一种红外地平仪的标定系统及其标定方法
【专利摘要】本发明公开了一种红外地平仪的标定方法，包含以下步骤：S1、将待标定红外地平仪安装在红外地平仪标定系统的二维转台上，并对红外地平仪标定系统进行初始化设置；S2、选择数据采集方式，并根据选定的数据采集方式生成对应的标定点，控制二维转台到达相对应的位置，并采集此时的待标定红外地平仪的姿态信息；S3、根据标定点的数据及待标定红外地平仪的姿态信息计算得到标定参数；计算标定的精度，若符合预设的精度要求，则完成对待标定红外地平仪的标定；若不符合预设的精度要求，则返回步骤S2重新进行采样。本发明还公开了一种红外地平仪的标定系统。本发明对红外地平仪中存在的主要误差项进行了标定和修正，提高了红外地平仪的精度。
【专利说明】
一种红外地平仪的标定系统及其标定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航天器导航、制导与控制领域，具体涉及一种红外地平仪的标定系统 及其标定方法。
【背景技术】
[0002] 红外地平仪作为一种最早应用于航天航空领域的姿态敏感器，一直以来都是各种 卫星姿轨控系统的重要组成部分。按照工作方式，红外地平仪可以分为动态红外地平仪和 静态红外地平仪，圆锥扫描式动态红外地平仪是动态红外地平仪中的一种，采用绕固定转 轴扫描的方式实现，这种红外地平仪包含有机械扫描装置，所以体积比较大，功耗也很高， 测量精度低。
[0003] 20世纪90年代初，随着小卫星技术的发展给对红外地平仪的要求日益提高，红外 地平仪逐渐向着模块化、小型化、高精度方向发展，动态红外地平仪已经无法满足其要求。 而静态红外地平仪采用凝视成像，不需要扫描机械的运动，在质量、功耗、精度及使用寿命 等方面相比动态红外地平仪都有一定的优势，因此，静态红外地平仪已经成为近年来研究 的重点。
[0004] 红外地平仪存在以下几项主要的误差：镜头畸变、探测器成像平面与机壳安装平 面之间的安装误差等，镜头光轴在探测器光敏面的投影与探测器像元阵列中心之间的偏移 误差、镜头焦距误差、探测器光敏面相对于镜头最佳像面的倾斜量和旋转量、电路系统暗电 流噪声、软件算法误差等。这些误差导致探测器平面上实际成像点与理想的成像点之间存 在偏差，在待标定红外地平仪完成整机装调后，需要对上述误差进行标定和修正，以提高待 标定红外地平仪的精度。
[0005] 地面标定是利用地面模拟设备模拟已知的地球辐射状态（即辐射亮度、地球弦 宽），并设置已知的姿态参数，根据红外地平仪输出的姿态数据和设置的姿态数据比较求出 误差，调整红外地平仪的参数和其他可调环节，使误差减小至可接受的范围内。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种红外地平仪的标定系统及其标定方法，对红外地平仪 中存在的主要误差项进行了标定和修正，提高了红外地平仪的精度。
[0007] 为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现:一种红外地平仪的标定系统， 用于对待标定红外地平仪进行地面标定，其特点是，该标定系统包含：
[0008] 光学平台；及
[0009] 设置在光学平台上的准直式光管、二维转台；
[0010] 地球模拟器；
[0011] 所述的待标定红外地平仪设置在二维转台上；
[0012] 还包含分别与所述二维转台及待标定红外地平仪连接的测试计算机。
[0013] -种红外地平仪的标定方法，用于红外地平仪标定系统中，其特点是，该标定方法 包含以下步骤：
[0014] S1、将待标定红外地平仪安装在红外地平仪标定系统的二维转台上，并对红外地 平仪标定系统进行初始化设置；
