CN113607188A - 基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定***及方法 - Google Patents

Abstract

基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器标定***及方法，包括以下步骤：对经纬仪十字叉丝经望远镜物镜和星敏感器镜头在星敏感器像面上成像的过程进行建模；根据视场参数建立标定轨迹，采集不同标定位置上星敏感器拍摄到的十字叉丝图像和经纬仪测量角度；将十字叉丝图像提取为交叉点图像坐标，以交叉点坐标和经纬仪角度为输入数据，根据十字叉丝成像模型构建优化问题求解经纬仪坐标系和视场坐标系旋转关系；通过经纬仪互瞄建立各经纬仪坐标系之间的旋转关系；对分步结果进行融合，得到多视场星敏感器结构参数标定结果。本方法保持较高的标定精度使用多台电子经纬仪构建标定***，***构型自由，应用于具有大尺寸、大重量和任意视场分布结构的多视场星敏感器***。

Description

基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定***及方法

技术领域

本发明属于天文导航技术领域，提供了一种基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定***与方法。

背景技术

测量精度和动态性能是星敏感器的两个重要的性能指标。受到视场大小的限制，单视场星敏感器通常绕光轴方向姿态测量误差比另两轴高一个数量级，而多视场星敏感器可以利用某一视场高精度测量轴向的测量结果对其他视场低精度测量轴向进行补偿，实现三轴等精度姿态测量；由于多视场星敏感器的视场范围远大于同规格的单视场星敏感器，因此多视场星敏感器的观测星数量也多于单视场星敏感器，具有更高的整体姿态测量精度；另外，当星敏感器角速度增加时，各视场的星等探测灵敏度均有不同降低，观测星数目减少，由于多视场星敏感器可以实现各视场星点信息融合，只要观测星的总数目大于三个，仍可以输出有效姿态，因而具有较单视场星敏感器更高的动态性能。

多视场星敏感器***测量姿态的关键步骤是将不同视场中的星矢量融合至统一的坐标系下。由于加工和装调误差的存在，多视场星敏感器的各视场坐标系之间的旋转关系，即结构参数将会偏离设计值，进而导致姿态测量失准。因此，精确标定结构参数对保证多视场星敏感器姿态测量精度具有重要意义。

目前多视场星敏感器结构参数标定常用的方法共有三种。第一种方法是外场标定方法，即控制多视场星敏感器的不同视场同时曝光，分别解算各视场坐标系相对天球坐标系的旋转关系，以天球坐标系为中间坐标系得到各视场结构参数。该方法容易受到大气折射的影响，导致标定结果精度较差，往往无法满足多视场星敏感器的测量精度需求。第二种方法使用电子经纬仪结合基准立方镜对结构参数进行标定，见“一种星敏感器探头组合体光轴指向标定方法(申请号CN2011104609570，公开号CN102538825 A)”，该方法在多视场星敏感器每一视场上固连一基准立方镜，进行各视场的星敏感器内外方元素校准时可以建立视场坐标系与棱镜坐标系的旋转关系，使用多台经纬仪瞄准棱镜可以建立各棱镜坐标系与经纬仪坐标系的旋转关系，再通过经纬仪互瞄可以建立各经纬仪坐标系之间的旋转关系，最后进行融合得到视场结构参数。该方法的标定精度很大程度上受限于基准立方镜的加工精度，通常基准立方镜的加工精度只能达到角分级别，在对结构参数精度有较高要求时其标定精度不能满足多视场星敏感器的使用需求。第三种方法使用三轴转台对结构参数进行标定，见专利“一种基于三轴转台的多视场星敏感器的标定***及方法(申请号CN2018113663006，公开号CN109459059A)”，该方法利用多视场星敏感器视轴分布的对称性，通过转动三轴转台内框，使各视场轮流处于单星模拟器照射范围内，分别进行星敏感器内外方元素校准，得到每一视场相对转台坐标系的旋转关系，以转台坐标系为中间坐标系得到各视场结构参数。但通常三轴转台的安装尺寸和载重能力有限，该方法只适用于轻小型多视场星敏感器***的标定，且多视场星敏感器的视轴分布也需要具有对称性，对于大体积、大重量或视轴分布不对称的多视场星敏感器***无法应用该方法。此外，诸如专利申请，申请号CN2010101884887，公开号：CN101858755 A公开的一种星敏感器的标定方法；申请号：CN2010105127866，公开号：CN102032918A公开的三探头星敏指向标定方法；申请号：CN2014102253866，公开号：CN104154928A公开的一种适用于惯性平台内置式星敏感器的安装误差标定方法；申请号：CN2014103608057，公开号：CN105318891B公开的一种星敏感器基准立方镜安装误差的标定装置；申请号：CN2018115226969，公开号：CN109506645 A公开的一种星敏感器安装矩阵地面精测方法；申请号：CN2019107203476，公开号：CN110345970 A公开的一种光学导航敏感器标定方法及其设备；申请号：CN2019113583595，公开号：CN111044077 A公开的星敏感器测量坐标系与基准立方镜坐标系间的标定方法等，均使用经纬仪对星敏感器相关参数和相关坐标系转换关系进行标定，但这些方法均需要配合基准立方镜使用，有些方法还需要附加额外的基准源，如平行光管及高精度转台或由标定点构成的标定场等，标定***搭建复杂，且需要使用基准立方镜构建中间转换坐标系，涉及坐标系众多，在多次坐标系转换中难以控制标定误差，基准立方镜的加工精度不足也会导致标定结果精度降低。

