專利名稱：一種天體敏感器測量基準轉換方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及天體敏感器測量技術，尤其涉及一種天體敏感器測量基準轉換方法及裝置。
背景技術：
天體敏感器對恒星輻射敏感并借此獲得航天器相對于恒星的方位，典型的天體敏感器有太陽敏感器，星敏感器和地球敏感器，其主要用來測量恒星視線與航天器某一體軸或平面之間夾角。天體敏感器直接測量到的光線矢量方向是在天體敏感器測量坐標系中定義的，或者說是以天體敏感器測量坐標系為測量基準。為了在實際使用中能夠將直接測量到的光線矢量方向轉換到運動載體坐標系，需在天體敏感器機殼上建立一個可觀測的測量基準，即首先設定一個轉換參數，靠精準的加工來滿足該設定的轉換參數。常規的測量基準轉換方法一般是首先加工一個高精度鏡面立方體，然后由嚴格準確的機械結構和安裝工藝將鏡面立方體安裝到與天體敏感器測量坐標系有嚴格準確位置關系的基準位置，從而實現由鏡面立方體為測量基準的測量基準轉換。該方法需將該鏡面立方體安裝到與天體敏感器測量坐標系有嚴格準確位置關系的基準位置，這樣不僅依賴于機加工的精度，而且還依賴于安裝精度，這樣造成加工難度大、安裝工藝復雜，并且由于天體敏感器測量坐標系是不可見的，機械上很難直接高精度定位，致使基準轉換精度低。
發明內容
有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種天體敏感器測量基準轉換方法與裝置。該方法及裝置能夠快速、準確、方便地將天體敏感器直接測量得到的光線矢量方向轉換到天體敏感器機殼上的可觀測測量基準。
本發明的技術方案是這樣實現的一種天體敏感器測量基準轉換方法，在光學平臺上架設光源模擬器、三軸轉臺和光電自準直儀，三軸轉臺的內框上粘貼有平面反射鏡；安裝有鏡面立方體的天體敏感器安裝在三軸轉臺的內框安裝面上；所述光電自準直儀出射的平行光束照射到所述平面反射鏡面；所述光源模擬器的模擬光線照射在所述天體敏感器上；該方法包括以下步驟A、將三軸轉臺的中框和外框旋轉到零位固定，根據光電自準直儀讀數，調整所述光電自準直儀的支架，使其光軸與所述三軸轉臺的內框轉軸平行；B、將三軸轉臺的內框旋轉到零位固定，使光源模擬光線通過天體敏感器的光學系統照射在其圖像傳感器上；分別旋轉三軸轉臺中框和外框到不同角度，并記錄每個旋轉角度及在該位置圖像傳感器成像面上的成像點坐標，根據記錄的標定點數據標定出天體敏感器的內參數和外參數；根據所述外參數計算出轉臺坐標系到天體敏感器坐標系的轉換矩陣R(sun←rot)；C、通過光電自準直儀測量鏡面立方體兩反射面法向分別與其光軸的矢量關系；根據所述矢量關系計算出轉臺坐標系到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣R(ref←rot)；D、根據步驟B、C所得到的轉換矩陣R(sun←rot)和R(ref←rot)計算出天體敏感器坐標系到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣R(ref←sun)；天體敏感器坐標系下直接測量到的光線矢量方向乘以R(ref←sun)即為鏡面立方體基準坐標系下的矢量方向。
其中，步驟B中所述天體敏感器內參數和外參數的標定具體為將標定點坐標數據代入天體敏感器成像內外參數統一建模模型，并用最小二乘優化法得到天體敏感器的內參數和外參數。
