一种基于外场的星敏感器内部参数标定及精度快速验证系统的制作方法

本发明属于空间科学技术领域，具体涉及一种基于外场的星敏感器内部参数标定及精度快速验证系统。

背景技术：

星敏感器是一种以赤道惯性系为参考系、以恒星为导航信息源的高精度空间姿态测量装置，通过拍摄天球上不同位置恒星的图像，经过信号处理电路提取出星点的位置信息，采用星图识别算法在导航星库中寻找观测星，利用观测星的方向矢量来确定空间飞行器的姿态信息。

在目前众多的姿态敏感器中，星敏感器的性能最为突出，具有功耗低、重量轻、自主性强、动态性能好、精度高等优点，已广泛应用于卫星、火箭等空间技术领域，其中，星敏感器的内部参数标定及精度验证技术是保证星敏感器姿态测量精度的一项关键技术，具有重要的研究价值。

目前，星敏感器的内部参数标定及精度验证方案主要分为地面实验室标定测试、外场观星标定测试和在轨标定测试等三类，其中，地面实验室标定测试需要在光学暗室使用单星模拟器、平行光管和高精度转台进行标定，在外场完成精度验证工作，该方法测试流程复杂、试验设备昂贵；在轨标定测试是通过拍摄星图下传到地面，由地面工作人员完成标定工作，并将标定参数上传至星敏感器中，该方法因拍摄星图时星敏感器的在轨状态不完全受控，会引入不确定因素的误差，且人力、物力成本很高；而外场观星标定测试是利用地球作为转台，采用多项式曲面方程拟合的方法进行标定，会存在计时误差、视场恒星分布不均匀等因素影响，导致星敏感器的测角精度较低。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于外场的星敏感器内部参数标定及精度快速验证系统，能够在简单的试验条件下，采用四位置法快速地完成星敏感器内部参数的标定及星敏感器的光轴指向精度验证工作。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种基于外场的星敏感器内部参数标定及精度快速验证系统，包括星敏感器、时统设备、数据采集分析系统和水平转位锁紧试验装置，通过建立星敏感器内部参数标定及精度快速验证系统的闭环信息链，通过时统设备获取高精度时间信息和当前观星点位置信息，在外场真实星空下，把地球用作匀速转动的转台，采用四位置法对星敏感器的内部参数进行标定，并快速验证星敏感器的光轴指向精度；

其中：星敏感器，实时采集当前时刻的星图，接收时统设备的utc时间信息和当前观星点位置信息，接收数据采集分析系统计算出来的内部参数信息；

时统设备，实时采集utc时间信息和当前观星点位置信息；

数据采集分析系统，接收来自星敏感器的星图信息，计算星敏感器的内部参数信息，分析星敏感器的光轴指向精度；

水平转位锁紧试验装置，用于动态调节星敏感器的光轴指向，确保星敏感器的光轴指向垂直指向天顶位置；

闭环信息链包括星敏感器与时统设备的通信链、星敏感器与数据采集分析系统的通信链、数据采集分析系统的天文观测在线管理系统数据链、数据采集分析系统与水平转位锁紧试验装置之间的光轴指向反馈信息链。

所述时统设备选用具有接收北斗和gps卫星信号完成utc时间授时和定位(包括经度、纬度)的功能。

所述水平转位锁紧试验装置具有调平和锁紧功能，其中调平功能实现星敏感器的光轴指向垂直指向天顶位置，从而将大气折射效应对星敏感器成像的影响降到最低；锁紧功能确保星敏感器在观星时刻能够保持稳定的位置指向。

所述数据采集分析系统的天文观测在线管理系统数据链包括星敏感器的坐标系转换模块、内部参数标定模块和光轴指向精度评价模块。

所述星图信息包括星图中的utc时间信息、当前观星点位置信息、在j2000平赤道地心坐标系下的光轴指向、恒星数量、每颗星的匹配星号、星点灰度值、星点x坐标、星点y坐标。

所述内部参数信息包括星敏感器的焦距、主点坐标和畸变系数。

附图说明

图1为本发明的系统工作流程图；

图2为本发明的系统试验框图；

图3为星敏感器的成像模型。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面将对本发明中所使用的专业名词进行详细说明。