发明内容

本发明的目的在于：在既有的多视场星敏感器结构参数标定方法中，外场标定方法和经纬仪结合棱镜的标定方法都不能提供足够高精度的标定结果，而基于三轴转台的标定方法虽然能提供高精度标定结果但对多视场星敏感器的外形尺寸、整体重量和视轴结构都有较为严格的要求。

针对以上问题，提出一种基于电子经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器结构参数标定方法，该方法使用多台电子经纬仪分别与多视场星敏感器的每一视场相对应，每台经纬仪中的发光十字叉丝均可通过光学***在对应视场的像面上成像，通过建立成像模型并采集图像可以标定经纬仪坐标系与视场坐标系的旋转关系，再通过经纬仪互瞄建立各经纬仪坐标系之间的旋转关系，最后融合得到视场结构参数。标定过程主要基于光学成像原理，保证了较高的标定精度，同时所使用的电子经纬仪安装方式自由，对多视场星敏感器的尺寸、重量和构型均不产生限制。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一方面公开了一种基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定***，包括大理石平台(1)、多视场星敏感器(2)、电子经纬仪(3)以及数据采集设备(4)；所述的大理石平台(1)用于承载其余所有设备；多视场星敏感器(2)置于大理石平台(1)上，各视场视轴与大理石平台平面平行；电子经纬仪(3)放置于多视场星敏感器每一视场前，其望远镜光轴与各视场视轴重合，其基座位置固定后调整支脚整平经纬仪；所述的数据采集设备(4)与多视场星敏感器(2)以及经纬仪(3)相连，用于采集多视场星敏感器(2)的图像和经纬仪(3)的测量数据。

本发明的第二方面公开了一种基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定方法，采用所述的标定***，所述方法包括如下步骤：

步骤一，对经纬仪十字叉丝经望远镜物镜和星敏感器镜头在星敏感器像面上成像的过程进行建模；

步骤二，建立标定轨迹，采集不同标定位置上星敏感器拍摄到的十字叉丝图像和经纬仪测量角度；

步骤三，使用图像处理方法将十字叉丝图像提取为交叉点图像坐标，对采集到的数据进行预处理，根据十字叉丝成像模型构建优化问题求解经纬仪坐标系和视场坐标系旋转关系；

步骤四，通过经纬仪互瞄建立各经纬仪坐标系之间的旋转关系；

步骤五，对分步结果进行融合，得到多视场星敏感器结构参数标定结果。

进一步的，所述的步骤一进一步包括如下内容：当经纬仪望远镜稳定于某一位置时，发光十字叉丝经过望远镜物镜和星敏感器镜头在像面上清晰成像；视场坐标系下望远镜光轴方向矢量由经纬仪的水平角、竖直角和经纬仪坐标系与视场坐标系的安装角度确定；视场坐标系下十字叉丝交叉点主光线方向矢量由交叉点的图像坐标和星敏感器成像模型确定；该两个矢量相互平行，方向相反。

