專利名稱：太陽敏感器測量基準轉換方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及太陽敏感器測量技術，尤其涉及一種太陽敏感器測量基準轉換方法與裝置。
背景技術：
太陽敏感器對太陽輻射敏感并借此獲得航天器相對于太陽的方位，主要用來測量太陽視線與航天器某一體軸或平面之間夾角。太陽敏感器直接測量到的太陽視線是在太陽敏感器測量坐標系中定義的，或者說是以太陽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太陽視線轉換到運動載體坐標系，需在太陽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太陽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太陽敏感器測量坐標系有嚴格準確位置關系的基準位置，這樣不僅需要機加工精度，而且還需要安裝精度，這樣造成加工難度大、安裝工藝復雜，并且由于太陽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太陽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、方便地將太陽敏感器直接測量得到的太陽視線轉換到太陽敏感器機殼上的可觀測測量基準，為將太陽敏感器測量坐標系下的太陽視線轉換到運動載體坐標系奠定了基礎。
本發明的技術方案是這樣實現的一種太陽敏感器測量基準轉換方法，包括以下步驟在光學平臺上架設太陽模擬器和高精度兩軸轉臺，將太陽敏感器安裝在兩軸轉臺上，使太陽模擬光線通過太陽敏感器的光學系統照射在太陽敏感器的圖像傳感器上；分別旋轉兩軸轉臺的兩轉軸，并記錄每個旋轉角度下太陽模擬光線在圖像傳感器成像面的交點坐標，根據所述坐標標定出太陽敏感器的內參數和外參數；依據外參數計算出太陽模擬光線在轉臺坐標系下的初始矢量V和轉臺坐標系到太陽敏感器坐標系的旋轉矩陣R(sun←rot)；B、在太陽模擬器和太陽敏感器之間設置光闌接收屏，選取一束光線照射在鏡面立方體上；旋轉轉臺的兩轉軸，使所述選取的光線依次垂直于鏡面立方體的兩反射面，并記錄垂直時水平轉軸和豎直轉軸旋轉的角度θ1、θ2以及θ3、θ4，結合太陽模擬光線初始矢量V，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)；C、根據步驟A、B中計算出的R(sun←rot)和R(ref←rot)，計算出太陽敏感器坐標系到鏡面立方體坐標系的基準轉換矩陣R(ref←sun)；D、根據步驟C中計算出的基準轉換矩陣R(ref←sun)，將太陽敏感器坐標系下直接測量得到太陽光線矢量轉換到鏡面立方體基準坐標系下的矢量方向。
一種太陽敏感器測量基準轉換裝置，包括有光學平臺、太陽模擬器、光闌接收屏、高精度兩軸轉臺和電荷耦合器件圖像定位系統，其中，太陽模擬器和兩軸轉臺完成太陽敏感器內外參數的標定；太陽模擬器和太陽敏感器之間設置光闌接收屏，并用電荷耦合器件圖像定位瞄準系統判斷太陽模擬光線是否垂直于鏡面立方體的反射面，完成鏡面立方體兩個反射面法向分別與太陽模擬光線矢量關系的測量。
本發明利用現有的太陽敏感器標定裝置(高精度兩軸轉臺和太陽模擬器)，通過設置光闌接收屏及CCD圖像定位瞄準系統，并由相應的轉化方法和步驟實現了太陽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太陽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、方便地將太陽敏感器直接測量得到的太陽視線轉換到太陽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。
