高精度星敏感器光学系统内参数微变化量的在轨标定方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高精度星敏感器光学系统内参数微变化量的在轨标定方法，属于航天器高精度在轨标定技术领域。首先以地面标定的光学系统内参数为初始光学系统内参数值，根据各个坐标系的关系和星敏感器星点的角距模型相结合列出星敏感器相机坐标系中方向矢量的夹角与天球坐标系中导航星夹角相等的关系，然后在此基础上根据环境变化后星点之间观测星角距与导航星角距不变的特点，建立此说明需要使用的星敏感器光学系统内参数微变化量的标定模型，最后利用扩展卡尔曼滤波算法（EKF)的滤波方法对光学系统内参数的微变化量进行标定。在对其微变化量标定结束后，加上其初始光学系统内参数值，即可得到环境变化后的光学系统内参数。数。数。

【技术实现步骤摘要】
高精度星敏感器光学系统内参数微变化量的在轨标定方法


[0001]本专利技术涉及航天器高精度在轨标定
，特别涉及一种高精度星敏感器光学系统内参数微变化量的在轨标定方法，是一种针对星敏感器运行过程中在轨标定出其更高精度光学系统内参数的方法。

技术介绍

[0002]星敏感器是以恒星为参照物，以航天器空间姿态测量为工作对象的高精度光学导航装置，通过探测天球上的恒星，结合高精度的恒星天文坐标及星敏感器光学系统内参数(焦距、主点)，完成解算，具有自主导航能力，在航空航天领域广泛应用。星敏感器是一种光学设备，使用其光学系统对恒星成像，得到恒星的观测星图。通过星图预处理及质心提取，获取恒星的图像坐标，利用星图识别算法将观测星图中的星点和导航星表中的星点进行匹配，根据已知高精度恒星天球坐标和质心的图像坐标，结合星敏感器光学系统内参数，实现星敏感器光学系统坐标系在天球坐标系中的三轴姿态解算。星敏感器工作过程中，准确的光学系统内参数是保证高精度姿态测量的必要条件之一。
[0003]星敏感器交付使用前，需要在地面完成光学系统内参数的标定，然而星敏感器光学系统在发射和使用过程中，会受到振动、热辐射等环境条件影响，使星敏感器光学系统像差加大和结构变形，导致实际使用过程中的光学系统内参数较地面标定时产生微小变化。内参数的微变化量会使星敏感器各种标定参数发生变化，降低星敏感器的姿态测量精度，尤其是主点位置的变化对姿态测量造成直接影响。因此，星敏感器光学系统内参数微变化量成为限制星敏感器精度测量的主要因素之一。传统的在轨标定方法以光学系统内参数自身为标定对象，模型较为粗糙，通常将光学系统内参数的微变化量作为随机误差来处理，标定结果精度有待提高。因此需要在星敏感器工作过程中，有必要对内参数微变化量进行在轨高精度标定，对星敏感器进行标定补偿，以保证姿态测量精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高精度星敏感器光学系统内参数微变化量的在轨标定方法，解决了现有技术存在的星敏感器在轨标定中微变化量无法处理的问题。本专利技术实现了对星敏感器光学系统内参数的微变化量进行标定，主要用于主点位置、实际成像焦距。本专利技术以地面标定的光学系统内参数为初值，在对光学系统内参数微变化量标定后，加上其初始光学系统内参数值，即可得到变化后的光学系统内参数。与传统的直接对光学系统内参数进行标定的方法相比，本专利技术能够使星敏感器光学系统内参数的标定更加准确、高效，尤其是对于主点的标定精度更高，从而提高了星敏感器姿态计算精度。
[0005]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0006]高精度星敏感器光学系统内参数微变化量的在轨标定方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、进行地面标定，以地面标定的光学系统内参数为初始光学系统内参数值；
[0008]步骤二、星敏感器在轨工作过程中，通过光学镜头获得恒星的图像，然后进行星图
预处理，质心提取，获取恒星质心在图像中的位置；
[0009]步骤三、获取恒星在图像中的位置后，将拍摄后的星图与导航星表进行星图识别，通过星图识别的匹配得到天球坐标系中的导航星和图像坐标系下的观测星；
[0010]步骤四、对光学系统内参数微变化量的标定：
[0011]设天球坐标系中的导航星V
i
＝(X
i
，Y
i
，Z
i
)，V
j
＝(X
j
，Y
j
，Z
j
)，如式(1)；恒星i在图像坐标系下投影点坐标为(u
i
，v
i
)，则观测星为S
i
＝(u
i
，v
i
)，S
j
＝(u
j
，v
j
)；以观测星使用标准光学系统内参数主点和焦距反推相机坐标系中的点位置，得到方向矢量W
i
和W
j
，如式(2)；其中(u0，v0)表示主点坐标，f表示焦距，α
i
