一种天体敏感器测量基准转换方法及装置
专利汇可以提供一种天体敏感器测量基准转换方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种天体敏感器测量基准转换方法， 光源 模拟器 、三轴转台和光电自 准直 仪架设在光学平台上，天体敏感器设置在三轴转台的内框上。A调整光电自准直仪使其光轴与内框 转轴 平行；B旋转转台中框和外框到不同 角 度获得标定点数据，标定天体敏感器的内、外参数；确定转台 坐标系 到天体敏感器坐标系的转换矩阵；C测量镜面立方体两反射面法向与光电自准直仪光轴的矢量关系，计算转台坐标系到镜面立方体坐标系的转换矩阵；D计算天体敏感器坐标系到镜面立方体坐标的转换矩阵；天体敏感器测量到的光线矢量与D中转换矩阵乘积即为转换后矢量方向。本发明同时公开了一种实现上述方法分装置。本发明实现简单 精度 高。，下面是一种天体敏感器测量基准转换方法及装置专利的具体信息内容。
1、一种天体敏感器测量基准转换方法，其特征在于，在光学平台上架设光 源模拟器、三轴转台和光电自准直仪，三轴转台的内框上粘贴有平面反射镜； 安装有镜面立方体的天体敏感器安装在三轴转台的内框安装面上；所述光电自 准直仪出射的平行光束照射到所述平面反射镜面；所述光源模拟器的模拟光线 照射在所述天体敏感器上；该方法包括以下步骤：
A、将三轴转台的中框和外框旋转到零位固定，根据光电自准直仪读数， 调整所述光电自准直仪的支架，使其光轴与所述三轴转台的内框转轴平行；
B、将三轴转台的内框旋转到零位固定，使光源模拟光线通过天体敏感器 的光学系统照射在其图像传感器上；分别旋转三轴转台中框和外框到不同角度， 并记录每个旋转角度及在该位置图像传感器成像面上的成像点坐标，根据记录 的标定点数据标定出天体敏感器的内参数和外参数；根据所述外参数计算出转 台坐标系到天体敏感器坐标系的转换矩阵R(sun←rot)；
C、通过光电自准直仪测量镜面立方体两反射面法向分别与其光轴的矢量 关系；根据所述矢量关系计算出转台坐标系到镜面立方体坐标系的转换矩阵 R(ref←rot)；
D、根据步骤B、C所得到的转换矩阵R(sun←rot)和R(ref←rot)计算出天体 敏感器坐标系到镜面立方体坐标系的转换矩阵R(ref←sun)；天体敏感器坐标系 下直接测量到的光线矢量方向乘以R(ref←sun)即为镜面立方体基准坐标系下的 矢量方向。
2、根据权利要求1所述的天体敏感器测量基准转换方法，其特征在于，步 骤B中所述天体敏感器内参数和外参数的标定具体为：
将标定点坐标数据代入天体敏感器成像内外参数统一建模模型，并用最小 二乘优化法得到天体敏感器的内参数和外参数。
3、根据权利要求1所述的天体敏感器测量基准转换方法，其特征在于，所 述步骤C包括：
C1、旋转三轴转台中框90度，使所述光电自准直仪出射的平行光束照射 到天体敏感器上镜面立方体的一个反射面上；微调所述三轴转台的中框和外框， 使所述镜面立方体该反射面法线方向与所述光电自准直仪的光轴平行，记录所 述三轴转台中框和外框旋转角度θ1和θ2；
C2、旋转三轴转台中框180度，使所述光电自准直仪出射的平行光束照射 到天体敏感器上镜面立方体的另一个反射面上；微调所述三轴转台的中框和外 框，使所述镜面立方体该反射面法线方向与所述光电自准直仪的光轴平行，记 录所述三轴转台中框和外框旋转角度θ3和θ4；
C3、根据所述θ1、θ2、θ3和θ4计算出转台坐标系到镜面立方体坐标系的转 换矩阵R(ref←rot)。
4、一种天体敏感器测量基准转换装置，其特征在于，该装置包括有光学平 台、光源模拟器、三轴转台、平面反射镜和光电自准直仪，其中，所述光源模 拟器、三轴转台和光电自准直仪架设在光学平台上，所述三轴转台的内框固定 设置一平面反射镜，所述光电自准直仪出射的平行光束照射到所述平面反射镜 面；安装有镜面立方体的天体敏感器设置在三轴转台的内框安装面上，所述光 源模拟器的模拟光线通过所述天体敏感器的光学系统照射在其图像传感器上； 所述平面反射镜用于完成所述光电自准直仪光轴与所述三轴转台内框转轴平行 的调整；所述光源模拟器与三轴转台用于完成天体敏感器内外参数的标定；所 述光电自准直仪用于完成镜面立方体两反射面法向与其光轴矢量关系的测量。