1)utc：协调世界时(universaltimecoordinated)，是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。

2)j2000平赤道地心坐标系：坐标原点在地球质心，参考平面为j2000时刻的地球平赤道面，x轴指向j2000时刻的平春风点(j2000时刻平赤道面与平黄道面的一个交点)。

3)地固坐标系：坐标原点在地球质心(包含大气海洋等质量)，参考平面为地球赤道面，z轴指向北极cio(celestialintermediateorigin，天球中间零点)处，x轴指向格林威治子午线与赤道面交点处。

4)数据类型：byte—8-bit无符号整数；int16—16-bit无符号整数；float—浮点数。

本发明提供的一种基于外场的星敏感器内部参数标定及精度快速验证系统，包括星敏感器、时统设备、数据采集分析系统、水平转位锁紧试验装置，通过建立星敏感器内部参数标定及精度快速验证系统的闭环信息链，采用时统设备获取高精度时间信息和当前观星点位置信息，在外场真实星空下，把地球当作匀速转动的转台，对星敏感器的内部参数进行标定，并快速验证星敏感器的光轴指向精度。

本发明中，所述闭环信息链包括星敏感器与时统设备的通信链、星敏感器与数据采集分析系统的通信链、数据采集分析系统的天文观测在线智能管理系统的信息链。

本发明中，所述星图信息包括星图中的utc时间信息、当前观星点位置信息、在j2000平赤道地心坐标系下的光轴指向、恒星数量、每颗星的匹配星号、星点灰度值、星点x坐标值、星点y坐标值。

本发明中，所述内部参数信息包括星敏感器的焦距、主点坐标和畸变系数。

本发明中星敏感器与时统设备之间通信链的数据帧格式见表1和表2所示，星敏感器与数据采集分析系统之间通信链的数据帧格式见表3和表4所示。

表1：星敏感器请求时统设备授时的数据帧格式

表2：时统设备回应星敏感器请求授时的数据帧格式

表3：数据采集分析系统请求星敏感器工作模式的数据帧格式

表4：星敏感器回应数据采集分析系统的数据帧格式

本发明的系统工作流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、选择一个空旷无大量杂光的区域，搭建整个系统的试验平台(如图2所示)，把星敏感器固连在水平转位锁紧试验装置上，让星敏感器的光学镜头垂直朝天放置；打开时统设备的工作电源，待时统设备的时间可用后，启动星敏感器和数据采集分析系统工作。

步骤二、将水平转位锁紧试验装置分别调至0°、90°、180°、270°等四个位置，数据采集分析系统启动星图信息的工作模式，根据数据采集分析系统中的光轴指向精度评价模块提供的值来微调水平转位锁紧试验装置，确保星敏感器的光轴指向垂直指向天顶位置后，锁紧水平转位锁紧试验装置，分别采集10分钟的星图信息。

步骤三、数据采集分析系统在停止采集星图信息后，利用星敏感器的内部参数标定模块，计算星敏感器的内部参数信息。

步骤四、数据采集分析系统启动内部参数信息的工作模式，通过星敏感器与数据采集分析系统的通信链将星敏感器的内部参数信息上传至星敏感器指定的flash存储空间中。

步骤五、重复步骤二的过程，数据采集分析系统启动星图信息的工作模式，分别采集0°、90°、180°、270°等四个位置的星图信息。

步骤六、数据采集分析系统在停止采集星图信息后，利用星敏感器的坐标系转换模块和光轴指向精度评价模块，完成星敏感器的光轴指向精度测试工作。

至此，本发明的系统工作流程全部结束。

根据本发明的一个实施例，所述步骤二中，星敏感器的光轴指向垂直指向天顶位置是通过数据采集分析系统中星敏感器的坐标系转换模块和指向精度评价模块来保证的。

其中，星敏感器的坐标系转换模块是指将星敏感器在j2000平赤道地心坐标系下的光轴指向信息(含光轴赤经、光轴赤纬)转换到在地固坐标系下的光轴指向信息(光轴经度、光轴纬度)，该转换方法为本领域技术人员的惯用技术手段，属于本领域公知常识，此处不再叙述。

