一種星表的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)角裝置及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能測(cè)量技術(shù)，具體設(shè)及一種基于星表的高精度的動(dòng)態(tài)測(cè) 角裝置及測(cè)量方法，適用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)角度測(cè)試，比如空間光學(xué)遙感儀器中的掃描指 向機(jī)構(gòu)的掃描指向轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度的測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間光學(xué)遙感圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用對(duì)圖像數(shù)據(jù)定量化程度要求越來(lái)越高，集中包括對(duì)探 測(cè)目標(biāo)的空間定位精度要求。而空間光學(xué)遙感儀器的掃描指向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度和穩(wěn)定度是 影響該性能的一個(gè)重要因素。因此，在空間光學(xué)遙感儀器的研制過(guò)程中，對(duì)其掃描指向機(jī)構(gòu) 的工作性能的測(cè)量成為必要的一項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目，且測(cè)量精度廣受關(guān)注。
[0003] 國(guó)內(nèi)外通用的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的測(cè)角方法主要包括經(jīng)紳儀測(cè)角、激光干設(shè)儀測(cè)角和光電 自準(zhǔn)直儀測(cè)角。經(jīng)紳儀測(cè)角適用于靜態(tài)測(cè)角，測(cè)量過(guò)程中依賴人眼判讀，測(cè)量精度低，約為3 至5角秒。激光干設(shè)儀測(cè)角適用于大角度范圍的動(dòng)態(tài)測(cè)量，因其基于干設(shè)原理受到測(cè)量環(huán) 境的溫濕度的影響，且依賴于算法修正，在大角度范圍內(nèi)其測(cè)量精度低，一般室內(nèi)環(huán)境、20 度角度范圍，測(cè)量精度約3角秒。光電自準(zhǔn)直儀測(cè)角精度高、適用于動(dòng)態(tài)測(cè)角，但是其測(cè)角 范圍一般小于0.5度。
[0004] 上述測(cè)角方法難W滿足目前空間光學(xué)遙感儀器對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)20度角度范圍、動(dòng)態(tài) 測(cè)角精度1角秒的精度需求。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有測(cè)角方法無(wú)法滿足應(yīng)用需求的現(xiàn)狀，提出一 種基于星表的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)角方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量原理簡(jiǎn)單、測(cè)角范圍大、測(cè)角精 度高、可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)角。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提出一種星表的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)角裝置及測(cè)量方法，解決大角度范 圍高精度測(cè)角的技術(shù)問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明提出的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)如圖1所示，包括星空、平面鏡、平行光會(huì)聚系 統(tǒng)、探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)和待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0007] 星空是測(cè)試系統(tǒng)的成像對(duì)象，比照星表可知，星空中任意兩個(gè)星之間蘊(yùn)含著高精 度的角度信息，一般的星表中星的位置精度高于千分之一角秒，比如1997年發(fā)表的第二版 《依己谷星表》。
[0008] 平面鏡與待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固連，平面鏡的法線方向變化代表轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角變化。
[0009] 待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與探測(cè)器正交線列某一方向平行，或者標(biāo)定轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng) 方向與探測(cè)器正交線列的夾角關(guān)系。
[0010] 平行光匯聚系統(tǒng)將來(lái)自于無(wú)限遠(yuǎn)的平行光會(huì)聚像平面，且是一套消崎變、焦距經(jīng) 過(guò)精確標(biāo)定的光學(xué)系統(tǒng)。
[0011] 探測(cè)器和平行光匯聚系統(tǒng)組成成像系統(tǒng)。
[0012] 數(shù)據(jù)采集與待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一般 的時(shí)鐘信號(hào)精度優(yōu)于1每秒。
[0013] 處理系統(tǒng)集成了星表，數(shù)據(jù)處理的過(guò)程是對(duì)照星表，判讀成像圖像中星的空間角 度位置，并根據(jù)成像時(shí)間信息，計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定度的過(guò)程。
[0014] 數(shù)據(jù)處理分為兩步；①解算待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸與地球自轉(zhuǎn)軸的夾角關(guān)系，基于單 星測(cè)量；②解算轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定度，小角度范圍從通過(guò)單星測(cè)量或者較近的 兩顆星進(jìn)行測(cè)量，大角度測(cè)量則通過(guò)多星完成測(cè)量。
[0015] 本發(fā)明的測(cè)角步驟如下：
[0016] 1.根據(jù)待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的測(cè)角范圍和測(cè)角精度，選擇測(cè)量系統(tǒng)的工作參數(shù)和測(cè)量場(chǎng) 地，測(cè)量系統(tǒng)的工作參數(shù)包括平面鏡尺寸、會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)的焦距、探測(cè)器尺寸，測(cè)量場(chǎng)地的 選擇主要考慮測(cè)量系統(tǒng)放置的穩(wěn)定性，W及測(cè)量系統(tǒng)放置的地方對(duì)空張角大于待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)的測(cè)量角度，且在該對(duì)空張角范圍內(nèi)無(wú)遮擋物；
[0017] 2.參照?qǐng)D1，搭建測(cè)量光路，搭建中令待測(cè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸方向于探測(cè)器正交線列某 一方向平行，或者標(biāo)定轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與探測(cè)器正交線列的夾角關(guān)系；
[0018] 3.開(kāi)啟轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量W及同步數(shù)據(jù)采集；
[001引 4.數(shù)據(jù)處理：