其中，所述步驟C包括C1、旋轉三軸轉臺中框90度，使所述光電自準直儀出射的平行光束照射到天體敏感器上鏡面立方體的一個反射面上；微調所述三軸轉臺的中框和外框，使所述鏡面立方體該反射面法線方向與所述光電自準直儀的光軸平行，記錄所述三軸轉臺中框和外框旋轉角度θ1和θ2；C2、旋轉三軸轉臺中框180度，使所述光電自準直儀出射的平行光束照射到天體敏感器上鏡面立方體的另一個反射面上；微調所述三軸轉臺的中框和外框，使所述鏡面立方體該反射面法線方向與所述光電自準直儀的光軸平行，記錄所述三軸轉臺中框和外框旋轉角度θ3和θ4；C3、根據所述θ1、θ2、θ3和θ4計算出轉臺坐標系到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣R(ref←rot)。
一種天體敏感器測量基準轉換裝置，包括有光學平臺、光源模擬器、三軸轉臺、平面反射鏡和光電自準直儀，其中，所述光源模擬器、三軸轉臺和光電自準直儀架設在光學平臺上，所述三軸轉臺的內框固定設置一平面反射鏡，所述光電自準直儀出射的平行光束照射到所述平面反射鏡面；安裝有鏡面立方體的天體敏感器設置在三軸轉臺的內框安裝面上，所述光源模擬器的模擬光線通過所述天體敏感器的光學系統照射在其圖像傳感器上；所述平面反射鏡用于完成所述光電自準直儀光軸與所述三軸轉臺內框轉軸平行的調整；所述光源模擬器與三軸轉臺用于完成天體敏感器內外參數的標定；所述光電自準直儀用于完成鏡面立方體兩反射面法向與其光軸矢量關系的測量。
其中，所述光源模擬器與三軸轉臺完成天體敏感器內外參數的標定包括將三軸轉臺的內框旋轉到零位固定，分別旋轉中框和外框到不同角度，記錄每個旋轉角度及在該位置圖像傳感器成像面上的成像點坐標，將記錄的標定點數據代入天體敏感器內參數和外參數統一建模模型，并用最小二乘優化法得到天體敏感器的內參數和外參數。
其中，所述光電自準直儀完成鏡面立方體兩反射面法向與其光軸矢量關系的測量包括a、旋轉三軸轉臺中框90度，使所述光電自準直儀出射的平行光束照射到天體敏感器上鏡面立方體的一個反射面上；微調所述三軸轉臺的中框和外框，使所述鏡面立方體該反射面法線方向與所述光電自準直儀的光軸平行，記錄所述三軸轉臺中框和外框旋轉角度θ1和θ2；
b、旋轉三軸轉臺中框180度，使所述光電自準直儀出射的平行光束照射到天體敏感器上鏡面立方體的另一個反射面上；微調所述三軸轉臺的中框和外框，使所述鏡面立方體該反射面法線方向與所述光電自準直儀的光軸平行，記錄所述三軸轉臺中框和外框旋轉角度θ3和θ4。
本發明利用現有的天體敏感器標定裝置和光電自準直儀，并由相應的轉換方法和步驟實現了天體敏感器測量基準的轉換。該方法及裝置不需將鏡面立方體安裝到與天體敏感器測量坐標系有嚴格準確位置關系的基準位置，加工安裝工藝簡單，操作方便，能夠快速、準確、方便地將天體敏感器直接測量得到的光線矢量方向轉換到天體敏感器機殼上的可觀測測量基準。
圖1為本發明的轉換裝置的結構示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明進行更詳細的說明。
圖1為本發明的轉換裝置的結構示意圖，如圖1所示，本發明的轉換裝置包括有光學平臺10、光源模擬器11、高精度三軸轉臺12、平面反射鏡13和光電自準直儀14，其中，光源模擬器11、高精度三軸轉臺12和光電自準直儀14架設在光學平臺10上，安裝有鏡面立方體16的天體敏感器1 5固定設置在三軸轉臺12的內框安裝面上。光學平臺10、光源模擬器11、高精度三軸轉臺12和光電自準直儀14均為現有器件，光學平臺10采用天津拓普有限公司的WSZ-1型光學實驗平臺，光源模擬器11采用長春光電技術研究所研制的高準直光源模擬器，高精度三軸轉臺12采用北京航天102所研制的三軸伺服轉臺，光電自準直儀14采用北京中安特機電設備有限公司的型號為CZ-2的單向數顯自準直儀。