[0015] S2、选择数据采集方式，并根据选定的数据采集方式生成对应的标定点，控制二维 转台到达相对应的位置，并采集此时的待标定红外地平仪的姿态信息；
[0016] S3、根据标定点的数据及待标定红外地平仪的姿态信息计算得到标定参数；
[0017] S 4、计算标定的精度，若符合预设的精度要求，则完成对待标定红外地平仪的标 定;若不符合预设的精度要求，则返回步骤S2，重新进行采样。
[0018] 所述的步骤S1中对红外地平仪标定系统进行初始化设置的步骤包含：
[0019 ] A、设置二维转台及红外地平仪的通信参数；
[0020] B、设置红外地平仪标定系统的采样参数；
[0021 ] C、设置二维转台的转动速率、回转转动步长及翻转转动步长；
[0022] D、测试二维转台的稳定度并确定二维转台的回转转动范围及翻转转动范围。
[0023]所述的步骤A中包含：
[0024]根据二维转台控制协议，设置相应的通信COM 口、波特率、校验方式、数据位、停止 位；
[0025]根据红外地平仪的控制协议，设置相应的通信COM 口、波特率、校验方式、数据位、 停止位；
[0026] 向二维转台发送指令，使其转动至指定标定点位置，读取从二维转台反馈回的数 据，得到其真实的位置状态数据，确认二维转台的通信正常；
[0027] 向红外地平仪发送指令，读取红外地平仪输出的姿态信息，确认红外地平仪通讯 正常。
[0028]所述的步骤B中包含：
[0029]设置采样次数，每个标定点的位置数据的采样次数为N;
[0030]设置采样周期，每个标定点的采样间隔周期为T;
[0031]设置判稳门限，即判断二维转台是否到达稳定状态的阈值。
[0032]所述的步骤D中包含：
[0033] 将二维转台的回转轴、翻转轴分别调整到相应的零位，并在对应的零位处稳定预 设时间间隔，采集二维转台的回转角度数据、翻转角度数据，连续读取数据N次，若角度跳动 均在误差容限内，则二维转台位置已稳定；
[0034] 以二维转台的零位为中心，转动二维转台的回转轴至α度和-α度，向红外地平仪发 送指令，查看红外地平仪能否稳定输出姿态，若能，则确定回转轴的转动范围为[_α，α]，若 不能，则缩小视场范围继续进行判断，将红外地平仪能稳定输出姿态的转动范围[-h，h]，作 为标定时回转轴的视场范围；
[0035] 以二维转台的零位为中心，转动二维转台的翻转轴至β度和_β度，向红外地平仪发 送指令，查看红外地平仪能否稳定输出姿态，若能，则确定翻转轴的转动范围为[-β，β ]，若 不能，则缩小视场范围继续进行判断，将红外地平仪能稳定输出姿态的转动范围[-f，f ]，作 为标定时翻转轴的视场范围。
[0036] 所述的步骤S2中数据采集方式包含手动数据采集方式和自动数据采集方式，其中 采用手动数据采集方式时，步骤S2包含：
[0037] 根据二维转台的回转转动步长、翻转转动步长及转动速率，将二维转台转至指定 位置，记录当前位置下红外地平仪的姿态信息，再单步走向下一位置，记录下一位置的姿态 信息，如此循环反复，直至需要标定的所有位置点标定完毕。
[0038] 所述的步骤S2中采用自动数据采集方式时，包含：
[0039] 根据二维转台的回转转动范围、翻转转动范围、回转转动步长及翻转转动步长生 成固定方式的标定轨迹点;或者
[0040] 按照随机算法随机生成随机方式的标定轨迹点；其中，随机方式的标定轨迹点是 根据二轴转台的回转转动范围(_h，h)和翻转转动范围（_f，f)，生成分别服从(_f，f)范围内 和(-h，h)范围内二维均勾分布的随机序列点，作为二维转台的标定轨迹点。
[0041] 所述的步骤S3中包含：
[0042] 采用五阶多项式模型对标定点的数据及待标定红外地平仪的姿态信息进行拟合， 得到的关系式为：