如圖1所示，本發明的轉換裝置包括有光學平臺10、太陽模擬器11、高精度兩軸轉臺13、光闌接收屏12和電荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)圖像定位瞄準系統。它們均為現有器件，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，高精度兩軸轉臺13采用北京航空航天大學自動控制系研制的型號為KJ 2100C的測量轉臺(精度±0.4″)，太陽模擬器11采用Newport--Oriel公司的96000型太陽模擬器。圖像定位瞄準系統中的攝像頭采用Minton公司的Minton368P型CCD攝像機。由于這些器件均是現有、其構造和功用等也均為本領域技術人員所熟知，這里不再贅述。
太陽敏感器15固定在高精度兩軸轉臺的內框上，其包括有位于同一平面且相互垂直的兩轉軸，分別為水平轉軸130和豎直轉軸131。太陽模擬器11發射的模擬光線通過太陽敏感器光學系統照射在其圖像傳感器上，通過旋轉轉臺兩轉軸到不同角度，獲得太陽模擬光線與圖像傳感器不同的交點坐標。依此作為標定點數據完成太陽敏感器內外參數的標定。
太陽敏感器15上安裝有鏡面立方體16。在太陽模擬器11和太陽敏感器之間設置光闌接收屏12，其上設有太陽模擬光線的入射孔，使通過入射孔的單束光線照射在鏡面立方體的某一反射面。CCD圖像定位瞄準系統包括有攝像頭17和處理中心18，攝像頭拍攝光闌接收屏12上的入射孔120和由鏡面立方體16反射面反射到光闌接收屏12上的反射光斑，由處理中心18判斷入射孔120和反射光斑是否同心，依此來判斷太陽模擬光線是否垂直于鏡面立方體某一反射平面，從而完成鏡面立方體兩個反射面法向分別與太陽模擬光線矢量關系的測量。
本發明的測量基準轉換方法正是基于前述的裝置進行的，其不必保證太陽敏感器15機殼的加工精度，也不必保證鏡面立方體16安裝到太陽敏感器15機殼上的位置精度。在描述本發明的測量基準轉換方法時，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太陽敏感器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，形成太陽敏感器坐標系。以安裝太陽敏感器的兩軸轉臺13的水平轉軸130和豎直轉軸131分別為X′和Y′軸，兩轉軸交點為坐標原點，設定垂直于X′Y′平面的Z′軸，形成轉臺坐標系。以太陽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。本發明的太陽敏感器坐標系、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首先，將太陽敏感器15固定于高精度兩軸轉臺13的內框上，由太陽模擬器15出射太陽模擬光線，通過太陽敏感器光學系統照射在太陽敏感器15的圖像傳感器上。通過旋轉兩軸轉臺13的兩轉軸到不同角度，獲得太陽模擬光線與圖像傳感器不同的交點坐標。依此作為標定點數據完成太陽敏感器內外參數的標定；然后，在該標定裝置基礎上，在太陽模擬器和太陽敏感器之間設置光闌接收屏，其上設有太陽模擬光線的入射孔，使通過入射孔的單束光線照射在鏡面立方體的某一反射面。CCD圖像定位瞄準系統用來判斷太陽模擬光線是否垂直于鏡面立方體的反射面，從而完成鏡面立方體兩個反射面法向分別與太陽模擬光線矢量關系的測量。最后，由該矢量關系和太陽敏感器外參數就可確定太陽敏感器測量坐標系轉換到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣。這樣，太陽敏感器測量坐標系下的太陽視線就可轉換到鏡面立方體坐標系下。以下詳細描述其具體的實現步驟步驟1、在光學平臺上架設太陽模擬器11和高精度兩軸轉臺13，并將太陽敏感器安裝在高精度兩軸轉臺內框上，使太陽模擬光線通過太陽敏感器的光學系統照射在太陽敏感器的圖像傳感器上。