进一步的，所述的步骤二进一步包括如下内容：首先调整十字叉丝亮度及望远镜对焦位置，并根据星敏感器视场情况创建标定轨迹；依次转动经纬仪至标定轨迹中每一标定位置处，多次采集星敏感器图像并多次测量经纬仪的水平角和竖直角。

进一步的，所述的步骤三进一步包括如下内容：对每一标定位置采集到的经纬仪水平角和竖直角进行平均，得到该标定位置的精确经纬仪角度；对采集到的星敏感器图像，使用图像处理方法提取交叉点的亚像素级坐标，对属于同一标定位置的交叉点坐标进行平均得到该标定位置的精确交叉点图像坐标；根据经纬仪十字叉丝成像模型，以望远镜光轴方向矢量v_S和交叉点主光线方向矢量w_S之差为残差函数，构建极小值优化问题对经纬仪坐标系与单视场坐标系的旋转欧拉角θ₁,θ₂,θ₃进行求解，构建的极小值优化问题为：

其中m为标定位置总数，ψ_i＝(Hz_i,V_i)^T为第i个标定位置的经纬仪角度，x_i＝(x_p,i,y_p,i)^T为第i个标定位置的交叉点图像坐标，p＝(f,x_c,y_c,p₁,p₂,q₁,q₂)^T为星敏感器内参数，包含焦距f、主点(x_c,y_c)、径向畸变系数(p₁,p₂)和切向畸变系数(q₁,q₂)，残差函数表达式为

其中，

和

分别为第i标定位置望远镜光轴方向矢量v_S,i和第i标定位置交叉点主光线方向矢量w_S,i放缩至z＝1平面后的矢量。求解得到的旋转欧拉角θ₁,θ₂,θ₃转化为方向余弦矩阵形式，按照视场编号k记为

进一步的，所述的步骤四进一步包括如下内容：通过两台经纬仪相互瞄准对方的十字叉丝并记录测量角度，得到该两台经纬仪的坐标系旋转关系；对所使用的所有经纬仪两两进行互瞄，得到所有经纬仪坐标系之间的旋转关系，记k号经纬仪坐标系至l号经纬仪坐标系的方向余弦矩阵为

进一步的，所述的步骤五进一步包括如下内容：对上述所有得到的旋转关系进行融合，得到多视场星敏感器结构参数标定结果，从k视场坐标系至l视场坐标系的方向余弦矩阵为：

本发明还将基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定方法应用于天文导航装置中。

本发明的技术方案可以实现如下有益的技术效果：

本标定方法使用十字叉丝成像的方式对经纬仪坐标系与视场坐标系的旋转关系进行标定，光学成像方法的标定精度通常在角秒级别，远高于基准立方镜方法的标定精度。

本标定方法将待标定多视场星敏感器置于一稳定基座上，使用多台电子经纬仪围绕多视场星敏感器构建标定***，无需使用高精度转台，解除了高精度转台对承载物尺寸和重量的限制，可以应用于具有大尺寸和大重量的多视场星敏感器***。

本标定方法使用电子经纬仪与单个星敏感器视场构成子标定***，各子标定***之间相互独立，不要求多视场星敏感器的视场分布具有对称性等特殊性质，可以应用于具有任意结构和任意视场数量的多视场星敏感器***。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于电子经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定***的结构示意图；

图2为经纬仪望远镜光轴方向矢量模型；

图3为星敏感器成像模型；

图4为十字叉丝像实拍局部图片；

图5为经纬仪-单视场子标定***标定轨迹。

具体实施方式

如图1所示，一种基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定***，包括提供稳定支撑的大理石平台1、待标定多视场星敏感器2、多台具有自准直功能的电子经纬仪3以及数据采集设备4。所述的大理石平台1用于承载其余所有设备，隔绝外来震动，多视场星敏感器2置于大理石平台1上，各视场视轴与平台平面平行，经纬仪3放置于多视场星敏感器每一视场前，其望远镜光轴与各视场视轴重合，基座位置固定后调整支脚整平经纬仪，所述的数据采集设备4与多视场星敏感器2以及经纬仪3相连，用于采集多视场星敏感器2的图像和经纬仪3的测量数据。