5、根据权利要求4所述的天体敏感器测量基准转换装置，其特征在于，所 述光源模拟器与三轴转台完成天体敏感器内外参数的标定包括：
将三轴转台的内框旋转到零位固定，分别旋转中框和外框到不同角度，记 录每个旋转角度及在该位置图像传感器成像面上的成像点坐标，将记录的标定 点数据代入天体敏感器内参数和外参数统一建模模型，并用最小二乘优化法得 到天体敏感器的内参数和外参数。
6、根据权利要求5所述的天体敏感器测量基准转换装置，其特征在于，所 述光电自准直仪完成镜面立方体两反射面法向与其光轴矢量关系的测量包括：
a、旋转三轴转台中框90度，使所述光电自准直仪出射的平行光束照射到 天体敏感器上镜面立方体的一个反射面上；微调所述三轴转台的中框和外框， 使所述镜面立方体该反射面法线方向与所述光电自准直仪的光轴平行，记录所 述三轴转台中框和外框旋转角度θ1和θ2；
b、旋转三轴转台中框180度，使所述光电自准直仪出射的平行光束照射到 天体敏感器上镜面立方体的另一个反射面上；微调所述三轴转台的中框和外框， 使所述镜面立方体该反射面法线方向与所述光电自准直仪的光轴平行，记录所 述三轴转台中框和外框旋转角度θ3和θ4。
技术领域
本发明涉及天体敏感器测量技术，尤其涉及一种天体敏感器测量基准转换 方法及装置。
背景技术
发明内容
本发明的技术方案是这样实现的：
一种天体敏感器测量基准转换方法，在光学平台上架设光源模拟器、三轴 转台和光电自准直仪，三轴转台的内框上粘贴有平面反射镜；安装有镜面立方 体的天体敏感器安装在三轴转台的内框安装面上；所述光电自准直仪出射的平 行光束照射到所述平面反射镜面；所述光源模拟器的模拟光线照射在所述天体 敏感器上；该方法包括以下步骤：
A、将三轴转台的中框和外框旋转到零位固定，根据光电自准直仪读数， 调整所述光电自准直仪的支架，使其光轴与所述三轴转台的内框转轴平行；
B、将三轴转台的内框旋转到零位固定，使光源模拟光线通过天体敏感器 的光学系统照射在其图像传感器上；分别旋转三轴转台中框和外框到不同角度， 并记录每个旋转角度及在该位置图像传感器成像面上的成像点坐标，根据记录 的标定点数据标定出天体敏感器的内参数和外参数；根据所述外参数计算出转 台坐标系到天体敏感器坐标系的转换矩阵R(sun←rot)；
C、通过光电自准直仪测量镜面立方体两反射面法向分别与其光轴的矢量 关系；根据所述矢量关系计算出转台坐标系到镜面立方体坐标系的转换矩阵 R(ref←rot)；
D、根据步骤B、C所得到的转换矩阵R(sun←rot)和R(ref←rot)计算出天体 敏感器坐标系到镜面立方体坐标系的转换矩阵R(ref←sun)；天体敏感器坐标系 下直接测量到的光线矢量方向乘以R(ref←sun)即为镜面立方体基准坐标系下的 矢量方向。
其中，步骤B中所述天体敏感器内参数和外参数的标定具体为：
将标定点坐标数据代入天体敏感器成像内外参数统一建模模型，并用最小 二乘优化法得到天体敏感器的内参数和外参数。
其中，所述步骤C包括：
C1、旋转三轴转台中框90度，使所述光电自准直仪出射的平行光束照射 到天体敏感器上镜面立方体的一个反射面上；微调所述三轴转台的中框和外框， 使所述镜面立方体该反射面法线方向与所述光电自准直仪的光轴平行，记录所 述三轴转台中框和外框旋转角度θ1和θ2；
C2、旋转三轴转台中框180度，使所述光电自准直仪出射的平行光束照射 到天体敏感器上镜面立方体的另一个反射面上；微调所述三轴转台的中框和外 框，使所述镜面立方体该反射面法线方向与所述光电自准直仪的光轴平行，记 录所述三轴转台中框和外框旋转角度θ3和θ4；
