[发明专利]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

权利要求书

1.一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星敏感器的光轴指向反馈信息链；

所述时统设备具有接收北斗和GPS卫星信号完成UTC时间授时和定位的功能，其中定位包括经度、纬度；

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星敏感器的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星敏感器的光轴指向、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；

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工作流程如下：

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，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°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星敏感器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°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星敏感器的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。

2.根据权利要求1所述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，星敏感器的光轴指向精度评价模块实施步骤如下：

步骤一：评价星敏感器的光轴指向是否垂直指向天顶位置，方法是：

当水平转位锁紧试验装置调至指定位置0°后，数据采集分析系统中星敏感器的坐标系转换模块将星敏感器在J2000平赤道地心坐标系下的当前光轴指向信息：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；

步骤二：评价星敏感器在出厂前的光轴指向精度性能指标，数据处理方法是：

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°，让恒星尽可能的快速遍历星敏感器的整个视场，消除系统的随机误差源；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；

星敏感器的内部参数标定模块是通过下述公式获得：

若O_n-X_nY_nZ_n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w_i、w_j的夹角与对应的天球坐标系中的位置矢量v_i、v_j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径向畸变系数κ₁、二阶径向畸变系数κ₂和一阶切向畸变系数κ₃、二阶切向畸变系数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)修正为：

为了估计出最优的内部参数信息，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[Δf Δx₀ Δy₀]^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。