三軸轉臺包括相互垂直的三轉軸，分別為內框轉軸120、中框轉軸121和外框轉軸122，轉角位置精度為0.1′。平面反射鏡13粘貼在高精度三軸轉臺12的內框一個平面上，粘貼精度要求其與轉臺內框轉軸的垂直度誤差小于10角秒。光電自準直儀14包括三個調整支架140，其測量精度為0.1″。光源模擬器11的有效輻照面積直徑為200mm，光束準直角為32′。光源模擬器11出射的模擬光線通過天體敏感器15光學系統后照射在天體敏感器1 5內的圖像傳感器上，通過旋轉三軸轉臺12的中框和外框到不同角度，可獲得模擬光線在圖像傳感器上不同的成像點坐標。
本發明的測量基準轉換方法正是基于前述的裝置進行的，本發明不必保證天體敏感器15機殼的加工精度，也不必保證鏡面立方體16安裝到天體敏感器15機殼上的位置精度。在描述本發明的測量基準轉換方法前，首先說明一下與本發明的轉換方法相關的幾個坐標系，以詳盡地描述本發明的技術方案。
與本發明測量基準轉換方法相關的坐標系包括以天體敏感器15的圖像傳感器成像面的行為X軸、列為Y軸，并設定垂直于XY平面的Z軸，形成天體敏感器坐標系sun。以安裝天體敏感器的三軸轉臺12的中框轉軸121和外框轉軸122分別為X′和Y′軸，內框轉軸120兩轉軸交點為坐標為Z′軸，三軸交點為坐標原點形成轉臺坐標系rot。以天體敏感器上的鏡面立方體16的一個角點為坐標原點，過該原點的三個反射面所在平面分別為X″Y″、X″Z″、Y″Z″面，形成鏡面立方體坐標系ref。本發明的天體敏感器坐標系、轉臺坐標系和鏡面立方體坐標系同為右手坐標系或左手坐標系。
本發明的測量基準轉換方法為在光學平臺10上架設光源模擬器11、高精度三軸轉臺12和光電自準直儀14，三軸轉臺12的內框上粘貼一平面反射鏡13，安裝有鏡面立方體16的天體敏感器15安裝在三軸轉臺12內框的安裝面上。首先，將三軸轉臺12中框和外框旋轉到零位固定，根據光電自準直儀14讀數，調整光電直準直儀14的支架使其光軸與三軸轉臺12內框轉軸平行；然后，將三軸轉臺12的內框旋轉到零位固定，旋轉三軸轉臺12中框軸121和外框軸122到不同角度，并記錄每個旋轉角度及在該位置圖像傳感器上不同的成像點坐標，依此作為標定點數據完成天體敏感器15內外參數的標定，根據其中的外參數確定轉臺坐標系到天體敏感器坐標系的轉換矩陣。最后，通過光電自準直儀14測量出鏡面立方體16兩反射面法線方向分別與光電自準直儀14光軸的矢量關系，由該矢量關系確定轉臺坐標系到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣。這樣，天體敏感器坐標系下測量的光線矢量方向就可轉換為鏡面立方體坐標系下的矢量方向。以下詳細描述其具體的實現步驟步驟1在光學平臺10上架設光源模擬器11、高精度三軸轉臺12和光電自準直儀14，三軸轉臺12的內框上粘貼一平面反射鏡13，其與三軸轉臺12內框轉軸120垂直度誤差小于10角秒；將三軸轉臺12的中框121和外框122旋轉到零位固定，使光電自準直儀14出射的平行光束照射到該平面反射鏡13的鏡面上，此時如果光電自準直儀14的讀數為0，說明光電自準直儀14的光軸與三軸轉臺12內框轉軸平行，如果不為0，說明兩者不平行，通過調整光電自準直儀14的支架，使兩者平行。