本发明使用经纬仪自身的发光十字叉丝作为基准源，将基准源与测量装置结合为一体，降低了标定***搭建的复杂度，且标定过程采用对十字叉丝成像的方法，无须使用基准立方镜建立中间转换坐标系，简化坐标系转换过程的同时标定结果精度也不受基准立方镜的加工精度影响，本发明采用大理石平台，由于其平整度高，在实际应用中减少放在其上面的设备大规模的调平工作。

一种基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定方法，使用本发明所述的***，包括以下步骤：

步骤一，对经纬仪十字叉丝经望远镜物镜和星敏感器镜头在星敏感器像面上成像的过程进行建模。

在本发明所述***中，每一台经纬仪与多视场星敏感器的其中一个视场构成子标定***，该子***用于标定经纬仪和对应视场之间的旋转关系。当经纬仪的望远镜稳定于某一位置时，自准直功能点亮的十字叉丝通过望远镜物镜和星敏感器镜头在星敏感器像面上成像，十字叉丝交叉点的主光线方向与望远镜的光轴方向重合。结合经纬仪的水平角、竖直角和安装角度，可以计算出望远镜光轴方向矢量。结合十字叉丝交叉点的图像坐标和星敏感器内参数，可以计算出交叉点主光线方向矢量。该两个矢量相互平行，方向相反，以该两个矢量为中枢建立十字叉丝成像模型。

星敏感器单视场坐标系O_S-X_SY_SZ_S建立在对应视场镜头的光心处，X_S轴和Y_S轴分别与图像传感器的栅格方向平行，X_S轴指向图像右方，Y_S轴指向图像上方，Z_S轴延镜头光轴方向指向镜头前方。在标定过程中，所有矢量均转换至该坐标系下进行计算。

如图2所示，经纬仪望远镜光轴方向矢量v_T直接建立在经纬仪零位坐标系下。零位坐标系O_T-X_TY_TZ_T与基座固连，其Z_TO_TX_T平面平行于当地水平面，Y_T轴延当地竖直方向向下，Z_T轴方向与水平角为0°、竖直角为90°时的望远镜指向方向重合，X_T轴方向由右手定则确定。当经纬仪水平角为Hz，竖直角为V时，零位坐标系O_T-X_TY_TZ_T下望远镜光轴的方向矢量v_T的表达式为：

假设从经纬仪零位坐标系旋转至星敏感器单视场测量坐标系的三轴欧拉角(YXZ转序)分别为θ₁,θ₂,θ₃，则该转换关系对应的方向余弦矩阵

的表达式为：

根据上述方向余弦矩阵，星敏感器视场坐标系O_S-X_SY_SZ_S下望远镜光轴的方向矢量v_S的表达式为：

由于方向矢量的长度固定为1，实质上只具有2个自由度，为方便使用，将v_S放缩至z＝1平面上，表达式为：

如图3所示，根据星敏感器成像模型可以建立十字叉丝交叉点图像坐标与交叉点主光线方向矢量之间的联系。该模型用到的星敏感器内部参数包括焦距f，主点(x_c，y_c)，径向畸变系数p₁，p₂和切向畸变系数q₁，q₂，以上参数的标定应在进行多视场星敏感器结构参数标定之前完成。

交叉点图像坐标(x_p，y_p)建立在图像坐标系下，图像坐标系原点位于图像左下角像素中心，X轴和Y轴与图像栅格方向平行，X轴指向图像右方，Y轴指向图像上方。用于校正图像畸变的像面坐标系原点位于图像坐标系下的坐标(x_c，y_c)处，X轴和Y轴方向与图像坐标系相同，使用长度单位。因此，交叉点的像面坐标(x_p1，y_p1)为：

x_p1＝DX·(x_p-x_c)

y_p1＝DY·(y_p-y_c)

