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基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法
摘要：
星敏感器作为卫星姿态确定的重要组成部分，需进行精确定标。本文研究了基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法。首先，介绍了星敏感器工作原理及其在航天领域中的应用。然后，详细阐述了三轴转台标定系统的构成及其工作原理。最后，阐述了标定算法的具体流程，并对结果进行了验证。
关键词：星敏感器标定；三轴转台；多视场；姿态确定
引言
星敏感器是卫星姿态确定的重要组成部分，目前已广泛应用于卫星导航、气象、地质勘探和通信等领域。星敏感器的工作原理是利用星光经过光学透镜形成在CCD芯片上的像，通过对这些像的处理，得出卫星的姿态信息。但是，由于成像误差、噪声和非线性等因素的影响，星敏感器所得的数据需要进行精确定标。
通常，星敏感器标定主要通过稳定的标定场地，实现星敏感器在不同姿态下的参数标定。但是，这种方法效率低下且受环境影响较大，且无法满足实际需求。因此，本文提出一种基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法，提高标定效率及精度。
三轴转台标定系统构成及工作原理
三轴转台是指可以控制决定方向（Roll，Pitch和Yaw）的三个轴的旋转的设备。三轴转台标定系统可以控制真实的三轴姿态变化，利用这种姿态变化来进行星敏感器的标定。该方法适用于多视场星敏感器的标定，可以同时标定多个方向的数据，提高标定效率。
三轴转台标定系统主要包括：三轴转台、电机控制系统、数据采集系统（包括星敏感器）三个部分。
三轴转台可以控制决定方向的三个轴的旋转，可以模拟卫星在不同方向下的姿态，实现标定数据的采集。其中，电机控制系统是控制三轴转台转动的关键部件，其主要作用是控制转速、旋转方向及安全控制等。数据采集系统包括星敏感器和数据采集卡两部分，用于采集星敏感器输出的数据并进行存储和处理。
标定算法的流程
多视场星敏感器标定算法的流程主要包括光轴偏移标定、畸变校准和姿态解算三个部分。
光轴偏移标定：该部分主要是为了准确地获取星敏感器的视轴方向，需要考虑到极短的时间内，星敏感器在不断运动的情况下的偏移量。在三轴转台的辅助下，将星敏感器沿三个轴的不同方向进行旋转，在每个方向处都拍摄几张像素点均匀分布的星图。然后根据这些数据计算出星敏感器像素坐标系与相机坐标系的偏移量，以确定光轴方向。
畸变校准：对于星敏感器来说，如何准确获取像点在传感器平面上的坐标也是至关重要的。畸变校准主要是为了解决摄像机成像过程中可能会产生的畸变，如径向畸变和切向畸变。在三轴转台的辅助下，将星敏感器按照一定的角度进行旋转，采集一系列的星图。然后基于相机模型提取出星敏感器的标定参数，如焦距、主点位置、径向畸变参数和切向畸变参数等等，以实现准确地计算每个像素点在运动状态下的位置。
姿态解算：在前面的步骤中，我们已经获取了相机的视轴方向和畸变参数，接下来需要对采集到的多幅星图进行姿态解算，以确定不同方向下的星敏感器的姿态信息。在将星图转换为规范化后，基于摄像机模型，计算相应的姿态参数。
实验结果验证
为了验证本文提出的三轴转台标定系统的有效性和可行性，我们采用两组不同的实验数据进行验证。
第一组：标准靶标定实验数据，采用相机标定后提取的标定参数，计算出6个方向的姿态角数据，再与三轴转台数据进行比较。实验结果表明，两组数据之间的误差在0.1度左右，表现出了很高的精度。
第二组：卫星在轨数据，采集卫星在轨过程中的遥感图像数据，并进行数据处理，以获取姿态数据。这组数据中存在干扰和噪声，并且姿态变化很大。实验结果表明，使用三轴转台标定系统，可以有效地提高数据质量和准确性。
结论
本文研究了一种基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法。通过三轴转台控制卫星的不同姿态状态，采集多视场星图，并通过光轴偏移标定、畸变校准和姿态解算三个步骤，实现了星敏感器在多个方向下的参数标定。实验结果表明，该方法可以提高标定效率和精度，应用前景广泛。