步驟2將三軸轉臺12的內框旋轉到零位固定，使光源模擬器11的模擬光線通過天體敏感器1 5的光學系統照射在其圖像傳感器上；然后分別旋轉轉臺中框121和外框122到不同角度，并記錄每個旋轉角度及在該位置圖像傳感器成像面上的成像點坐標，以此作為標定點數據代入該系統內外參數統一建模模型，并用最小二乘優化法得到天體敏感器的內參數和外參數α1、β1、1。其中，α1、β1、1是轉臺坐標系轉換到天體敏感器測量坐標系，轉臺分別繞X′軸、Y′軸和Z′軸旋轉的角度。標定點數據越多，得到的內外參數值越精確，實際應用中，可根據天體敏感器的視場范圍選取適量的標定點數據。例如，對±60°視場范圍的情況，可每隔5°選取一個標定點數據。由此可確定轉臺坐標系轉換到天體敏感器測量坐標系的轉換矩陣R(sun←rot)，其用外參數α1、β1、1表示為
其中，Rot(X′，α1)、Rot(Y′，β1)、Rot(Z′，1)分別是轉臺坐標系轉換到天體敏感器坐標系，轉臺繞X′軸旋轉α1、繞Y′軸旋轉β1、繞Z′軸旋轉1所對應的旋轉矩陣。內外參數標定的具體實現方法可參見本申請人于2007年7月6日申請的、專利申請號為200710118498.1、發明名稱為“一種數字式太陽敏感器標定方法及裝置”的專利申請文件中記載的技術方案。
步驟3通過光電自準直儀14測量鏡面立方體16兩反射面法向與光電自準直儀14光軸的矢量關系，并由所述矢量關系確定轉臺坐標系到鏡面立方體坐標系的旋轉矩陣，具體實現方法如下步驟301旋轉三軸轉臺12中框90度，使光電自準直儀14出射的平行光束照射到天體敏感器15上安裝的鏡面立方體16的一個反射面上，通過微調三軸轉臺12的中框和外框，使該鏡面立方體16反射面法線方向與光電自準直儀14的光軸平行，即使光電自準直儀的讀數為0，記錄此時三軸轉臺12中框和外框旋轉角度θ1和θ2。
步驟302旋轉三軸轉臺12中框180度，使光電自準直儀14出射的平行光束照射到天體敏感器15上安裝的鏡面立方體16的另一個反射面上，微調三軸轉臺12的中框和外框，使鏡面立方體16反射面法線方向與光電自準直儀14的光軸平行，即使光電自準直儀14的讀數為0，記錄此時三軸轉臺12中框和外框旋轉角度θ3和θ4。
步驟303采用雙矢量定姿方法計算出轉臺坐標系到鏡面立方體坐標系的旋轉矩陣R(ref←rot)。以步驟301、302中兩反射面法線方向作為兩觀測矢量，設其在鏡面立方體坐標系ref下的方向矢量為n1、n2，在轉臺坐標系rot下的方向矢量為r1、r2。
以這兩個觀測矢量建立參考坐標系S，S在ref坐標系下的正交基為a＝n1，b＝(n1×n2)/|n1×n2|，c＝a×b(2)則S到ref的轉換矩陣R(ref←S)為
R(ref←S)=aTbTcT---(3)]]>同理，S在rot坐標系下的正交坐標基為A＝r1，B＝(r1×r2)/|r1×r2|，C＝A×B(4)S到rot的轉換矩陣R(rot←S)為R(rot←S)=ATBTCT---(5)]]>由上可知，轉臺坐標系rot到鏡面立方體ref的轉換矩陣R(ref←rot)為R(ref←rot)＝R(ref←s)×R(rot←s)-1(6)由步驟301、302可知n1=001,n2=010---(7)]]>r1＝Rot(Y′，θ2)-1×Rot(X′，θ1)-1×n1，r2＝Rot(Y′，θ4)-1×Rot(X′，θ3)-1×n2(8)其中，Rot(X′，θ1)、Rot(Y′，θ2)、Rot(X′，θ3)、Rot(Y′，θ4)分別是步驟301、302中三軸轉臺12繞中框和外框旋轉對應的旋轉矩陣。將方程(7)和(8)分別代入方程(2)和(4)，按照上述轉換公式求出轉臺坐標系rot到鏡面立方體坐標系ref的轉換矩陣R(ref←rot)。
步驟4將步驟2和步驟3中得到的R(sun←rot)和R(ref←rot)代入下式，計算出天體敏感器坐標系到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣R(ref←sun)。