其中，DX和DY分别是X轴和Y轴方向上的像素长度。

根据图像畸变模型，实际像面上的坐标(x_p1，y_p1)对应的畸变量(Δx，Δy)为：

其中，p₁，p₂是径向畸变系数，q₁，q₂是切向畸变系数。则交叉点的无畸变像面坐标(x_p2，y_p2)为：

x_p2＝x_p1-Δx

y_p2＝y_p2-Δy

根据星敏感器的小孔成像模型，构建出交叉点主光线方向矢量w_S为：

为方便使用，将w_S同样放缩至z＝1平面上，表达式为：

步骤二，建立标定轨迹，采集不同标定位置上星敏感器拍摄到的十字叉丝图像和经纬仪测量角度。

点亮经纬仪分划板上的自准直十字叉丝，将望远镜对焦至无穷远，并调整十字叉丝亮度，使星敏感器拍摄到的十字叉丝像最亮部位恰好不致灰度饱和，如图4所示。手动调整经纬仪的水平角和竖直角，使交叉点的图像坐标与主点坐标大致重合，记录此时的水平角和竖直角(Hz₀,V₀)。

以上述记录的水平角和竖直角(Hz₀,V₀)为中心，构建14°视场内间隔为1°的标定轨迹，如图5所示。调整经纬仪角度至第一个标定位置，保持经纬仪角度不变，控制星敏感器拍摄100幅图像，同时对经纬仪的水平角和竖直角进行100次记录。图像和角度均记录完成后，控制经纬仪移动至下一标定位置，重复上述记录过程，直至最后一个标定位置数据记录结束。

步骤三，使用图像处理方法将十字叉丝图像提取为交叉点图像坐标，对采集到的数据进行预处理，根据十字叉丝成像模型构建优化问题求解经纬仪坐标系和视场坐标系旋转关系。

对每一标定位置采集到的100组水平角和竖直角，使用3σ准则剔除粗大测量结果，余下的水平角和竖直角分别求平均值，结果为相应标定位置的实际水平角和竖直角。对第i个标定位置，记为(Hz_i,V_i)。

对所有星敏感器拍摄到的图像，使用二次曲面拟合法处理得到十字叉丝交叉点的亚像素级图像坐标。该方法首先遍历整幅图像，搜索具有最大灰度值的像素点，记录该像素的坐标(x₀,y₀)作为交叉点的像素级坐标。进而，使用一阶微分算子和二阶微分算子计算交叉点像素级坐标处的梯度和Hessian矩阵。一阶微分算子和二阶微分算子的构建公式为：

使用上述算子对图像f(x,y)进行卷积，得到图像的一阶偏导数g_x(x,y),g_y(x,y)和二阶偏导数H_xx(x,y),H_xy(x,y),H_yy(x,y)，表达式为：

进而可以得到交叉点像素级坐标处的图像梯度g和Hessian矩阵H，表达式为：

根据上述梯度g和Hessian矩阵H将交叉点邻域内灰度变化情况拟合为二次曲面，计算二次曲面极大值点与当前点的偏差s，计算公式为：

则二次曲面极大值点为(x₀+s₁,y₀+s₂)，记为(x_p,y_p)，该坐标对应于十字叉丝像交叉点的亚像素级坐标。

对每一标定位置拍摄的100幅图像提取出的交叉点坐标，使用3σ准则剔除粗大测量结果，对余下所有交叉点坐标求平均值，结果为相应标定位置的精确交叉点坐标。对第i个标定位置，记为(x_p,i,y_p,i)。

根据步骤一所述模型，水平角和竖直角对应的望远镜光轴方向矢量

与交叉点坐标对应的交叉点主光线方向矢量

实质上为相同矢量。以

和

之差为残差函数，构建极小值优化问题对经纬仪坐标系与单视场坐标系的旋转欧拉角θ₁,θ₂,θ₃进行求解，构建的极小值优化问题为：

其中m为标定位置总数，ψ_i＝(Hz_i,V_i)^T为第i个标定位置的经纬仪角度，x_i＝(x_p,i,y_p,i)^T为第i个标定位置的交叉点图像坐标，p＝(f,x_c,y_c,p₁,p₂,q₁,q₂)^T为星敏感器内参数，包含焦距f、主点(x_c,y_c)、径向畸变系数(p₁,p₂)和切向畸变系数(q₁,q₂)，残差函数表达式为：

其中，

和

分别为第i标定位置望远镜光轴方向矢量v_S,i和第i标定位置交叉点主光线方向矢量w_S,i放缩至z＝1平面后的矢量。

使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法对上述优化问题进行求解，可以得到经纬仪坐标系与单视场坐标系之间的旋转欧拉角。为方便使用，将旋转欧拉角θ₁,θ₂,θ₃转化为方向余弦矩阵