步驟2、旋轉兩軸轉臺13的水平轉軸130和豎直轉軸131到不同角度，每旋轉一個角度記錄下太陽模擬光線與圖像傳感器的交點坐標。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太陽敏感器的內參數和外參數α0、β0、α1、β1、1。其中，α0、β0是太陽模擬光線初始矢量在轉臺坐標系下的偏航和俯仰角；α1、β1、1是轉臺坐標系轉換到太陽敏感器測量坐標系，轉臺繞X′軸、Y′軸和X′軸的旋轉角度。標定點數據越多，得到的內外參數值越精確，實際應用中，可根據太陽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。具體的實現方法可參見(Carl Christian Liebe，Sohrab Mobasser.MEMS BasedSun sensor[A].IEEE Proceedings Aero space Conference，Piscataway，NJIEEEPress2001，3/1565-3/1572)。根據這些外參數得到太陽模擬光線在轉臺坐標系下的初始矢量方向V和轉臺坐標系轉換到太陽敏感器測量坐標系的旋轉矩陣R(sun←rot)，其分別用外參數表示為V=e1e2e3=cosβ0*cosα0cosβ0*sinα0sinβ0---(1)]]> Rot(X′，α1)、Rot(Y′，β1)、Rot(Z′，1)分別是轉臺繞X′軸旋轉α1、繞Y′軸旋轉β1、繞Z′軸旋轉1對應的旋轉矩陣。
步驟3、在太陽模擬器11和太陽敏感器15之間設置光闌接收屏，選取一束光線照射在鏡面立方體16的一個反射面上。
步驟4、轉動轉臺使鏡面立方體該反射面的反射光照射到光闌接收屏，利用CCD圖像瞄準定位系統的攝像頭17，拍攝光闌上入射孔和由該反射面反射到光闌接收屏上的光斑，由處理中心18判斷兩者是否同心，依此來判斷太陽模擬光線是否垂直于鏡面立方體某一反射平面，(判斷方法可參見論文魏新國，張廣軍，《基于亞象素邊緣提取的圓心定位方法》(全國光電技術學術交流會2002))。旋轉轉臺，使兩者同心時記錄轉臺兩軸的旋轉角度θ1、θ2。
步驟5、轉動轉臺使鏡面立方體另一反射面的反射光照射到光闌接收屏，重復步驟4，使兩者同心時記錄轉臺兩軸的旋轉角度θ3、θ4。
步驟6、依據θ1、θ2、θ3、θ4和步驟2中太陽模擬光線初始矢量方向V，建立如下方程組n1=001=R(ref←rot)×Rot(Y′,θ2)×Rot(X′,θ1)×V]]>n2=100=R(ref←rot)×Rot(Z′,θ4)×Rot(Y′,θ3)×V]]>其中，n1和n2分別是步驟4、5中鏡面立方體兩反射面的法線方向。Rot(X′，θ1)、Rot(Y′，θ2)、Rot(X′，θ3)、Rot(Y′，θ4)分別是步驟4、5中轉臺繞兩軸旋轉對應的旋轉矩陣。R(ref←rot)為轉臺坐標系轉換到鏡面立方體坐標系的旋轉矩陣。
步驟7、將R(ref←rot)表示為R(ref←rot)＝Rot(Z′，2)×Rot(Y′，β2)×Rot(X′，α2)其中，Rot(X′，α2)、Rot(Y′，β2)、Rot(Z′，2)是轉臺坐標系轉換到鏡面立方體坐標系，轉臺分別繞X′軸旋轉α2、繞Y′軸旋轉β2、繞Z′軸旋轉2對應的旋轉矩陣。代入步驟6中的方程組(3)可得到α2、β2、2唯一的一組解，從而求出R(ref←rot)。
步驟8、將步驟2和步驟7中得到的R(sun←rot)和R(ref←rot)代入下式，計算出太陽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這樣，當太陽敏感器15應用于衛星等航天器時，對于太陽敏感器坐標系下直接測量得到太陽光線矢量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。即太陽敏感器15直接測量得到的太陽視線矢量方向，乘以矩陣R(ref←sun)后，就得到鏡面立方體基準坐標系下的太陽視線矢量方向。從而將太陽視線轉換到太陽敏感器機殼上的可觀測測量基準。
假設通過本發明的標定方法得出某太陽敏感器外參數(α0、β0、α1、β1、1)的最小二乘優化值如下表1
表1利用CCD圖像定位瞄準系統對光闌上的入射孔120和鏡面立方體反射面反射光斑定位。旋轉轉臺，使太陽模擬光線分別垂直于鏡面立方體X″Y″面及Y″Z″面時，轉臺分別繞兩軸轉過的角度θ1、θ2、θ3、θ4的值如下表2
