一種標定數字太陽敏感器主點、焦距的方法與流程
2023-05-31 18:15:36
本發明涉及光機電一體化技術，光機電測量技術，具體涉及一種採用太陽模擬器、高精度3軸轉臺對數字式太陽敏感器主點、焦距標定的方法。
背景技術：
數字太陽敏感器是用來測量太陽矢量和衛星等太空飛行器的體軸之間夾角的儀器。數字太敏可為空間飛行器在給定視場內進行太陽有無判斷，全姿態捕獲時，保持衛星對日定向(慣性空間定向)，確保星上能源供應。也可用來為其它更高精度的姿態測量敏感器(如星敏感器、紫外敏感器、紅外地球敏感器等)的視場提供監護。此外，它還能用於太陽望遠鏡一類的有效載荷與太陽帆板的精確定向控制、星敏感器與紅外地平儀太陽入射光線的保護控制、產生開關和時標信號，確定空間飛行器在自旋過程中的相位基準，測定飛行器的自旋轉速和角度等姿態數據。
對於數字太陽敏感器小規模量產、貨架產品化的需求，對每套產品需有可實施、可操作的方法對其光學參數進行標定計算。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種標定數字太陽敏感器主點、焦距的方法，這種方法能夠精確標定出數字太陽敏感器的主點，可以有效的克服因數字太陽敏感器裝配、安裝帶來的誤差導致最終標定主點、焦距誤差較大的問題，解決工程化、產品化可實施性不足的問題。
為了達到上述發明目的，本發明是通過以下的技術方案實現的，一種標定數字太陽敏感器主點、焦距的方法，其包括如下步驟：
步驟1)確定數字太陽敏感器標定方案
將數字太陽敏感器架設在高精度轉臺上，使其探測器濾光片與太陽模擬器光軸垂直，通過繞太陽模擬器光軸的轉動，對數字太陽敏感器主點進行尋找，尋找到主點後對通過旋轉高精度轉臺尋找數字太陽敏感器測量坐標系的X軸及Y軸；
步驟2)確定數字太陽敏感器標定模型
根據數字太陽敏感器的特性，利用折射定律，將數字太陽敏感器的濾光片距離探測器玻璃蓋片的距離、玻璃蓋片的厚度及玻璃蓋片距探測器光敏面的距離進行計算；通過非線性方程組的求解，確定出濾光片距離探測器玻璃蓋片的距離、玻璃蓋片的厚度及玻璃蓋片距探測器光敏面的距離。
進一步，所述的步驟1)中，通過圍繞太陽模擬器光軸的轉動，對轉臺進行調整，再進行圍繞太陽模擬器光軸轉動採點的動作，以此進行循環，不斷逼近主點。
進一步，所述的步驟1)中，通過微調整圍繞太陽模擬器光軸旋轉的角度，通過圍繞探測器坐標系X軸的旋轉及圍繞探測器Y軸的旋轉，找出探測器坐標系X軸及Y軸，遍歷整個探測器幅面，進行數據採集。
進一步，所述步驟2)中，所使用探測器均採用玻璃蓋片對探測器光敏面進行保護，探測器玻璃蓋片對數字太陽敏感器精度影響較大，通過折射模型建立模型對其進行修正，達到測量精度的要求。
本發明利用數字太陽敏感器本身成像的性質，通過實際測量的方式將數字太敏的焦距與主點找出。與現有的技術相比，其優點和有益效果是：
物理測量方式可靠性高、可信度高、可實施性高。明確的表徵了數字太陽敏感器各個參數之間的關係。在軌使用時，可對整星坐標修正，數字太陽敏感器在軌坐標修正提供支持。
附圖說明
以下將結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
圖1是本發明測量對象數字太陽敏感器示意圖；
圖2是本發明測量對象標定採點示意圖；
圖3是本發明測量對象採點結果示意圖；
圖4是本發明測量對象採濾光片探測器關係示意圖。
具體實施方式
本發明的一種標定數字太陽敏感器主點、焦距的方法，包括以下步驟：
1)確定數字太陽敏感器標定方案