表达式为：

对每一经纬仪-单视场子标定***进行如上所述标定过程，得到的方向余弦矩阵按照视场编号k记为

步骤四，通过经纬仪互瞄建立各经纬仪坐标系之间的旋转关系。

点亮经纬仪分划板上的自准直十字叉丝，并将望远镜对焦至无穷远处，使两台经纬仪的望远镜大致处于正对位置。从其中一台经纬仪的望远镜中观察，手动调整该经纬仪的水平角和竖直角，使另一台经纬仪所成的十字叉丝像与本经纬仪望远镜分划板上的十字刻线中心对准。从另一台经纬仪望远镜中观察，进行同样的对准，重复操作多次。

保持经纬仪角度不变，通过数据采集设备对两台经纬仪的水平角和竖直角进行测量，各测量100次。

对经纬仪互瞄时采集到的两组数据，使用3σ准则剔除粗大测量结果，对余下数据求平均值，结果分别记为(Hz_A,V_A)和(Hz_B,V_B)。从A经纬仪坐标系转换至B经纬仪坐标系需要绕Y轴旋转的角度

为：

为方便使用，使用方向余弦矩阵

表示该转换关系，表达式为：

对所使用的所有经纬仪两两进行互瞄，得到所有经纬仪坐标系之间的旋转关系，记k号经纬仪坐标系至l号经纬仪坐标系的方向余弦矩阵为

步骤五，对分步结果进行融合，得到多视场星敏感器结构参数标定结果。

对上述所有得到的旋转关系进行融合，得到多视场星敏感器结构参数标定结果，从k视场坐标系至l视场坐标系的方向余弦矩阵为：

具体实施效果

为展示本发明所述方法的标定效果，应用该方法对具有三个视场的机载高动态星敏感器***进行结构参数标定。该***以中央的1号视场为主视场，最终需要得到的结构参数形式为从1号视场坐标系转换至其他视场坐标系的方向余弦矩阵。

下面以1号视场为例展示经纬仪-单视场子标定***的标定过程。该视场的星敏感器内部参数为：

通过1号视场与对应经纬仪构成的子标定***采集到共145个标定位置的星敏感器图像和经纬仪角度，经过预处理后的数据如下表所示：

经过优化求解，得到该子标定***中经纬仪坐标系至视场坐标系的方向余弦矩阵

为：

以相同方法可以得到2号视场坐标系与对应经纬仪坐标系的标定结果

为：

通过1号经纬仪与2号经纬仪互瞄，采集到经纬仪水平角为：

计算得到1号经纬仪坐标系至2号经纬仪坐标系方向余弦矩阵

为：

进而，1号视场坐标系至2号视场坐标系方向余弦矩阵

为：

使用相同方法可以求得1号视场坐标系至3号视场坐标系方向余弦矩阵

为：

至此，机载高动态星敏感器***多视场结构参数标定完成。

本发明采用经纬仪内十字叉丝直接在星敏感器中成像的方式可以直接建立经纬仪坐标系与星敏感器视场坐标系的关系，相较于既有的采用经纬仪的标定方法，本方法无须使用额外的基准源坐标系和基准立方镜坐标系，消除了坐标系多次转换引起的误差和基准立方镜加工偏差引起的误差，能够保证较高的标定精度。而相较于另一种常用的基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法，本方法采用可以任意放置的经纬仪构建标定***，去除了高精度三轴转台在构建标定***时对多视场星敏感器***的外形尺寸、整机重量和视场分布结构的要求，可以应用于大尺寸、大重量和任意视场分布结构的多视场星敏感器***。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定***，包括大理石平台(1)、多视场星敏感器(2)、电子经纬仪(3)以及数据采集设备(4)；其特征在于：所述的大理石平台(1)用于承载其余所有设备；多视场星敏感器(2)置于大理石平台(1)上，各视场视轴与大理石平台平面平行；电子经纬仪(3)放置于多视场星敏感器每一视场前，其望远镜光轴与各视场视轴重合，其基座位置固定后调整支脚整平经纬仪；所述的数据采集设备(4)与多视场星敏感器(2)以及经纬仪(3)相连，用于采集多视场星敏感器(2)的图像和经纬仪(3)的测量数据。

