一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法和系统

1.本发明涉及星敏感器技术领域，特别涉及一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法和系统。


背景技术：

2.星敏感器是一种用于三轴姿态测量的光电导航仪器，它通过观测恒星矢量并以导航星表作为参考可以实现自主的星图识别与跟踪，它在识别/跟踪结果上通过多矢量定姿算法，可以实时解算出高精度的三轴姿态信息。作为目前精度最高的姿态测量设备，星敏感器已广泛用于弹、箭、星、船、器等各类航行载体。
3.目前，高精度的星敏感器产品标定多采用基于“光学平台—单星模拟器—高精度转台—测控计算机—星敏感器产品”系统的内参数（主点、焦距、畸变系数）以及外参数（星模矢量方向、安装矩阵）联合建模的标定方法，参见发明专利cn200510112553.7。在标定得到内外参数后，还需在实验室条件下评定恒星矢量观测精度（静态/动态），该项内容是星敏感器产品性能指标中视轴指向精度的重要参考依据。
4.目前，星敏感器的恒星矢量观测精度主流评定方法是在上述标定结果基础上，依据数据采集点处转台姿态和标定得到的内外参数将星模矢量重投影到星敏感器产品的成像平面，与星敏感器所采集的像点坐标求差得到像素误差和，综合所有采集点，计算标准差，以及径向标准差，再根据星敏感器的角分辨率参数计算矢量观测精度。
5.由于观测矢量的角距误差按小孔成像模型在像平面上的投影具有不均匀性，所以星敏感器视场边缘处矢量观测误差对应的像素误差和与视场中心处相比偏大，这会导致的估计值偏大；此外，星敏感器角分辨率参数的误差也会使的估计结果不准确。所以，目前仍然需要一种更加合理的星敏感器恒星矢量观测精度估计方法。