[0044] 式中，（α，δ)分别表示二维转台回转轴的角度及翻转轴的角度，(0的分别表示红外 地平仪在对应的二维转台的标定点位置时输出的俯仰角及滚动角，（ao，ai，a2，a3，a4，as，bo， bi，b2，b3，b4，bs)表示标定参数。
[0045] 所述的步骤S4中计算标定的精度的步骤包含：
[0046] 根据步骤S3中得到的一组标定参数，并将该组标定参数代入关系式中，得到红外 地平仪在对应的二维转台的标定点位置时输出的俯仰角及滚动角标定后的值并与二维转 台回转轴的角度及翻转轴的角度进行比较，利用3δ法则确定标定的精度。
[0047] 本发明一种红外地平仪的标定系统及其标定方法与现有技术相比具有以下优点： 本发明采集数据的方式包含手动数据采集和自动数据采集两种方式，满足了各自不同的需 求，自动数据采集相比手动数据采集速度更快，操作简单便捷，出错率更低，效率更高;本发 明中二维转台运行轨迹包含固定轨迹和随机轨迹两种方式，使得用户标定需要的任何轨迹 都可以实现;本发明采用多次求取平均值并剔除粗大误差的方式提高了姿态求取的准确度 和精度。
【附图说明】
[0048] 图1为本发明一种红外地平仪的标定系统的整体结构示意图；
[0049] 图2为本发明一种红外地平仪的标定方法的流程图；
[0050] 图3为本发明的一个实施例中数据采集固定轨迹图；
[0051 ]图4为本发明的另一个实施例中数据采集固定轨迹图；
[0052]图5为本发明的一个实施例中数据采集随机轨迹图。
【具体实施方式】
[0053]以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。 [0054] 如图1所示，一种红外地平仪的标定系统，用于对待标定红外地平仪100进行地面 标定，该标定系统包含:光学平台200;及设置在光学平台200上的准直式光管300、二维转台 400;地球模拟器500;所述的待标定红外地平仪100设置在二维转台400上;还包含分别与所 述二维转台400及待标定红外地平仪100连接的测试计算机600;其中，所述的光学平台200 确保整个标定系统处在水平位置，所述的准直式光管300确保入射光为平行光，所述的地球 模拟器500用于模拟地球辐射出来的红外光，所述的测试计算机600用于控制二维转台400 转动及记录待标定红外地平仪100的数据和二维转台400位置信息。
[0055] 二维转台400转至零位，将待标定红外地平仪100放置于二维转台400上，待标定红 外地平仪100的探测器中心与准直式光管300以及地球模拟器500的中心三者成一条直线， 地球模拟器500通电后，模拟地球发射出的红外光线经准直式光管300后成为平行光，在待 标定红外地平仪100的探测器上成像，经过一系列图像处理的算法输出当前的姿态信息(滚 动角与俯仰角），输入事先用户需要的二维转台400轨迹数据，控制二维转台400转至每一个 轨迹数据并记录下当前轨迹点对应的姿态信息，循环反复直至整个轨迹数据运行完毕，数 据采集完成。
[0056]如图2所示，结合上述的标定系统，本发明还公开了一种红外地平仪的标定方法， 用于红外地平仪标定系统中，该标定方法包含以下步骤：
[0057] S1、将待标定红外地平仪安装在红外地平仪标定系统的二维转台上，并对红外地 平仪标定系统进行初始化设置。
[0058] (1)红外地平仪安装:完成待标定红外地平仪整机的装调工作，且要求装调达到一 定的精度，将待标红外地平仪通过相应匹配的工装，固定安装在二维转台的中心位置上，以 减少外部震动对标定过程的影响。
