高轨遥感卫星光轴指向误差夹角测量系统标定方法研究.pdf

May20232023年5月Chinese Journal of ScientificlInstrumentVol.44 No.5第5期第44卷表报仪器仪学D0I:10.19650/ki.cjsi.J2310991高轨遥感卫星光轴指向误差夹角测量系统标定方法研究李悦昕，祝连庆！，2，张旭，辛璟秦？，庄炜1.2（1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院光纤传感与系统北京实验室北京100016；2.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院北京市光电测试技术重点实验室北京100192)摘要：针对空间环境应用中航天器结构形变夹角测量系统因系统误差导致测量精度较低的问题，提出一种基于自准直对比系统的夹角测量系统标定方法。通过该方法对夹角测量仪进行标定后得到标定系数，并应用仿真数据对系数进行验证。验证结果表明，夹角测量系统量程可达到2 5,测量分辨率可达到0.1 。使用标定后的夹角测量系统进行角度检测，并将测量结果与自准直仪进行对比。结果表明，该标定方法简单方便精准度高，计算测量结果与标准值的差值的绝对值，夹角测量仪测量精度达到0.2 ，标定后夹角测量仪精度满足卫星使用要求，该方法的应用将为卫星在轨结构微形变研究提供技术支撑。关键词：夹角测量系统；角度标定；自准直法；航天器结构型变中图分类号：TH712文献标识码：A国家标准学科分类代码：46 0.40 3 0Research of calibration method for optical axis pointing error included anglemeasuring system on high orbit remote sensing satelliteLi Yuexin,Zhu Lianqing.*,Zhang Xu,Xin Jingao-2,Zhuang Weil2(1.Bejing Laboratory of Optical Fiber Sensing and System,School of Instrument and Opto Electronic Engineering,Beijing Information Science&Technology University,Bejing 100016,China;2.Bejing Key Laboratory ofOptoelectronic Measurement Technology,School of Instrument and Opto Electronic Engineering,BejingInformation Science&Technology University,Bejing 100192,China)Abstract:A calibration method of the included angle measuring system based on the autocollimation contrast system is proposed.Thismethod is used to improve the accuracy of the included angle measuring system.Therefore,it can accurately measure the deformation ofthe spacecraft structure in the space environment.The calibration coefficient is achieved by calibrating the included angle measuringsystem,and the coefficient is evaluated by simulation data.Results shows that the measuring range of the included angle measuringsystem can be up to 25 and the measuring resolution can be up to 0.1.Experimental results show that the calibration method issimple and convenient with high accuracy.It proves that the measurement accuracy of the angle measuring instrument reaches O.2 bycomputing the absolute value of the difference between the measured results and certified value.In general,the accuracy of the anglemeasuring instrument after calibration meets the requirements of satellite utilization.This method can provide technical support for thestudy of micro deformation of satellite structures in orbit.Keywords:included angle measuring system;angle calibration;autocollimation method;spacecraft structural deformation0引言小、微角度的高精度测量技术是各国科研领域的一大热点，特别是在航空航天、军事装备、生物医疗等领域收稿日期：2 0 2 3-0 1-1 8Received Date:2023-01-18对高精度夹角测量的需求与日俱增1 41 。