表2代入上述轉換方法中相應的理論式，得到太陽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=0.9996-0.0265-0.00950.02690.99870.04350.0083-0.04370.9990]]>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
1.一種太陽敏感器測量基準轉換方法，其特征在于，該方法包括以下步驟A、在光學平臺上架設太陽模擬器和高精度兩軸轉臺，將太陽敏感器安裝在兩軸轉臺上，使太陽模擬光線通過太陽敏感器的光學系統照射在太陽敏感器的圖像傳感器上；分別旋轉兩軸轉臺的兩轉軸，并記錄每個旋轉角度下太陽模擬光線在圖像傳感器成像面的交點坐標，根據所述坐標標定出太陽敏感器的內參數和外參數；依據外參數計算出太陽模擬光線在轉臺坐標系下的初始矢量V和轉臺坐標系到太陽敏感器坐標系的旋轉矩陣R(sun←rot)；B、在太陽模擬器和太陽敏感器之間設置光闌接收屏，選取一束光線照射在鏡面立方體上；旋轉轉臺的兩轉軸，使所述選取的光線依次垂直于鏡面立方體的兩反射面，并記錄垂直時水平轉軸和豎直轉軸旋轉的角度θ1、θ2以及θ3、θ4，結合太陽模擬光線初始矢量V，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)；C、根據步驟A、B中計算出的R(sun←rot)和R(ref←rot)，計算出太陽敏感器坐標系到鏡面立方體坐標系的基準轉換矩陣R(ref←sun)；D、根據步驟C中計算出的基準轉換矩陣R(ref←sun)，將太陽敏感器坐標系下直接測量得到太陽光線矢量轉換到鏡面立方體基準坐標系下的矢量方向。
2.根據權利要求1所述的太陽敏感器測量基準轉換方法，其特征在于，步驟A中所述太陽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太陽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太陽敏感器的內參數和外參數。
3.根據權利要求1或2所述的太陽敏感器測量基準轉換方法，其特征在于，步驟B中所述使太陽模擬光線垂直于鏡面立方體反射面具體為在光學平臺上設置電荷耦合器件圖像定位瞄準系統，利用所述圖像定位系統中的攝像頭對光闌接收屏進行拍照，調整轉臺的兩轉軸，使光闌接收屏上的反射光圈與入射孔同心。
4.一種太陽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、太陽模擬器、光闌接收屏、高精度兩軸轉臺和電荷耦合器件圖像定位系統，其中，太陽模擬器和兩軸轉臺完成太陽敏感器內、外參數的標定；太陽模擬器和太陽敏感器之間設置光闌接收屏，并用電荷耦合器件圖像定位瞄準系統判斷太陽模擬光線是否垂直于鏡面立方體的反射面，完成鏡面立方體兩個反射面法向分別與太陽模擬光線矢量關系的測量。
5.根據權利要求4所述的太陽敏感器測量基準轉換裝置，其特征在于，所述電荷耦合器件圖像定位瞄準系統包括有攝像頭和處理中心，其中，攝像頭拍攝光闌上的入射孔和由鏡面立方體反射面反射的反射光斑，由處理中心判斷入射孔和反射光斑是否同心，依此來判斷太陽模擬光線是否垂直于鏡面立方體的反射面。
全文摘要
本發明公開了一種太陽敏感器測量基準轉換方法，包括利用太陽模擬器和高精度兩軸轉臺，對太陽敏感器內外參數進行標定。在太陽模擬器和太陽敏感器之間設置光闌接收屏，并用電荷耦合器件(CCD)圖像定位瞄準系統來判斷太陽模擬光線是否垂直于鏡面立方體的反射面，完成鏡面立方體兩個反射面法向分別與太陽模擬光線矢量關系的測量。由該矢量關系和太陽敏感器外參數確定太陽敏感器測量坐標系轉換到鏡面立方體坐標系的轉換矩陣。依據該轉換矩陣將太陽敏感器測量坐標系下的太陽視線矢量方向轉換到可觀測鏡面立方體基準坐標系下。本發明同時公開了實現上述轉換方法的裝置。本發明實現簡單，精度高。
文檔編號G01J1/26GK101046386SQ20071006450
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月16日 優先權日2007年3月16日
發明者張廣軍, 江潔, 樊巧云, 楊建 申請人:北京航空航天大學