技术实现要素：

6.针对现有星敏感器恒星矢量观测精度估计不准确的问题，本发明的目的是提供一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法和系统，本发明的方法是一种基于fisher分布的矢量观测精度估计方法，该方法通过引入一种三维球面上的类正态分布——fisher分布，对星敏感器观测矢量进行更加准确的参数估计，再利用高集中度条件下fisher分布与二维正态分布之间的等价性，将fisher分布参数转换为更直观的正态分布参数，以准确估计星敏感器矢量观测精度。
7.本发明由下述技术方案实现：本发明的第一方面提供了一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，包括如下步骤：步骤s100，搭建星敏感器标定和精度评定系统，并对星敏感器进行内参数和外参
数联合建模标定，得到标定结果；步骤s200，以静态或动态方式转动转台，以一定的角度或时间间隔设置数据采集点来采集数据；步骤s300，依据步骤s100中标定所得星敏感器内参数和外参数以及对应的镜头畸变模型和小孔成像模型，将步骤s200采集数据中的成像星点坐标转换为星敏感器观测矢量，再依据步骤s100中标定所得星敏感器安装矩阵和步骤s200中采集数据中的转台姿态矩阵，将星敏感器观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系下，得到观测矢量；步骤s400，对步骤s300中所得观测矢量的集中度参数进行估计；步骤s500，将步骤s400中集中度参数转换为正态分布的标准差参数，得到星敏感器恒星矢量观测精度。
8.进一步的，步骤s200中，采集数据包括单星模拟器星光在星敏感器像面上的成像星点坐标以及星敏感器曝光时刻转台相对初始位置的姿态矩阵，采集点使得星点成像遍布星敏感器像面。
9.进一步的，步骤s300中，依据星敏感器内参数和外参数以及对应的镜头畸变模型和小孔成像模型，将采集数据中的星点坐标转换为星敏感器观测矢量的计算公式为：
10.其中：
[0011][0012]
进一步的，依据步骤s100中标定所得星敏感器安装矩阵和步骤s200中采集所得转台姿态矩阵，将星敏感器观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系下，得到的计算公式为：
[0013]
进一步的，所述步骤s400包括：步骤s410，计算观测矢量的算数均值；步骤s420，计算均值的模长；
步骤s430，依据fisher集中度公式计算观测矢量集中度参数。
[0014]
进一步的，的算数均值的计算公式为：
[0015]
其中，n是数据采集点的个数；的模长计算公式为：
[0016]
进一步的，矢量集中度时，三维球面上的fisher分布概率密度与球面期望点处切平面上二维各向同性的正态分布等价。
[0017]
本发明还涉及一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定系统，包括：标定模块，用于搭建星敏感器标定和精度评定系统，并对星敏感器进行内参数和外参数联合建模标定，得到标定结果；采集模块，用于以静态或动态方式转动转台，以一定的角度或时间间隔设置数据采集点来采集数据；观测矢量模块，用于依据标定所得星敏感器内参数和外参数以及对应的镜头畸变模型和小孔成像模型，将采集数据中的成像星点坐标转换为星敏感器观测矢量，再依据标定所得星敏感器安装矩阵和采集数据中的转台姿态矩阵，将星敏感器观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系下，得到观测矢量；集中度估计模块，用于对所述观测矢量的集中度参数进行估计；标准差参数模块，用于将集中度参数转换为正态分布的标准差参数，得到星敏感器恒星矢量观测精度。
[0018]
本发明还涉及一种电子设备，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的方法。
[0019]
本发明还涉及一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行所述的方法。
[0020]
本发明的技术方案能实现如下有益的技术效果：本发明能够更准确地估计星敏感器恒星矢量观测精度；本发明不受小孔成像投影非均一性以及角分辨率参数误差的影响；本发明无需更改现有实验室设施及数据采集内容，计算过程更加简单。
[0021]
本发明的方法克服现有估计方法受小孔成像投影不均匀的影响以及角分辨率参数误差的影响，可以更准确地估计出星敏感器恒星矢量观测精度，无需改变现有系统且计算更简单。
附图说明
[0022]
图1是本发明的星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法的步骤流程图；图2是本发明的星敏感器标定和精度评定所需的“光学平台—单星模拟器—高精度转台—测控计算机—星敏感器产品”系统示意图。
实施方式
[0023]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0024]
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0025]
本发明的第一方面提供了一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，具体的，本发明的方法包括如下步骤：步骤s100，搭建星敏感器标定和精度评定系统，并对星敏感器进行内参数和外参数联合建模标定，得到标定结果。
[0026]
所述星敏感器标定和精度评定系统是“光学平台—单星模拟器—高精度转台—测控计算机—星敏感器产品”系统。
[0027]
具体的，单星模拟器星光在转台初始位置坐标系下的单位矢量由其相对转台初始位置的方位角和俯仰角确定，计算公式为：（1）具体的，星敏感器坐标系相对转台坐标系的安装矩阵由三轴偏角，，确定，计算公式为：（2）标定得到的星敏感器内参数和外参数，其中，星敏感器主点坐标，星敏感器焦距，星敏感器镜头畸变系数。
[0028]
步骤s200，以静态或动态方式转动转台，以一定的角度或时间间隔设置数据采集点，采集数据包括单星模拟器星光在星敏感器像面上的成像星点坐标以及星敏感器曝光时刻转台相对初始位置的姿态矩阵，采集点使得星点成像遍布星敏感器像面。
[0029]
具体的，转台分为二轴转台和三轴转台。
[0030]
二轴转台转动后相对初始位置的姿态矩阵由外框转角和中框转角，确定，计算公式为：（3.1）三轴转台转动后相对初始位置的姿态矩阵由外框转角，中框转角，内框转角确定，计算公式为：（3.2）步骤s300，依据步骤s100中标定所得星敏感器内参数和外参数以及对应的镜头畸变模型和小孔成像模型，将步骤s200采集数据中成像星点坐标转换为星敏感器观测矢量，再依据步骤s100中标定所得星敏感器安装矩阵和步骤s200中采集数据中的转台姿态矩阵，将星敏感器观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系下，得到观测矢量。
[0031]
具体的，依据星敏感器内参数以及镜头畸变模型和小孔成像模型，将星点坐标转换为星敏感器观测矢量的计算公式为：（4）其中：（5）（6）具体的，依据步骤s100中标定所得星敏感器安装矩阵和步骤s200中采集所得转台姿态矩阵，将星敏感器观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系下，得到的计算公式为：（7）步骤s400，依据fisher分布的数学性质，矢量线性变换不改变其集中度参数，对步
骤s300所得观测矢量的集中度参数k进行估计。
[0032]
具体的，所述步骤s400包括：步骤s410，计算观测矢量的算数均值；步骤s420，计算均值的模长；步骤s430，依据fisher集中度公式计算观测矢量集中度参数。
[0033]
具体的，的算数均值的计算公式为：（8）其中，n是数据采集点的个数。
[0034]
具体的，的模长计算公式为：（9）具体的，fisher分布集中度参数与模长的关系为：（10）其反函数在集中度较高时公式为：（11）步骤s500，依据矢量集中度较高时fisher分布等价于正态分布的性质，将步骤s400中fisher分布的集中度参数转换为正态分布的标准差参数，得到标准差参数。
[0035]
具体的，矢量集中度较高时，三维球面上的fisher分布概率密度与球面期望点处切平面上二维各向同性的正态分布等价，且标准差为：（12）由此，得到星敏感器矢量观测精度的准确估计。
[0036]
本发明还涉及一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定系统，包括：标定模块，用于搭建星敏感器标定和精度评定系统，并对星敏感器进行内参数和外参数联合建模标定，得到标定结果；采集模块，用于以静态或动态方式转动转台，以一定的角度或时间间隔设置数据采集点来采集数据；观测矢量模块，用于依据标定所得星敏感器内参数和外参数以及对应的镜头畸变模型和小孔成像模型，将采集数据中的成像星点坐标转换为星敏感器观测矢量
，再依据标定所得星敏感器安装矩阵和采集数据中的转台姿态矩阵，将星敏感器观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系下，得到观测矢量；集中度估计模块，用于对所述观测矢量的集中度参数k进行估计；标准差参数模块，用于将集中度参数转换为正态分布的标准差参数，得到标准差参数。
[0037]
本发明还涉及一种电子设备，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的方法。
[0038]
本发明还涉及一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行所述的方法。
[0039]
综上所述，本发明提供了一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，步骤包括：在“光学平台—单星模拟器—高精度转台—测控计算机—星敏感器产品”系统上标定得到内外参数；以静态或动态方式采集遍布星敏感器视场的观测矢量和对应转台姿态；将观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系；估计观测矢量的fisher分布集中度参数并转换为正态分布标准差参数。
[0040]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