，α
j
与δ
i
，δ
j
分别表示赤经和赤纬；
[0012][0013][0014]根据星角距在坐标转换下不变的原理，得到星敏感器相机坐标系中W
i
和W
j
方向矢量的夹角与天球坐标系中导航星V
i
和V
j
的夹角相等，表示为式(3)：
[0015]V
iT
V
j
＝W
iT
W
j
ꢀꢀꢀ
(3)
[0016]将式(2)带入式(3)，求出恒星之间角距，如式(4)；
[0017][0018]其中，
[0019][0020]设环境变化后光学系统内参数变化为如式(6)
[0021][0022]其中，δu0，δv0，δf为光学系统内参数微变化量；
[0023]设环境变化后由于光学系统内参数变化，图像中星点位置变化为
[0024][0025]其中，δu
i
，δv
i
，δu
j
，δv
j
为图像中星点位置变化量；
[0026]则环境变化后的星角距为
[0027][0028]即星点位置和光学系统内参数同时变化，观测星角距与导航星角距不变；
[0029]其中，
[0030][0031]由式(8)可得，
[0032][0033]式(10)采用多元泰勒展开，去掉高阶小项；
[0034]其中，
[0035][0036][0037][0038]其中，
[0039][0040]根据式(10)写成
[0041][0042]当拍摄出来的一幅拍摄的星图中有n颗已识别出来的导航星时，则有：
[0043]M＝A*[δu0δv0δf]T
ꢀꢀꢀ
(16)
[0044]其中，
[0045][0046]步骤五：将拍摄出来的星图利用扩展卡尔曼滤波算法使星图进行计算，对δu0，δv0，δf即主点坐标和焦距的微变化量进行标定，具体是：
[0047]将公式(15)作为量测方程，由于该方程是非线性方程，因此用扩展卡尔曼滤波进行标定；状态方程为：
[0048]x
k
＝I3×3·
x
k
‑1ꢀꢀꢀ
(18)
[0049]x
k
＝[δu0δv0δf]T
ꢀꢀꢀ
(19)
[0050]其中x
k
为需要标定的主点和焦距的微变化量参数δu0，δv0，δf，如式(19)；k
‑
1和k分别代表第k
‑
1和第k幅图像，I3×3为单位矩阵，测量方程是：
[0051]z
k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度星敏感器光学系统内参数微变化量的在轨标定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、进行地面标定，以地面标定的光学系统内参数为初始光学系统内参数值；步骤二、星敏感器在轨工作过程中，通过光学镜头获得恒星的图像，然后进行星图预处理，质心提取，获取恒星质心在图像中的位置；步骤三、获取恒星在图像中的位置后，将拍摄后的星图与导航星表进行星图识别，通过星图识别的匹配得到天球坐标系中的导航星和图像坐标系下的观测星；步骤四、对光学系统内参数微变化量的标定：设天球坐标系中的导航星V
i
＝(X
i
,Y
i
,Z
i
)，V
j
＝(X
j
,Y
j
,Z
j
)，如式(1)；恒星i在图像坐标系下投影点坐标为(u
i
,v
i
)，则观测星为S
i
＝(u
i
,v
i
)，S
j
＝(u
j
,v
h
)；以观测星使用标准光学系统内参数主点和焦距反推相机坐标系中的点位置，得到方向矢量W
i
和W
j
，如式(2)；其中(u0,v0)表示主点坐标，f表示焦距，α
i
，α
j
与δ
i
，δ
j
分别表示赤经和赤纬；分别表示赤经和赤纬；根据星角距在坐标转换下不变的原理，得到星敏感器相机坐标系中W
i
和W
j
方向矢量的夹角与天球坐标系中导航星V
i
和V
j
的夹角相等，表示为式(3)：V
iT
V
j
＝W
iT
W
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)将式(2)带入式(3)，求出恒星之间角距，如式(4)；其中，设环境变化后光学系统内参数变化为如式(6)其中，δu0，δv0，δf为光学系统内参数微变化量；设环境变化后由于光学系统内参数变化，图像中星点位置变化为
其中，δu
i
，δv
i
，δu
j
，δv
j
为图像中星点位置变化量；则环境变化后的星角距为即星点位置和光学系统内参数同时变化，观测星角距与导航星角距不变；其中，由式(8)可得，式(10)采用多元泰勒展开，去掉高阶小项；其中，其中，其中，其中，根据式(10)写成当拍摄出来的一幅拍摄的星图中有n颗已识别出来的导航星时...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴量，晋业晴，韩超，王红梅，张丰，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：