R(ref←sun)＝R(ref←rot)×R(sun←rot)-1(9)這樣，當天體敏感器15應用于衛星等航天器時，對于天體敏感器坐標系下直接測量得到光線矢量A，轉換到鏡面立方體基準坐標系下的矢量方向Aref就為Aref＝R(ref←sun)×A。即天體敏感器15直接測量得到的光線矢量方向，乘以矩陣R(ref←sun)后，就得到鏡面立方體基準坐標系下的光線矢量方向。從而將光線矢量方向轉換到天體敏感器機殼上的可觀測測量基準。
以前述光學平臺10、光源模擬器11、高精度三軸轉臺12和光電自準直儀14為轉換裝置，給出一天體敏感器采用上述轉換方法所確定的轉換矩陣。
表1是通過本發明所述標定方法得出的某天體敏感器外參數α1、β1和1的最小二乘優化值
表1表2是利用光電自準直儀14分別使鏡面立方體16的X″Y″面及Y″Z″面法線方向平行于光電自準直儀光軸，轉臺分別繞兩軸轉過的角度θ1、θ2、θ3、θ4的值
表2代入上述轉換方法中相應的理論式，得到天體敏感器測量坐標系到可觀測鏡面立方體坐標系的轉換矩陣R(ref←sun)為R(ref←sun)=R(ref←rot)×R(sun←rot)-1=0.9998-0.0204-0.00280.0203-0.9989-0.04300.00370.04300.9991]]>以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種天體敏感器測量基準轉換方法，其特征在于，在光學平臺上架設光源模擬器、三軸轉臺和光電自準直儀，三軸轉臺的內框上粘貼有平面反射鏡；安裝有鏡面立方體的天體敏感器安裝在三軸轉臺的內框安裝面上；所述光電自準直儀出射的平行光束照射到所述平面反射鏡面；所述光源模擬器的模擬光線照射在所述天體敏感器上；該方法包括以下步驟A、將三軸轉臺的中框和外框旋轉到零位固定，根據光電自準直儀讀數，調整所述光電自準直儀的支架，使其光軸與所述三軸轉臺的內框轉軸平行；B、將三軸轉臺的內框旋轉到零位固定，使光源模擬光線通過天體敏感器的光學系統照射在其圖像傳感器上；分別旋轉三軸轉臺中框和外框到不同角度，并記錄每個旋轉角度及在該位置圖像傳感器成像面上的成像點坐標，根據記錄的標定點數據標定出天體敏感器的內參數和外參數；根據所述外參數計算出轉臺坐標系到天體敏感器坐標系的轉換矩陣R(sun←rot)；C、通過光電自準直儀測量鏡面立方體兩反射面法向分別與其光軸的矢量關系；根據所述矢量關系計算出轉臺坐標系到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣R(ref←rot)；D、根據步驟B、C所得到的轉換矩陣R(sun←rot)和R(ref←rot)計算出天體敏感器坐標系到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣R(ref←sun)；天體敏感器坐標系下直接測量到的光線矢量方向乘以R(ref←sun)即為鏡面立方體基準坐標系下的矢量方向。
2.根據權利要求1所述的天體敏感器測量基準轉換方法，其特征在于，步驟B中所述天體敏感器內參數和外參數的標定具體為將標定點坐標數據代入天體敏感器成像內外參數統一建模模型，并用最小二乘優化法得到天體敏感器的內參數和外參數。