C3、根据所述θ1、θ2、θ3和θ4计算出转台坐标系到镜面立方体坐标系的转 换矩阵R(ref←rot)。
一种天体敏感器测量基准转换装置，包括有光学平台、光源模拟器、三轴 转台、平面反射镜和光电自准直仪，其中，所述光源模拟器、三轴转台和光电 自准直仪架设在光学平台上，所述三轴转台的内框固定设置一平面反射镜，所 述光电自准直仪出射的平行光束照射到所述平面反射镜面；安装有镜面立方体 的天体敏感器设置在三轴转台的内框安装面上，所述光源模拟器的模拟光线通 过所述天体敏感器的光学系统照射在其图像传感器上；所述平面反射镜用于完 成所述光电自准直仪光轴与所述三轴转台内框转轴平行的调整；所述光源模拟 器与三轴转台用于完成天体敏感器内外参数的标定；所述光电自准直仪用于完 成镜面立方体两反射面法向与其光轴矢量关系的测量。
其中，所述光源模拟器与三轴转台完成天体敏感器内外参数的标定包括：
将三轴转台的内框旋转到零位固定，分别旋转中框和外框到不同角度，记 录每个旋转角度及在该位置图像传感器成像面上的成像点坐标，将记录的标定 点数据代入天体敏感器内参数和外参数统一建模模型，并用最小二乘优化法得 到天体敏感器的内参数和外参数。
其中，所述光电自准直仪完成镜面立方体两反射面法向与其光轴矢量关系 的测量包括：
a、旋转三轴转台中框90度，使所述光电自准直仪出射的平行光束照射到 天体敏感器上镜面立方体的一个反射面上；微调所述三轴转台的中框和外框， 使所述镜面立方体该反射面法线方向与所述光电自准直仪的光轴平行，记录所 述三轴转台中框和外框旋转角度θ1和θ2；
b、旋转三轴转台中框180度，使所述光电自准直仪出射的平行光束照射到 天体敏感器上镜面立方体的另一个反射面上；微调所述三轴转台的中框和外框， 使所述镜面立方体该反射面法线方向与所述光电自准直仪的光轴平行，记录所 述三轴转台中框和外框旋转角度θ3和θ4。
本发明利用现有的天体敏感器标定装置和光电自准直仪，并由相应的转换 方法和步骤实现了天体敏感器测量基准的转换。该方法及装置不需将镜面立方 体安装到与天体敏感器测量坐标系有严格准确位置关系的基准位置，加工安装 工艺简单，操作方便，能够快速、准确、方便地将天体敏感器直接测量得到的 光线矢量方向转换到天体敏感器机壳上的可观测测量基准。
附图说明
图1为本发明的转换装置的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的转换装置的结构示意图，如图1所示，本发明的转换装置包 括有光学平台10、光源模拟器11、高精度三轴转台12、平面反射镜13和光电自 准直仪14，其中，光源模拟器11、高精度三轴转台12和光电自准直仪14架设在 光学平台10上，安装有镜面立方体16的天体敏感器1 5固定设置在三轴转台12的 内框安装面上。光学平台10、光源模拟器11、高精度三轴转台12和光电自准直 仪14均为现有器件，光学平台10采用天津拓普有限公司的WSZ-1型光学实验平 台，光源模拟器11采用长春光电技术研究所研制的高准直光源模拟器，高精度 三轴转台12采用北京航天102所研制的三轴伺服转台，光电自准直仪14采用北京 中安特机电设备有限公司的型号为CZ-2的单向数显自准直仪。三轴转台包括 相互垂直的三转轴，分别为内框转轴120、中框转轴121和外框转轴122，转角位 置精度为0.1′。平面反射镜13粘贴在高精度三轴转台12的内框一个平面上，粘贴 精度要求其与转台内框转轴的垂直度误差小于10角秒。光电自准直仪14包括三 个调整支架140，其测量精度为0.1″。光源模拟器11的有效辐照面积直径为 200mm，光束准直角为32′。光源模拟器11出射的模拟光线通过天体敏感器15光 学系统后照射在天体敏感器1 5内的图像传感器上，通过旋转三轴转台12的中框 和外框到不同角度，可获得模拟光线在图像传感器上不同的成像点坐标。