在航空航天领域中，航天器在工作过程中因受到太阳辐射、机械振动、地球重力等影响，会发生轻微结构形变5-9 ，从而导致航天器有效载荷与其基准面之间产生一定的角度偏转,对有效载荷的准确性产生影响1 0 161李悦昕等：高轨遥感卫星光轴指系统标定方法研究第5期光学遥感卫星的姿态位置精度是影响卫星性能的关键，目前卫星姿态定位精度相较于过去已有了长足进步，其精度量级维持在秒（)级水平，在这一水平的定位精度下结构微形变对图像定位的影响可达3 5m，卫星结构微形变这一问题是当前影响光学遥感卫星无地面控制几何定位精度的关键因素星敏感器是遥感卫星姿态定位的关键器件之一。在实际应用中，星敏感器件通常不与遥感卫星成像器件处于同一位置,因此在卫星主光轴与星敏光轴之间会存在一定夹角，在空间微重力环境下，遥感卫星平台在运行过程中所产生的各种频率的抖动与颤振以及在轨运行过程中所经受的温度变化皆有可能造成卫星结构出现微小形变，从而改变主光轴与星敏光轴之间的夹角，导致遥感卫星姿态定位精度下降，影响遥感卫星成像性能目前基于光学测量原理的微小形变测量方法主要包含自准直法1 2-1 4、激光干涉法1 5、菲涅尔双棱镜法1 6 、光栅法1 7-8 、图像处理法1 9-2 等。Konyakhin等2 3 通过自准直法实现微小角度测量，应用补偿算法消除反射图像点的光斑误差，保证其二维角度测量精度；张旭等2 4 利用光栅法对板壳结构受力的微小形变情况的实时监测，建立曲面重构算法对板壳进行三维重构，解决了复杂三维结构难以实时测量的问题。对于相关测量设备的标定方法也有诸多研究课题，例如Li等2 5 通过图像处理法实现了对自准直设备的校准，校准后其设备精度可达0.1pixels;Samoylenko等2 6 开发了用于同时校准3 个及以上自准直仪的校准系统，校准后测量系统测量结果与标准结果插值不超过0.1 5。本文基于应用自准直法设计的夹角测量系统，结合其光学原理与结构特点，建立了夹角测量系统标定系统的光路模型，构建了基于自准直原理的标定系统，完成对于夹角测量系统的标定。并对标定系统进行稳定性实验，实验数据表明经过标定的夹角测量系统测量精度满足卫星使用要求且系统具有稳定性。本研究创新证明了将自准直原理应用于星载夹角测量仪标定的可行性，并建立了夹角测量仪标定系统，利用该系统可以实现自准直法夹角测量系统的精细标定，实现对遥感卫星主光轴与星敏光轴之间夹角变化的实时精确测量，从而提升卫星遥感精度。1夹角测量系统标定原理1.1夹角测量系统原理夹角测量系统包含3 台夹角测量仪与3 片反射镜组件。夹角测量系统布局如图1 所示。由图1 所示，夹角测量系统中反射镜组件1 和反射镜组件2 组成一体棱镜结构，两镜的夹角由夹角测量仪1、2 的安装位置决定，夹反射镜组件1反射镜组件2夹角测量仪1夹角测量仪2反射镜组件3夹角测量仪3图1 夹角测量系统布置示意图Fig.1 Layout diagram of the included anglemeasurement system角测量仪3 与夹角测量仪2 处于同一位置，其对应的反射镜3 布设在夹角测量仪1 上。在轨运行过程中，夹角测量仪结构形变会造成夹角测量仪1 和夹角测量仪2 光轴指向发生偏转，引起测量误差，通过夹角测量仪3 测量夹角测量仪1 和夹角测量仪2 的相对偏转，对测量结果做出修正。1.2夹角测量仪工作原理夹角测量仪是一种利用光学自准直原理将角度测量转换为线性测量的计量仪器，可实现高精度的非接触空间角度测量。夹角测量系统工作原理图如图2 所示，折/反射式夹角测量仪的CMOS传感器位于准直物镜焦平面上。光源发出的光经过主镜中心通光孔后照射在次镜上进行第一次反射，反射光束经主镜进行二次反射得到平行光束，然后经被测目标反射后再返回光学系统，通过分光镜在CMOS传感器靶面上成针孔像。夹角测量仪三维模型如图3 所示。偏转角光学焦距厂分光棱镜探测器1/S准直光学系统反射镜针孔板光源图2夹角测量系统测量工作原理Fig.2 Schematic diagram of the included anglemeasurement system1.3夹角测量系统标定原理根据夹角测量系统工作原理，采用将测量数据与被测数据标准值进行对比的方法，完成对夹角测量仪的标表162仪仪报学器第44卷图3夹角测量仪三维模型Fig.3Three-dimensional model of included anglemeasuring instrument定。夹角测量系统标定实验系统原理如图4所示。夹角测量系统试验主要设备包括夹角测量仪、反射镜1、反射镜2、自准直仪、偏转台、电子温度计以及上位机。偏转台（TT2.5）配反射镜115反射镜215探针2四通道电子温度计探针1探针3夹角测量仪自准直仪CameraLink采集卡探针4计算机上位机图4夹角测量仪标定实验系统原理Fig.4 Schematic diagram of included angle measuringinstrument calibration experiment实验过程中将自准直仪正对安装反射镜1 的偏转台固定，并以偏转台与自准直仪的连线为中线，将夹角测量仪与反射镜2 对称放置于两侧，使夹角测量仪与反射镜2的角度为3 0。