[0059] (2)设置二维转台及红外地平仪的通信参数:根据二维转台控制协议，设置相应的 通信COM 口、波特率、校验方式(奇/偶）、数据位、停止位;根据红外地平仪的控制协议，设置 相应的通信COM口、波特率、校验方式(奇/偶）、数据位、停止位；向二维转台发送指令，使其 转动至指定标定点位置，读取从二维转台反馈回的数据，得到其真实的位置状态数据，确认 二维转台的通信正常；向红外地平仪发送指令，读取红外地平仪输出的姿态信息，确认红外 地平仪通讯正常。
[0060] (3)设置红外地平仪标定系统的采样参数:设置采样次数，每个标定点的位置数据 的采样次数为N，后续数据平均，提高采样精度;设置采样周期，每个标定点的采样间隔周期 为T，后续数据平均，提高采样精度;设置判稳门限，即判断二维转台是否到达稳定状态的阈 值，通过与二维转台连接的合适COM 口，采集二维转台的内框（回转）、外框(翻转）角度返回 数据，连续采样N次(N>10)，若其稳定时误差均在该门限内，则认为二维转台位置已稳定，可 以进行数据采集。
[0061] (4)设置二维转台的转动速率、回转转动步长及翻转转动步长:在标定过程中，二 维转台的转动速率不宜过快，转动步长及转动速率可随自己的需要进行更改。
[0062 ] (5)测试二维转台的稳定度并确定二维转台的回转（内框)转动范围及翻转(外框） 转动范围：将二维转台的回转轴、翻转轴分别调整到相应的零位，并在对应的零位处稳定预 设时间间隔，采集二维转台的回转角度数据、翻转角度数据，连续读取数据N次，若角度跳动 均在误差容限内，则二维转台位置已稳定；以二维转台的零位为中心，转动二维转台的回转 轴至α度和度，向红外地平仪发送指令，查看红外地平仪能否稳定输出姿态，若能，则确定 回转轴的转动范围为[-α，α ]，若不能，则缩小视场范围继续进行判断，将红外地平仪能稳定 输出姿态的转动范围[-h，h]，作为标定时回转轴的视场范围；以二维转台的零位为中心，转 动二维转台的翻转轴至β度和-β度，向红外地平仪发送指令，查看红外地平仪能否稳定输出 姿态，若能，则确定翻转轴的转动范围为[-β，β]，若不能，则缩小视场范围继续进行判断，将 红外地平仪能稳定输出姿态的转动范围[_f，f]，作为标定时翻转轴的视场范围。
[0063] S2、选择数据采集方式，并根据选定的数据采集方式生成对应的标定点，控制二维 转台到达相对应的位置，并采集此时的待标定红外地平仪的姿态信息。
[0064] 步骤S2中数据采集方式包含手动数据采集方式和自动数据采集方式：
[0065] (1)手动数据采集方式
[0066]手动数据采集方式时，设置二维转台的内框（回转）、外框(翻转）的位置，内框和外 框的转动步长及转动速率，二维转台转至指定位置时，记录当前位置下红外地平仪的姿态 信息，再单步走向下一位置，记录下一位置的姿态信息，如此循环反复，直至需要标定的所 有位置点标定完毕。
[0067] (2)自动数据采集方式
[0068] 自动数据采集方式时，需要预先生成二维转台的轨迹，二维转台标定轨迹的数据 文件生成有2种方式：
[0069] a.固定方式:根据二维转台的回转转动范围、翻转转动范围、回转转动步长及翻转 转动步长生成固定方式的标定轨迹点。例如:若二维转台回转轴的转动范围为[-h，h ]，翻转 轴的转动范围为[_f，f]，转动步长分别为豳和^?，则生成标定轨迹点的数量为M=(2h/S回+ l)X(2f/S|計 1)〇
[0070] b.随机方式:按照随机算法随机生成随机方式的标定轨迹点；其中，随机方式的标 定轨迹点是根据二轴转台的回转转动范围（_h，h)和翻转转动范围(_f，f)，生成分别服从(_ f，f)范围内和(-h，h)范围内二维均勾分布的随机序列点，作为二维转台的标定轨迹点。
[0071] -般来说，标定点数越多，标定精度就越高，但相应的标定耗时就更长。