根据本发明的一个实施例，所述步骤二和步骤六中，星敏感器的指向精度评价模块包括两个方面的功能，一是评价星敏感器的光轴指向是否垂直指向天顶位置，二是评价星敏感器在出厂前的精度测试性能指标。具体方法为：

1)评价星敏感器的光轴指向是否垂直指向天顶位置

当水平转位锁紧试验装置调至指定位置(如0°)后，数据采集分析系统中星敏感器的坐标系转换模块会将星敏感器在j2000平赤道地心坐标系下的当前光轴指向信息(含光轴赤经、光轴赤纬)实时转换到在地固坐标系下的当前光轴指向信息(光轴经度、光轴纬度)，同时数据采集分析系统采集星敏感器的星图信息中包含观星点经度和观星点纬度，通过比对光轴经度与观星点经度、光轴纬度与观星点纬度之间的差值，若两个差值都小于给定阈值(如10′)，则认为当前的光轴指向已垂直指向天顶位置，满足试验条件；否则，需要微调水平转位锁紧试验装置，直到星敏感器的光轴指向垂直指向天顶位置。

2)评价星敏感器在出厂前的光轴指向精度性能指标

为了合理地评价星敏感器的光轴指向精度，本发明采用四位置法采集天顶位置的星图信息，四位置分别为0°、90°、180°、270°，不仅可以让恒星尽可能的快速遍历星敏感器的整个视场，而且可以消除系统的随机误差源等。数据采集分析系统在接收到星敏感器的星图信息后，先根据时间有效标志和指向有效标志剔除光轴指向信息中的无效值，再通过星敏感器的坐标系转换模块获得在地固坐标系下的当前光轴指向信息，最后统计光轴指向信息的标准差σ，作为星敏感器的光轴指向精度评价指标。

根据本发明的一个实施例，所述步骤四中，星敏感器的内部参数标定模块是通过下述公式获得：

星敏感器的成像模型如图3所示，若on-xnynzn为天球坐标系，o-xyz为星敏感器坐标系，设v，w分别为恒星在天球坐标系和星敏感器坐标系中的方向矢量，则

其中，(α,δ)为恒星的赤经、赤纬，(x,y)、(x0,y0)分别表示恒星在星敏感器图像探测器上的投影坐标和主点坐标，f表示焦距。

在不考虑畸变和噪声误差等理想的情况下，两颗恒星i、j在星敏感器坐标系中的方向矢量wi、wj的夹角与对应的天球坐标系中的位置矢量vi、vj的夹角相等。根据这一特性，可以建立式(3)所描述的状态观测方程，来估计星敏感器内部参数。

将式(2)代入式(3)，得

由于星敏感器实际光学系统的“离焦成像”、加工和装配误差共同引起的焦距偏差、成像畸变、图像探测器感光面的倾斜、图像传感器感光面的旋转和主点偏差等因素的影响，导致被拍摄的恒星在星敏感器坐标系下的投影位置与天球坐标系下的实际位置不重合，从而引起测角误差。

综合以上因素，式(4)中的投影坐标值(x，y)需要加入对应的误差系数(δx,δy)。由于高阶的畸变系数相对来说影响很小，可以忽略不计，因此，畸变模型中包含了一阶、二阶径向畸变系数κ1、κ2和一阶、二阶切向畸变系数κ3、κ4。(δx,δy)可用公式表述为

其中，u＝x-x0，v＝y-y0，r＝u²+v²。

因此，式(4)应修正为

为了估计出最优的内部参数信息，本发明先对(f,x0,y0)值进行估计，后对(f,κ1,κ2,κ3,κ4)值进行估计。

当一幅拍摄的星图有n颗已识别出来的导航星时，记(f,x0,y0)的估计值为估计值与真值的误差记为(δf,δx0,δy0)，将式(6)线性化可得

其中，i＝1,2,…,n-1；j＝i+1,i+2,…,n，则有

r＝a[δfδx0δy0]^t(8)

式(8)中

当有m幅拍摄的星图时有

因此，(x0,y0,f)的最小二乘估计结果为

式(11)中

按照上述方法再对(f,κ1,κ2,κ3,κ4)值进行估计，最终得到的(f,x0,y0,κ1,κ2,κ3,κ4)即为星敏感器的内部参数信息。

以上所述为本发明的一个实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。