上位机控制偏转台进行偏转，偏转过程中仅进行一个轴向偏摆，以减小偏转台的累积误差。自准直仪实时测量偏转台偏转角并将角度数据传输至上位机。夹角测量仪采用CameraLink采集卡实时采集夹角测量仪接收的光斑图像，上位机通过对图像的实时处理从而确定光斑中心坐标。反射镜1 法线方向与夹角测量仪至反射镜2 光路夹角的角平分线处于平行位置，故光线经反射后按人射路径返回，此时返回光线在夹角测量仪上所成像的中心0 记为系统零位。当反射镜1 法线方向与准直光学系统的主光轴有一夹角时，则反射光线经夹角测量仪物镜后与主光轴所呈夹角为2，此时反射光线所成的像的中心O与传感器零位相差距离s：s=f tan 2(1)式中：f为自准直光学系统的像方焦距。可以求得值为：S=arctan(2)2f当很小时，有tan22，代人可得：S2=一(3)f在实际实验测量中，夹角测量仪测量一般是通过对两张图像光斑中心的相对位置位移测量来实现的，即位移s=l-lo，可得：1-l。2=(4)标定实验中得到夹角测量仪测量的光斑位移量s后，与自准直仪所记录的反射镜1 偏转角度的标准值进行对比标定，位移量s与角度值进行一维线性拟合得到的拟合系数k和b，作为光斑位移量与角度间的标定系数。2夹角测量仪标定实验2.1实验平台构建实验在1 0 0 0 级洁净实验间进行，实验系统放置于气浮式光学平台上，并使用防风罩避免空气流动对标定精度的影响。在实验中使用的2 轴倾斜转台TT2.5的分辨率为0.0 0 5rad，即角度分辨率为0.0 0 1 。重复定位精度为0.0 1 rad，即角度重复性为0.0 0 2 。量程为5mrad,满量程误差为0.1 0 3 1 。自准直仪的测量精度为0.1 ,测量范围为1 0 0 0 。反射镜距夹角测量仪焦平面的距离应固定在2 2 0 mm位置，反射镜2 应以反射镜1 为对称轴放置于相应位置。在实验过程中各项仪器的控制、数据采集和计算由上位机进行。实验平台构建实物如图5所示。偏转台反射镜2反射镜1自准直仪来角测量仪CameraLink采集卡图5夹角测量仪标定实验系统图Fig.5Calibration experimental system of includedangle measuring instrument163李悦昕等：高轨遥感卫星光轴指向误差夹角测量系统标定方法研究第5期2.2标定系统稳定性实验在校准实验开始前，需先进行试验系统稳定性实验，以确保实验系统中各结构器件之间的应力释放完全。偏转台偏转角固定在零点位置，对采集图像进行实时的采集和处理，并判断中心点角度值是否稳定。测试过程中光斑图像如图6 所示图6光斑实测图像Fig.6Measured image of facula稳定性实验共持续50 0 0 s，其时间与单次标定实验持续时间保持一致。在实验过程中每1 0 s保存一次光斑图像，共采集50 1 张图像，对图像进行数据处理计算得到光斑中心的坐标值，其结果如表1 所示表1稳定性实验光斑中心角度偏移量测量结果Table1Measurement results of center angle offset oflaser spot in stability experiment角度相关值角度偏移量X轴/（）角度偏移量Y轴/（）平均值0.0007-0.001 6标准差0.005.40.0066最大残差0.023 40.023.4根据表1 实验结果可以看出，各像光斑中心偏移量最大残差值为0.0 2 3 4，说明实验系统漂移量 0.2 ，实验系统的具有稳定性。2.3夹角测量系统标定实验实验过程中对夹角测量系统的X轴与Y轴分别进行标定，以避免偏转台在复杂运动过程中出现运动误差累积，导致标定精度下降。在X轴标定过程中偏转台从20003000rad运动，每步偏转步进2 0 rad,共步进51步，在每次步进中保持维持1 0 s;Y轴标定过程中在1750rad至3 2 50 rad范围内以偏转步进3 0 rad的数值步进51 步，在每次步进中保持维持1 0 s。实验中以弧度值往返一次为一次完整的测量过程。从验证重复性角度考量，选择3 台夹角测量仪进行标定，并分别验证标定结果。3 组夹角测量仪的像素值实验数据与自准直仪得到的角度值数据以中间数据为中点进行归零处理，在这之后通过程序对数据进行一次拟合，拟合得到的拟合系数即为标定系数。然后将像素数据带人拟合公式中计算夹角测量仪是实际测量角度值，并将测量结果与自准直仪测量角度值对比，计算残差，结果如表2 所示，表2 夹角测量仪拟合系数Table2Measurement results of central coordinatesof laser spot in stabilityexperiment夹角测量一次项常数项拟合结果残差仪A拟合系数拟合系数绝对值最大值X轴1.1686-0.02540.068 6Y轴-1.168 3-0.023 40.124.6夹角测量一次项常数项拟合结果残差仪B拟合系数拟合系数绝对值最大值X轴1.1697-0.007 00.126 6Y轴-1.170 10.027 40.177 6夹角测量一次项常数项拟合结果残差仪C拟合系数拟合系数绝对值最大值X轴1.159.5-0.085 30.149.0Y轴-1.158 7-0.049 80.151 4由表2 中看出，标定实验所得拟合系数计算出角度值与实际角度值的残差最大值小于0.2 3实验结果验证3.1仿真实验验证通过仿真系统实验对夹角测量系统的测量结果、精度与量程进行验证，仿真过程中基于实际使用的CMOS传感芯片尺寸2 6 0 0 2 1 6 0 进行数据生成，数据精度参考夹角测量仪实际硬件编码精度保留6 位整数与6 位小数，模拟在以1 pixels为步进的条件下，光斑从0 坐标位置步进至相应坐标轴最大值位置，使用仿真坐标值经过角度计算得到与坐标相对应的角度值，同时带人标定系数进行计算，模拟夹角测量仪的测量结果。