[0072] 按照上述生成的二维转台轨迹文件，进行自动数据采集，每次读取轨迹文件中的 一个位置信息，发送指令令二维转台到达该位置，接收二维转台返回的位置信息与当前理 想位置进行比较，若两者之间的误差在给定的二维转台判稳门限之内，则认为二维转台已 经稳定，开始数据采集，在此位置多次采集待标定红外地平仪姿态信息，求取平均值作为最 终姿态，再运行至下一个位置点，得到待标定红外地平仪姿态，循环运行直至轨迹文件结 束，给出自动米集结束标志。
[0073] S3、根据标定点的数据及待标定红外地平仪的姿态信息计算得到标定参数。
[0074] 在二维转台某一位置求取姿态信息时，采取多次求取姿态信心最后求其平均值作 为最终的姿态信息。在每个轨迹点上，向待标定红外地平仪发送求取姿态的指令，以T为时 间时间间隔采样N次，得姿态信息携，勒)，i=l，…，沉，先剔除粗大误差再计算其均值：
[0076]将求得的姿态信息与相应的二维转台位置信息一一对应存储起来，数据存储按照 第一列为二维转台回转轴，第二列为二维转台翻转轴，第三列为对应回转轴的俯仰角，第四 列为滚动角。
[0077]采用五阶多项式模型对标定点的数据及待标定红外地平仪的姿态信息进行拟合， 得到的关系式为：
[0079] 式中，（α，δ)分别表示二维转台回转轴的角度及翻转轴的角度，(久的分别表示红外 地平仪在对应的二维转台的标定点位置时输出的俯仰角及滚动角，（ao，ai，a2，a3，a4，as，bo， bi，b2，b3，b4，bs)表示标定参数。
[0080] S4、计算标定的精度，若符合预设的精度要求，则完成对待标定红外地平仪的标 定;若不符合预设的精度要求，则返回步骤S2，重新进行采样(增加采样点或多次求取平均 值），直至满足要求为止。
[0081] 根据步骤S3中得到的一组标定参数，并将该组标定参数代入关系式中，得到红外 地平仪在对应的二维转台的标定点位置时输出的俯仰角及滚动角标定后的值并与二维转 台回转轴的角度及翻转轴的角度进行比较，利用3δ法则确定标定的精度。
[0082] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【主权项】
1. 一种红外地平仪的标定系统，用于对待标定红外地平仪进行地面标定，其特征在于， 该标定系统包含： 光学平台；及 设置在光学平台上的准直式光管、二维转台； 地球模拟器； 所述的待标定红外地平仪设置在二维转台上； 还包含分别与所述二维转台及待标定红外地平仪连接的测试计算机。2. -种红外地平仪的标定方法，用于红外地平仪标定系统中，其特征在于，该标定方法 包含以下步骤： 51、 将待标定红外地平仪安装在红外地平仪标定系统的二维转台上，并对红外地平仪 标定系统进行初始化设置； 52、 选择数据采集方式，并根据选定的数据采集方式生成对应的标定点，控制二维转台 到达相对应的位置，并采集此时的待标定红外地平仪的姿态信息； 53、 根据标定点的数据及待标定红外地平仪的姿态信息计算得到标定参数； 54、 计算标定的精度，若符合预设的精度要求，则完成对待标定红外地平仪的标定;若 不符合预设的精度要求，则返回步骤S2,重新进行采样。3. 如权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述的步骤S1中对红外地平仪标定系统 进行初始化设置的步骤包含： A、 设置二维转台及红外地平仪的通信参数； B、 设置红外地平仪标定系统的采样参数； C、 设置二维转台的转动速率、回转转动步长及翻转转动步长； D、 测试二维转台的稳定度并确定二维转台的回转转动范围及翻转转动范围。4. 