技术特征：
1.一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s100，搭建星敏感器标定和精度评定系统，并对星敏感器进行内参数和外参数联合建模标定，得到标定结果；步骤s200，以静态或动态方式转动转台，以一定的角度或时间间隔设置数据采集点来采集数据；步骤s300，依据步骤s100中标定所得星敏感器内参数和外参数以及对应的镜头畸变模型和小孔成像模型，将步骤s200采集数据中的成像星点坐标转换为星敏感器观测矢量，再依据步骤s100中标定所得星敏感器安装矩阵和步骤s200中采集数据中的转台姿态矩阵，将星敏感器观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系下，得到观测矢量；步骤s400，对步骤s300中所得观测矢量的集中度参数进行估计；步骤s500，将步骤s400中集中度参数转换为正态分布的标准差参数，得到星敏感器恒星矢量观测精度。2.根据权利要求1所述的星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，其特征在于，步骤s200中，采集数据包括单星模拟器星光在星敏感器像面上的成像星点坐标以及星敏感器曝光时刻转台相对初始位置的姿态矩阵，采集点使得星点成像遍布星敏感器像面。3.根据权利要求1所述的星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，其特征在于，步骤s300中，依据星敏感器内参数和外参数以及对应的镜头畸变模型和小孔成像模型，将采集数据中的星点坐标转换为星敏感器观测矢量的计算公式为：；其中：；。4.根据权利要求3所述的星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，其特征在于，依据步骤s100中标定所得星敏感器安装矩阵和步骤s200中采集所得转台姿态矩阵，将星敏感器观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系下，得到的计算公式为：。5.根据权利要求1所述的星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，其特征在于，
所述步骤s400包括：步骤s410，计算观测矢量的算数均值；步骤s420，计算均值的模长；步骤s430，依据fisher集中度公式计算观测矢量集中度参数。6.根据权利要求5所述的星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，其特征在于，的算数均值的计算公式为：；其中，n是数据采集点的个数；的模长计算公式为：。7.根据权利要求1所述的星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，其特征在于，矢量集中度时，三维球面上的fisher分布概率密度与球面期望点处切平面上二维各向同性的正态分布等价。8.一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定系统，其特征在于，包括：标定模块，用于搭建星敏感器标定和精度评定系统，并对星敏感器进行内参数和外参数联合建模标定，得到标定结果；采集模块，用于以静态或动态方式转动转台，以一定的角度或时间间隔设置数据采集点来采集数据；观测矢量模块，用于依据标定所得星敏感器内参数和外参数以及对应的镜头畸变模型和小孔成像模型，将采集数据中的成像星点坐标转换为星敏感器观测矢量，再依据标定所得星敏感器安装矩阵和采集数据中的转台姿态矩阵，将星敏感器观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系下，得到观测矢量；集中度估计模块，用于对所述观测矢量的集中度参数进行估计；标准差参数模块，用于将集中度参数转换为正态分布的标准差参数，得到星敏感器恒星矢量观测精度。9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述权利要求1-7中任一项所述的方法。10.一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行前述权利要求1-7中任一项所述的方法。

技术总结
一种星敏感器恒星矢量观测精度的实验室评定方法，包括：搭建星敏感器标定和精度评定系统，对星敏感器进行内参数和外参数联合建模标定，得到标定结果；以静态或动态方式转动转台，以一定角度或时间间隔设置数据采集点来采集数据；依据标定所得星敏感器内参数和外参数以及对应的镜头畸变模型和小孔成像模型，将采集数据中的成像星点坐标转换为星敏感器观测矢量，将星敏感器观测矢量统一线性变换到转台初始位置坐标系下，得到观测矢量；对所得观测矢量的集中度参数进行估计；将集中度参数转换为正态分布的标准差参数，得到星敏感器恒星矢量观测精度。本方法可以更准确地估计出星敏感器恒星矢量观测精度，无需改变现有系统且计算更简单。更简单。更简单。


技术研发人员：江洁 杨季三 马岩 田凌峰
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/28