[0020] 1).解算待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸與地球自轉(zhuǎn)軸的夾角關(guān)系。該反演基于單星測(cè)量， 或較近的兩顆星觀測(cè)測(cè)量。單顆星在圖像中的軌跡圖如圖2所示，Ti時(shí)刻和T2時(shí)刻 某星在圖像中的在沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向的移動(dòng)距離為L(zhǎng)2,在與轉(zhuǎn)動(dòng)方向正交的方向上移動(dòng)距離 為L(zhǎng)1，根據(jù)測(cè)試地的地球自轉(zhuǎn)速度V，可W計(jì)算得到地球自轉(zhuǎn)方向與掃描軸方向的夾角
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種星表的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)角裝置，包括星空、平面鏡、平行光會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)和待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于： 所述的平面鏡與待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固連，平面鏡的法線方向變化代表轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角變 化；待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與探測(cè)器正交線列某一方向平行，或者標(biāo)定轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向 與探測(cè)器正交線列的夾角關(guān)系； 所述的平行光匯聚系統(tǒng)是一套消畸變、焦距經(jīng)過(guò)精確標(biāo)定的光學(xué)系統(tǒng)，將來(lái)自于無(wú)限 遠(yuǎn)的平行光會(huì)聚像平面； 所述的探測(cè)器采用面陣探測(cè)器，位于平行光匯聚系統(tǒng)的平行光會(huì)聚像平面； 所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)與待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集，一般的時(shí)鐘信號(hào)精度優(yōu)于1微秒，系統(tǒng)集成了星表，數(shù)據(jù)處理是對(duì)照星表，判讀 成像圖像中星的空間角度位置，并根據(jù)成像時(shí)間信息，計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定 度。
2. -種基于權(quán)利要求1所述的星表的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)角裝置的測(cè)角方法，其特征在于包 括如下步驟： 1) .開(kāi)啟轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量以及同步數(shù)據(jù)采集； 2) .數(shù)據(jù)處理，反演解算轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定度，處理步驟如下： 2-1)解算待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸與地球自轉(zhuǎn)軸的夾角關(guān)系：根據(jù)單顆星在圖像中的軌跡 圖，T1時(shí)刻和T2時(shí)刻某星在圖像中的在沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向的移動(dòng)距離為L(zhǎng)2,在與轉(zhuǎn)動(dòng)方向正交的 方向上移動(dòng)距離為L(zhǎng)1，根據(jù)測(cè)試地的地球自轉(zhuǎn)速度v，可以計(jì)算得到地球自轉(zhuǎn)方向與掃描 軸方向的夾角滬： φ = arcsia(M/[￥- 0-2 - T1)]); 2-2)將星空的成像圖像對(duì)照星表，進(jìn)行星的識(shí)別，選擇確定的幾顆星進(jìn)行進(jìn)一步處理， 首先按照星在圖像中出現(xiàn)的時(shí)間順序?qū)π沁M(jìn)行編號(hào)，星1、星2、……，并輸出其對(duì)應(yīng)的成像 時(shí)間h、t2、……，在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上，在星表中角度位置Θ i、θ2、……，和圖像中的角 度位置θ/、θ2'、……，反演出任意兩顆星在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上，星表中的夾角Λ Θ i 和圖像中的夾角Δ Qi'，結(jié)合兩顆星在焦平面出現(xiàn)時(shí)間差A(yù)ti，以及該時(shí)段內(nèi)在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)動(dòng)方向上地球自轉(zhuǎn)角度Θ。，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的該時(shí)段內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)速度V i: Vi= (Δ Θ J-Δ θ / - θ 〇)/Δ ti 對(duì)η顆星進(jìn)行反演計(jì)算，可以得到轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的平均轉(zhuǎn)動(dòng)速度f(wàn): V=EiViM 進(jìn)而分析計(jì)算得到轉(zhuǎn)動(dòng)速度的穩(wěn)定度σ V m = 4WzW/n。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種星表的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)角裝置及測(cè)量方法。該測(cè)角裝置包括星空、平面鏡、平行光會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)和待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，測(cè)角系統(tǒng)原理布局如下，其中平面鏡與待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固連，平面鏡的法向方向的變化代表待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角變化，測(cè)量過(guò)程中，夜空繁星發(fā)射出的光束通過(guò)平面鏡反射，入射進(jìn)入平行光會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)，并會(huì)聚于探測(cè)器，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)同時(shí)記錄繁星圖像和繁星成像的時(shí)間，對(duì)比星表，反演繁星圖像中的星在天空中的角度位置關(guān)系，結(jié)合繁星圖像的時(shí)間信息，解算轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定度等性能參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量原理簡(jiǎn)單、測(cè)角范圍大、測(cè)角精度高、可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)角。
【IPC分類(lèi)】G01P3-64, G01C1-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104880569
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510297183
【發(fā)明人】于清華, 孫勝利
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開(kāi)日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年6月3日