如权利要求3所述的标定方法，其特征在于，所述的步骤A中包含： 根据二维转台控制协议，设置相应的通信COM 口、波特率、校验方式、数据位、停止位； 根据红外地平仪的控制协议，设置相应的通信COM 口、波特率、校验方式、数据位、停止 位； 向二维转台发送指令，使其转动至指定标定点位置，读取从二维转台反馈回的数据，得 到其真实的位置状态数据，确认二维转台的通信正常； 向红外地平仪发送指令，读取红外地平仪输出的姿态信息，确认红外地平仪通讯正常。5. 如权利要求3所述的标定方法，其特征在于，所述的步骤B中包含： 设置采样次数，每个标定点的位置数据的采样次数为N; 设置采样周期，每个标定点的采样间隔周期为T; 设置判稳门限，即判断二维转台是否到达稳定状态的阈值。6. 如权利要求3所述的标定方法，其特征在于，所述的步骤D中包含： 将二维转台的回转轴、翻转轴分别调整到相应的零位，并在对应的零位处稳定预设时 间间隔，采集二维转台的回转角度数据、翻转角度数据，连续读取数据N次，若角度跳动均在 误差容限内，则二维转台位置已稳定； 以二维转台的零位为中心，转动二维转台的回转轴至α度和-α度，向红外地平仪发送指 令，查看红外地平仪能否稳定输出姿态，若能，则确定回转轴的转动范围为[_α，α]，若不能， 则缩小视场范围继续进行判断，将红外地平仪能稳定输出姿态的转动范围[-h，h]，作为标 定时回转轴的视场范围； 以二维转台的零位为中心，转动二维转台的翻转轴至β度和-β度，向红外地平仪发送指 令，查看红外地平仪能否稳定输出姿态，若能，则确定翻转轴的转动范围为[-β，β]，若不能， 则缩小视场范围继续进行判断，将红外地平仪能稳定输出姿态的转动范围[-f，f]，作为标 定时翻转轴的视场范围。7. 如权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述的步骤S2中数据采集方式包含手动 数据采集方式和自动数据采集方式，其中采用手动数据采集方式时，步骤S2包含： 根据二维转台的回转转动步长、翻转转动步长及转动速率，将二维转台转至指定位置， 记录当前位置下红外地平仪的姿态信息，再单步走向下一位置，记录下一位置的姿态信息， 如此循环反复，直至需要标定的所有位置点标定完毕。8. 如权利要求7所述的标定方法，其特征在于，所述的步骤S2中采用自动数据采集方式 时，包含： 根据二维转台的回转转动范围、翻转转动范围、回转转动步长及翻转转动步长生成固 定方式的标定轨迹点;或者 按照随机算法随机生成随机方式的标定轨迹点；其中，随机方式的标定轨迹点是根据 二轴转台的回转转动范围（_h，h)和翻转转动范围(-f，f)，生成分别服从(-f，f)范围内和(-h，h)范围内二维均勾分布的随机序列点，作为二维转台的标定轨迹点。9. 如权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述的步骤S3中包含： 采用五阶多项式模型对标定点的数据及待标定红外地平仪的姿态信息进行拟合，得到 的关系式为：式中，（α，δ)分别表示二维转台回转轴的角度及翻转轴的角度，（Θ，供)分别表示红外地 平仪在对应的二维转台的标定点位置时输出的俯仰角及滚动角，（ao，ai，a2，a3，a4，as，bo，bi， b2，b3，b4，bs)表示标定参数。10. 如权利要求9所述的标定方法，其特征在于，所述的步骤S4中计算标定的精度的步 骤包含： 根据步骤S3中得到的一组标定参数，并将该组标定参数代入关系式中，得到红外地平 仪在对应的二维转台的标定点位置时输出的俯仰角及滚动角标定后的值并与二维转台回 转轴的角度及翻转轴的角度进行比较，利用3δ法则确定标定的精度。
【文档编号】G01C25/00GK105865489SQ201610335309
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】伍玲玲, 窦伟, 庞欢, 王志
【申请人】上海航天控制技术研究所