將數字太陽敏感器架設在高精度轉臺上，通過繞太陽模擬器光軸的轉動以及對3軸轉臺的調整，使得數字太陽敏感器探測器光敏面與太陽模擬器光軸垂直，對數字太陽敏感器主點進行尋找。尋找到主點後，通過旋轉高精度轉臺尋找數字太陽敏感器測量坐標系的X軸及Y軸。在此基礎上，通過旋轉高精度轉臺圍繞太陽模擬器光軸旋轉一個角度，圍繞探測器坐標系X或探測器坐標系Y軸旋轉，遍歷整個探測器幅面，進行數據採集。
2)確定數字太陽敏感器標定模型
通過折射定律將數字太陽敏感器焦距按照物理意義分為3個部分(濾光片下表面至探測器玻璃蓋片距離H1、玻璃蓋片厚度H2、玻璃蓋片至探測器光敏面距離H3)。通過解非線性方程組，對3個參數進行求解。
實施過程中，測量數字式太陽敏感器測量坐標系與其稜鏡坐標系關係的方法，包括如下步驟：
步驟一：模擬數字太陽敏感器裝星方式，將數字太陽敏感器安裝於高精度3軸轉臺上；
步驟二：使用太陽模擬器模擬太陽光線矢量照射數字太陽敏感器，使得數字太陽敏感器成像工作，輸出太陽光線矢量在探測器坐標系上的光斑灰度質心坐標信息；
步驟三：調整3軸轉臺使得數字太陽敏感器測量坐標系與轉臺坐標系正交，考慮到數字太陽敏感器本身的精度，太陽模擬器光軸、高精度3軸轉臺之間正交度需優於數字式太陽敏感器測量坐標系精度1個數量級；
步驟四：調整3軸轉臺使得數字太陽敏感器測量坐標系與轉臺坐標系正交；
步驟五：進行標定點的採集，通過旋轉轉臺，在不同角度下，使太陽敏感器進行標定點的採集。
步驟六：將採集的標定點進行數據處理，帶入方程進行計算得出相關參數；
如圖1所示，是本發明測試對象示意圖，數字太陽敏感器包括：稜鏡、探測器濾光片及殼體。其中Z探測器Z稜鏡、X探測器X稜鏡、Y探測器Y稜鏡定義如圖1所示。2個坐標系的3軸指向均一致。其中Z探測器為數字太陽敏感器探測器光軸，字太陽敏感器探測器測量坐標系與其稜鏡坐標系均滿足右手法則。數字太陽敏感器安裝於太空飛行器或轉臺的面為平行於X探測器O探測器Y探測器面的底面。
旋轉滾動軸，對主點進行尋找。繞滾動軸旋轉360度，每0.1度進行一次採點。採集後對所得點進行數理統計。對採集的坐標點進行集中度(絕對偏差的均值)及均值進行計算。
其中集中度通過式1進行計算，
其中XAvE、yAvE代表X坐標、Y坐標的離散度；
X代表數字太陽敏感器輸出的X坐標；
Y代表數字太陽敏感器輸出的Y坐標；
代表數字太陽敏感器X坐標均值；
代表數字太陽敏感器Y坐標均值。
滾動軸旋轉360度採點並進行相應的計算，對轉臺的偏航以及俯仰方向進行調整。使得採點計算的XAvE、YAvE要求離散度不大於0.05個像素。
以主點位置為轉臺0位。標定時將數字太陽敏感器安裝在高精度3軸轉臺的轉臺安裝面上，其中轉臺安裝面與太陽模擬器光軸垂直。旋轉滾動軸到任意一個角度，偏航方向進行整個視場遍歷，進行採點如圖2所示。採點記錄下數字太陽敏感器輸出的坐標值以及轉臺的滾動、偏航以及俯仰的角度值。
出光斑相對於標定原點的半徑，
式中，
r為相對於標定原點的半徑，
X0為標定主點的X坐標，
Y0為標定主點的Y坐標。
其中，
f為焦距，
H1為探測器光敏面玻璃保護蓋的厚度，
H2為探測器玻璃蓋片到光敏面的距離；
α1為轉臺高低角，
n2為探測器光敏面玻璃保護蓋的折射率。
其中f、H1、H2為未知量，其餘均為已知量。通過將數字太陽敏感器在不同轉臺角度下測得的坐標值帶入式2、式3進行計算。可得f、H1、H2三個參數的值。
以下是數字太陽敏感器測試實例：
找到找到該數字式太陽敏感器的主點：
X0＝511.3；
Y0＝520.2；
對數字太陽敏感器全幅面進行採點，如表1所示。
表1標定數據
將X0、Y0以及表1中的數值帶入式2、式3進行計算。可得
f＝4.2mm
H1＝1.50mm
H2＝0.50mm。