本发明的测量基准转换方法正是基于前述的装置进行的，本发明不必保证 天体敏感器15机壳的加工精度，也不必保证镜面立方体16安装到天体敏感器 15机壳上的位置精度。在描述本发明的测量基准转换方法前，首先说明一下与 本发明的转换方法相关的几个坐标系，以详尽地描述本发明的技术方案。
与本发明测量基准转换方法相关的坐标系包括：以天体敏感器15的图像传 感器成像面的行为X轴、列为Y轴，并设定垂直于XY平面的Z轴，形成天体 敏感器坐标系sun。以安装天体敏感器的三轴转台12的中框转轴121和外框转 轴122分别为X′和Y′轴，内框转轴120两转轴交点为坐标为Z′轴，三轴交点为 坐标原点形成转台坐标系rot。以天体敏感器上的镜面立方体16的一个角点为 坐标原点，过该原点的三个反射面所在平面分别为X″Y″、X″Z″、Y″Z″面，形 成镜面立方体坐标系ref。本发明的天体敏感器坐标系、转台坐标系和镜面立方 体坐标系同为右手坐标系或左手坐标系。
本发明的测量基准转换方法为：在光学平台10上架设光源模拟器11、高 精度三轴转台12和光电自准直仪14，三轴转台12的内框上粘贴一平面反射镜 13，安装有镜面立方体16的天体敏感器15安装在三轴转台12内框的安装面上。 首先，将三轴转台12中框和外框旋转到零位固定，根据光电自准直仪14读数， 调整光电直准直仪14的支架使其光轴与三轴转台12内框转轴平行；然后，将 三轴转台12的内框旋转到零位固定，旋转三轴转台12中框轴121和外框轴122 到不同角度，并记录每个旋转角度及在该位置图像传感器上不同的成像点坐标， 依此作为标定点数据完成天体敏感器15内外参数的标定，根据其中的外参数确 定转台坐标系到天体敏感器坐标系的转换矩阵。最后，通过光电自准直仪14 测量出镜面立方体16两反射面法线方向分别与光电自准直仪14光轴的矢量关 系，由该矢量关系确定转台坐标系到镜面立方体坐标系的转换矩阵。这样，天 体敏感器坐标系下测量的光线矢量方向就可转换为镜面立方体坐标系下的矢量 方向。以下详细描述其具体的实现步骤：
步骤1：在光学平台10上架设光源模拟器11、高精度三轴转台12和光电 自准直仪14，三轴转台12的内框上粘贴一平面反射镜13，其与三轴转台12 内框转轴120垂直度误差小于10角秒；将三轴转台12的中框121和外框122 旋转到零位固定，使光电自准直仪14出射的平行光束照射到该平面反射镜13 的镜面上，此时如果光电自准直仪14的读数为0，说明光电自准直仪14的光 轴与三轴转台12内框转轴平行，如果不为0，说明两者不平行，通过调整光电 自准直仪14的支架，使两者平行。
步骤2：将三轴转台12的内框旋转到零位固定，使光源模拟器11的模拟 光线通过天体敏感器1 5的光学系统照射在其图像传感器上；然后分别旋转转台 中框121和外框122到不同角度，并记录每个旋转角度及在该位置图像传感器 成像面上的成像点坐标，以此作为标定点数据代入该系统内外参数统一建模模 型，并用最小二乘优化法得到天体敏感器的内参数和外参数α1、β1、1。其中， α1、β1、1是转台坐标系转换到天体敏感器测量坐标系，转台分别绕X′轴、Y′ 轴和Z′轴旋转的角度。标定点数据越多，得到的内外参数值越精确，实际应用 中，可根据天体敏感器的视场范围选取适量的标定点数据。例如，对±60°视 场范围的情况，可每隔5°选取一个标定点数据。由此可确定转台坐标系转换 到天体敏感器测量坐标系的转换矩阵R(sun←rot)，其用外参数α1、β1、1表示 为：
其中，Rot(X′，α1)、Rot(Y′，β1)、Rot(Z′，1)分别是转台坐标系转换到天 体敏感器坐标系，转台绕X′轴旋转α1、绕Y′轴旋转β1、绕Z′轴旋转1所对应 的旋转矩阵。内外参数标定的具体实现方法可参见本申请人于2007年7月6 日申请的、专利申请号为200710118498.1、发明名称为“一种数字式太阳敏感 器标定方法及装置”的专利申请文件中记载的技术方案。