3.根據權利要求1所述的天體敏感器測量基準轉換方法，其特征在于，所述步驟C包括C1、旋轉三軸轉臺中框90度，使所述光電自準直儀出射的平行光束照射到天體敏感器上鏡面立方體的一個反射面上；微調所述三軸轉臺的中框和外框，使所述鏡面立方體該反射面法線方向與所述光電自準直儀的光軸平行，記錄所述三軸轉臺中框和外框旋轉角度θ1和θ2；C2、旋轉三軸轉臺中框180度，使所述光電自準直儀出射的平行光束照射到天體敏感器上鏡面立方體的另一個反射面上；微調所述三軸轉臺的中框和外框，使所述鏡面立方體該反射面法線方向與所述光電自準直儀的光軸平行，記錄所述三軸轉臺中框和外框旋轉角度θ3和θ4；C3、根據所述θ1、θ2、θ3和θ4計算出轉臺坐標系到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣R(ref←rot)。
4.一種天體敏感器測量基準轉換裝置，其特征在于，該裝置包括有光學平臺、光源模擬器、三軸轉臺、平面反射鏡和光電自準直儀，其中，所述光源模擬器、三軸轉臺和光電自準直儀架設在光學平臺上，所述三軸轉臺的內框固定設置一平面反射鏡，所述光電自準直儀出射的平行光束照射到所述平面反射鏡面；安裝有鏡面立方體的天體敏感器設置在三軸轉臺的內框安裝面上，所述光源模擬器的模擬光線通過所述天體敏感器的光學系統照射在其圖像傳感器上；所述平面反射鏡用于完成所述光電自準直儀光軸與所述三軸轉臺內框轉軸平行的調整；所述光源模擬器與三軸轉臺用于完成天體敏感器內外參數的標定；所述光電自準直儀用于完成鏡面立方體兩反射面法向與其光軸矢量關系的測量。
5.根據權利要求4所述的天體敏感器測量基準轉換裝置，其特征在于，所述光源模擬器與三軸轉臺完成天體敏感器內外參數的標定包括將三軸轉臺的內框旋轉到零位固定，分別旋轉中框和外框到不同角度，記錄每個旋轉角度及在該位置圖像傳感器成像面上的成像點坐標，將記錄的標定點數據代入天體敏感器內參數和外參數統一建模模型，并用最小二乘優化法得到天體敏感器的內參數和外參數。
6.根據權利要求5所述的天體敏感器測量基準轉換裝置，其特征在于，所述光電自準直儀完成鏡面立方體兩反射面法向與其光軸矢量關系的測量包括a、旋轉三軸轉臺中框90度，使所述光電自準直儀出射的平行光束照射到天體敏感器上鏡面立方體的一個反射面上；微調所述三軸轉臺的中框和外框，使所述鏡面立方體該反射面法線方向與所述光電自準直儀的光軸平行，記錄所述三軸轉臺中框和外框旋轉角度θ1和θ2；b、旋轉三軸轉臺中框180度，使所述光電自準直儀出射的平行光束照射到天體敏感器上鏡面立方體的另一個反射面上；微調所述三軸轉臺的中框和外框，使所述鏡面立方體該反射面法線方向與所述光電自準直儀的光軸平行，記錄所述三軸轉臺中框和外框旋轉角度θ3和θ4。
全文摘要
本發明公開了一種天體敏感器測量基準轉換方法，光源模擬器、三軸轉臺和光電自準直儀架設在光學平臺上，天體敏感器設置在三軸轉臺的內框上。A調整光電自準直儀使其光軸與內框轉軸平行；B旋轉轉臺中框和外框到不同角度獲得標定點數據，標定天體敏感器的內、外參數；確定轉臺坐標系到天體敏感器坐標系的轉換矩陣；C測量鏡面立方體兩反射面法向與光電自準直儀光軸的矢量關系，計算轉臺坐標系到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣；D計算天體敏感器坐標系到鏡面立方體坐標的轉換矩陣；天體敏感器測量到的光線矢量與D中轉換矩陣乘積即為轉換后矢量方向。本發明同時公開了一種實現上述方法分裝置。本發明實現簡單精度高。
文檔編號G01C21/24GK101082497SQ20071011879
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月13日 優先權日2007年7月13日
發明者張廣軍, 樊巧云, 張曉敏, 江潔 申請人:北京航空航天大學