结果如表3所示。表3仿真结果Table3Simulation result测量结果精度/（）量程/（）（差值绝对值）/（）110-6-25.4+25.44.45164表仪器仪报学第44卷根据仿真实验结果，夹角测量系统的量程位于-25.4+25.4之间，精度达到1 1 0 6 。3.2系统实验验证对每台夹角测量仪的每个轴向进行数据采集，并通过系数计算，从而验证标定后的检测精度。实验环境为维持恒温恒湿的1 0 0 0 级超净环境，温度保持在20.5，湿度保持在3 4.0%。实验时间选择在凌晨2点以最大限度避免环境光、震动等因素对实验结果造成误差。同时在实验过程中涉及到夹角测量仪拆装的步骤对试验系统进行应力释放，在确保实验装置应力已完全释放后才能进行实验。实验结果如图7所示。Y轴轴Y轴0.20.20.20.10.10.1值值000-0.10.10.10.20.20.20510202530335.40455055051015220253035.404550550510152025303540455055序号点序号点序号点(a)夹角测量仪A(b)夹角测量仪B(c)夹角测量仪C(a)Included anglemeasuring instrument A(b)Included angle measuring instrument B(c)Included angle measuring instrument C图7 3 组夹角测量仪各轴测试结果Fig.7Test results of each axis of three sets of included angle measuring instruments从图7 中数据可以得出结论，夹角测量仪测量结果具有准确性，角度检测精度为0.2 。该结果与国内外同类标定方法结果对比如下表4所示表4国内外同类研究成果对比表Table 4Comparison Table of Similar Research Results研究内容研究人员标定结果图像处理法标定自准直系统Li ZH T 25 等0.2三个及以上自准直仪同时标定系统OMSamoylenkol26等0.15高精度夹角测量仪标定方法本文0.2由表4调研结果表明，标定过后夹角测量仪精度达到当前国内外先进水平，证明针对夹角测量仪的标定方法具有有效性，可以确保夹角测量仪作为精确测量仪器的准确性，为夹角测量仪后续星上应用提供数据保障。4结论本文针对高精度夹角测量仪存在的误差问题，提出了一种基于自准直仪对比法的校准方法，对夹角测量仪测量结果进行标定，提高测量结果精确度。通过使用自准直仪配合反射光路可同步获得角度数据与测量数据，实现了测量结果的校准。实验表明，夹角测量系统量程可达到2 5,测量分辨率可达到0.1 。使用标定后的夹角测量系统进行角度检测，并将测量结果与自准直仪进行对比，在控制温度、湿度等环境变量的条件下校准后的夹角测量仪具有精确度，测量误差均在0.2 之内。该标定方法易于操作，且标定结果精度高稳定性好，标定后夹角测量仪精度满足卫星使用要求，可以在空间环境下为遥感卫星正常准确运作提供技术支持。参考文献1ZHAO Y,FAN X,WANG C,et al.An improvedintersection feedback micro-radian angle-measurementsystem based on the laser self-mixing interferometry J.Optics and Lasers in Engineering，2 0 2 0,1 2 6（6):105866.2GECKELER R D,KRAUSE M,JUST A,et al.Newfrontiers inangle metrology at thePTB J.Measurement,2015,73(7):231-238.3SHIMIZU Y,MATSUKUMA 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1 3 年于哈尔滨工业大学获得博士学位，现为北京信息科技大学教授，主要研究方向为光纤传感技术、光纤激光器、光电精密测试技术等。E-mail:lqzhu_bistu Zhu Lianqing（Co r r e s p o n d i n g a u t h o r）r e c e i v e d h i s B.Sc.and M.Sc.degrees both from Hefei University of Technology in1982 and 1989,respectively,and received his Ph.D.degreefrom Harbin Institute of Technology in 2013.He is currently aprofessor at Beijing Information Science and TechnologyUniversity.His main research interests include fiber sensingtechnology,fiberlaser,andopto-electricalprecisionmeasurement technology.