器结构参数的标定方法，具体步骤包括：
[0008]步骤一、在星敏感器周围设置固定经纬仪、照准经纬仪和两个测量经纬仪；两个测量经纬仪分别对准星敏感器的基准棱体的两个正交侧面。
[0009]步骤二、两个测量经纬仪法向测量棱体参考系的两轴，将两轴表征在测量经纬仪参考系下；测量经纬仪与固定经纬仪互瞄，获取固定经纬仪和棱体参考系的转换矩阵。
[0010]步骤三、照准经纬仪移动，使其十字丝靶在星敏感器的像面上成像，将十字丝靶变为照准经纬仪参考系下的表征矢量；照准经纬仪与固定经纬仪互瞄，获取固定经纬仪和照准经纬仪参考系的转换矩阵，结合步骤二中的转换矩阵，得到照准经纬仪和棱体经纬仪参考系的转换矩阵，将十字丝靶的表征矢量转换为棱体参考系下的入射矢量。
[0011]步骤四、提取十字丝靶的成像中心位置，获取脱靶矢量。
[0012]步骤五、将脱靶矢量转换为星敏感器的相机参考系下的入射矢量。
[0013]步骤六、根据步骤三和步骤六的入射矢量，对结构参数进行标定。
[0014]进一步的，两个测量经纬仪法向测量棱体参考系的两轴，将两轴表征在测量经纬仪参考系下的具体过程为：
[0015]利用第一经纬仪和第二经纬仪对星敏感器的两个正交的棱体侧面进行法向测量，获取自准直时第一个经纬仪的方位角α
Xp
和俯仰角β
Xp
，作为棱体坐标系O
p
‑
X
p
Y
p
Z
p
的X
p
轴在第一经纬仪坐标系下的表征矢量，获取自准直时第二个经纬仪的方位角α
Yp
和俯仰角β
Yp
，作为棱体坐标系O
p
‑
X
p
Y
p
Z
p
的Y
p
轴在第二经纬仪坐标系下的表征矢量。
[0016]进一步的，测量经纬仪与固定经纬仪互瞄，获取固定经纬仪和棱体参考系的转换矩阵的具体过程为：
[0017]将方位角α
Xp
转换到固定经纬仪参考系O
s
‑
X
s
Y
s
Z
s
下，得到O
s
‑
X
s
Y
s
Z
s
下X
p
轴的方位角α
’
Xp
；基于方位角α，
Xp
和俯仰角β
Xp
，计算X
p
轴在固定经纬仪参考系下的表征矢量
[0018]将方位角α
Yp
转换到固定经纬仪参考系O
s
‑
X
s
Y
s
Z
s
下，得到O
s
‑
X
s
Y
s
Z
s
下Y
p
轴的方位角α
’
Yp
；基于方位角α
’
Yp
和俯仰角β
Yp
，计算Y
p
轴在固定经纬仪参考系下的表征矢量
[0019]基于表征矢量和表征矢量利用叉乘得到Zp轴在固定经纬仪坐标系下的矢量表示进而得到棱体参考系到固定经纬仪参考系的转换矩阵
[0020][0021]进一步的，转换矩阵中的表征矢量为采用叉乘再次修正即
[0022][0023]然后将叉乘修正后的值赋值于
[0024]进一步的，提取十字丝靶的成像中心位置，获取脱靶矢量的具体方式为：
[0025]对十字丝靶图像进行灰度均一化拉升，凸显十字丝靶。
[0026]利用Canny边缘提取算法提取十字丝靶边缘，获取两横两竖四条直线边缘并去除。
[0027]利用Hough直线变换得到四条直线边缘的参数。
[0028]两两联立直线方程求解直线正交的四个交点。
[0029]计算四个交点的均值即为十字丝的中心位置
[0030]记星敏感器光学成像模型中主点的位置为则脱靶向量为：
[0031][0032]进一步的，对结构参数进行标定估计的具体方式为：
[0033]代入步骤三和步骤六获取的入射矢量，对式(8)进行标定估计，得到棱体参考系与伺服零位参考系间存在安装误差转换矩阵和伺服实时发生位置与相机坐标系间存在安装误差转换矩阵其中式(8)为：
[0034][0035]其中，为相机参考系的入射矢量；为棱体参考系的入射矢量；为伺服旋转矩阵，由伺服码盘获取。
[0036]进一步的，采用最小二乘法对式(8)进行标定估计。
[0037]进一步的，采用正倒镜方法进行法向测量。
[0038]有益效果：
[0039]1、本专利技术提出一种伺服式星敏感器结构参数标定方法，仅采用经纬仪，建立星敏感器的棱体参考系和经纬仪参考系的转换关系，实现对星敏感器结构参数的标定。测量经纬仪利用自身的自准直功能，获得棱体坐标系三轴在经纬仪坐标系下的表征矢量，并通过与固定经纬仪互瞄，将棱体坐标系的表征矢量转换到固定经纬仪坐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种伺服式星敏感器结构参数的标定方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤一、在星敏感器周围设置固定经纬仪、照准经纬仪和两个测量经纬仪；两个测量经纬仪分别对准星敏感器的基准棱体的两个正交侧面；步骤二、两个测量经纬仪法向测量棱体参考系的两轴，将两轴表征在测量经纬仪参考系下；测量经纬仪与固定经纬仪互瞄，获取固定经纬仪和棱体参考系的转换矩阵；步骤三、照准经纬仪移动，使其十字丝靶在星敏感器的像面上成像，将十字丝靶变为照准经纬仪参考系下的表征矢量；照准经纬仪与固定经纬仪互瞄，获取固定经纬仪和照准经纬仪参考系的转换矩阵，结合步骤二中的转换矩阵，得到照准经纬仪和棱体经纬仪参考系的转换矩阵，将十字丝靶的表征矢量转换为棱体参考系下的入射矢量；步骤四、提取十字丝靶的成像中心位置，获取脱靶矢量；步骤五、将脱靶矢量转换为星敏感器的相机参考系下的入射矢量；步骤六、根据步骤三和步骤六的入射矢量，对结构参数进行标定。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个测量经纬仪法向测量棱体参考系的两轴，将两轴表征在测量经纬仪参考系下的具体过程为：利用第一经纬仪和第二经纬仪对星敏感器的两个正交的棱体侧面进行法向测量，获取自准直时第一个经纬仪的方位角和俯仰角作为棱体坐标系O
p
‑
X
p
Y
p
Z
p
的X
p
轴在第一经纬仪坐标系下的表征矢量，获取自准直时第二个经纬仪的方位角和俯仰角作为棱体坐标系O
p
‑
X
p
Y
p
Z
p
的Y
p
轴在第二经纬仪坐标系下的表征矢量。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量经纬仪与固定经纬仪互瞄，获取固定经纬仪和棱体参考系的转换矩阵的具体过程为：将所述方位角转换到固定经纬仪参考系O
s
‑
X
s
Y
s
Z
s
下，得到O
s
‑
X
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春喜，缪寅宵，熊琨，商秋芳，周英民，张俊杰，闫炜，王正捷，王强，汤晔，
申请(专利权)人：北京航天计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：