步骤3：通过光电自准直仪14测量镜面立方体16两反射面法向与光电自 准直仪14光轴的矢量关系，并由所述矢量关系确定转台坐标系到镜面立方体坐 标系的旋转矩阵，具体实现方法如下：
步骤301：旋转三轴转台12中框90度，使光电自准直仪14出射的平行光 束照射到天体敏感器15上安装的镜面立方体16的一个反射面上，通过微调三 轴转台12的中框和外框，使该镜面立方体16反射面法线方向与光电自准直仪 14的光轴平行，即使光电自准直仪的读数为0，记录此时三轴转台12中框和外 框旋转角度θ1和θ2。
步骤302：旋转三轴转台12中框180度，使光电自准直仪14出射的平行 光束照射到天体敏感器15上安装的镜面立方体16的另一个反射面上，微调三 轴转台12的中框和外框，使镜面立方体16反射面法线方向与光电自准直仪14 的光轴平行，即使光电自准直仪14的读数为0，记录此时三轴转台12中框和 外框旋转角度θ3和θ4。
步骤303：采用双矢量定姿方法计算出转台坐标系到镜面立方体坐标系的 旋转矩阵R(ref←rot)。以步骤301、302中两反射面法线方向作为两观测矢量， 设其在镜面立方体坐标系ref下的方向矢量为n1、n2，在转台坐标系rot下的方 向矢量为r1、r2。
以这两个观测矢量建立参考坐标系S，S在ref坐标系下的正交基为
a＝n1，b＝(n1×n2)/|n1×n2|，c＝a×b (2)
则S到ref的转换矩阵R(ref←S)为：
同理，S在rot坐标系下的正交坐标基为
A＝r1，B＝(r1×r2)/|r1×r2|，C＝A×B (4)
S到rot的转换矩阵R(rot←S)为：
由上可知，转台坐标系rot到镜面立方体ref的转换矩阵R(ref←rot)为：
R(ref←rot)＝R(ref←s)×R(rot←s)-1 (6)
由步骤301、302可知：
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)分别是步骤301、 302中三轴转台12绕中框和外框旋转对应的旋转矩阵。将方程(7)和(8)分别代入 方程(2)和(4)，按照上述转换公式求出转台坐标系rot到镜面立方体坐标系ref 的转换矩阵R(ref←rot)。
步骤4：将步骤2和步骤3中得到的R(sun←rot)和R(ref←rot)代入下式， 计算出天体敏感器坐标系到镜面立方体坐标系的转换矩阵R(ref←sun)。
R(ref←sun)＝R(ref←rot)×R(sun←rot)-1 (9)
这样，当天体敏感器15应用于卫星等航天器时，对于天体敏感器坐标系下 直接测量得到光线矢量A，转换到镜面立方体基准坐标系下的矢量方向Aref就 为：A ref＝R(ref←sun)×A。即天体敏感器15直接测量得到的光线矢量方向，乘以 矩阵R(ref←sun)后，就得到镜面立方体基准坐标系下的光线矢量方向。从而将 光线矢量方向转换到天体敏感器机壳上的可观测测量基准。
以前述光学平台10、光源模拟器11、高精度三轴转台12和光电自准直仪14 为转换装置，给出一天体敏感器采用上述转换方法所确定的转换矩阵。
表1是通过本发明所述标定方法得出的某天体敏感器外参数α1、β1和1的最 小二乘优化值：
参数 α1 β1 1 优化值(度) 1.446 0.06 0.972
表1
表2是利用光电自准直仪14分别使镜面立方体16的X″Y″面及Y″Z″面法线方 向平行于光电自准直仪光轴，转台分别绕两轴转过的角度θ1、θ2、θ3、θ4的值：
参数 θ1 θ2 θ3 θ4 测量值(度) 181.398 -0.528 91.386 -0.048
表2
代入上述转换方法中相应的理论式，得到天体敏感器测量坐标系到可观测 镜面立方体坐标系的转换矩阵R(ref←sun)为：
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
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