2.一种基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定方法，采用权利要求1所述的标定***，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一，对经纬仪十字叉丝经望远镜物镜和星敏感器镜头在星敏感器像面上成像的过程进行建模；

步骤二，建立标定轨迹，采集不同标定位置上星敏感器拍摄到的十字叉丝图像和经纬仪测量角度；

步骤三，使用图像处理方法将十字叉丝图像提取为交叉点图像坐标，对采集到的数据进行预处理，根据十字叉丝成像模型构建优化问题求解经纬仪坐标系和视场坐标系旋转关系；

步骤四，通过经纬仪互瞄建立各经纬仪坐标系之间的旋转关系；

步骤五，对分步结果进行融合，得到多视场星敏感器结构参数标定结果。

3.如权利要求2所述的基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定方法，其特征在于：所述的步骤一进一步包括如下内容：当经纬仪望远镜稳定于某一位置时，发光十字叉丝经过望远镜物镜和星敏感器镜头在像面上清晰成像；视场坐标系下望远镜光轴方向矢量由经纬仪的水平角、竖直角和经纬仪坐标系与视场坐标系的安装角度确定；视场坐标系下十字叉丝交叉点主光线方向矢量由交叉点的图像坐标和星敏感器成像模型确定；该两个矢量相互平行，方向相反。

4.如权利要求2所述的一种基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定方法，其特征在于：所述的步骤二进一步包括如下内容：首先调整十字叉丝亮度及望远镜对焦位置，并根据星敏感器视场情况创建标定轨迹；依次转动经纬仪至标定轨迹中每一标定位置处，多次采集星敏感器图像并多次测量经纬仪的水平角和竖直角。

5.如权利要求2所述的基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定方法，其特征在于：所述的步骤三进一步包括如下内容：对每一标定位置采集到的经纬仪水平角和竖直角进行平均，得到该标定位置的精确经纬仪角度；对采集到的星敏感器图像，使用图像处理方法提取交叉点的亚像素级坐标，对属于同一标定位置的交叉点坐标进行平均得到该标定位置的精确交叉点图像坐标；根据经纬仪十字叉丝成像模型，以望远镜光轴方向矢量v_S和交叉点主光线方向矢量w_S之差为残差函数，构建极小值优化问题对经纬仪坐标系与单视场坐标系的旋转欧拉角θ₁，θ₂，θ₃进行求解，构建的极小值优化问题为：

其中m为标定位置总数，ψ_i＝(Hz_i，V_i)^T为第i个标定位置的经纬仪角度，x_i＝(x_p，i，y_p，i)^T为第i个标定位置的交叉点图像坐标，p＝(f，x_c，y_c，p₁，p₂，q₁，q₂)^T为星敏感器内参数，包含焦距f、主点(x_c，y_c)、径向畸变系数(p₁，p₂)和切向畸变系数(q₁，q₂)，残差函数表达式为

其中，

和

分别为第i标定位置望远镜光轴方向矢量v_S，i和第i标定位置交叉点主光线方向矢量w_S，i放缩至z＝1平面后的矢量。求解得到的旋转欧拉角θ₁，θ₂，θ₃转化为方向余弦矩阵形式，按照视场编号k记为

6.如权利要求2所述的基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定方法，其特征在于：所述的步骤四进一步包括如下内容：通过两台经纬仪相互瞄准对方的十字叉丝并记录测量角度，得到该两台经纬仪的坐标系旋转关系；对所使用的所有经纬仪两两进行互瞄，得到所有经纬仪坐标系之间的旋转关系，记k号经纬仪坐标系至l号经纬仪坐标系的方向余弦矩阵为

7.如权利要求2所述的基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定方法，其特征在于：所述的步骤五进一步包括如下内容：对上述所有得到的旋转关系进行融合，得到多视场星敏感器结构参数标定结果，从k视场坐标系至l视场坐标系的方向余弦矩阵为：

8.将权利要求2-7任一所述的基于经纬仪叉丝成像的多视场星敏感器的标定方法应用于天文导航装置中。

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