本发明公开了一种舷窗式星敏感器系统测试方法，该方法测试步骤为：(1)使用单星模拟器进行带舷窗式星敏感器静态精度测试；(2)在实际星空背景下通过星敏感器拍图比较舷窗对星敏感器星等探测灵敏度影响；(3)将星敏感器带舷窗对准某一天区连续工作一段时间，统计静态测量精度；(4)将星敏感器置于转台上以一定角速度旋转，测试舷窗对星敏感器动态跟踪性能影响；(5)用太阳模拟器测试舷窗对星敏感器杂散光保护角影响。本发明首次提出了带舷窗式星敏感器工作性能的系统测试方法，通过该方法可测试舷窗对星敏感器功能及性能指标的影响，验证该设计是否满足系统任务需求；有利于对舷窗式星敏感器进行针对性设计改进，并为舷窗式星敏感器在轨使用策略提供指导。
1.一种舷窗式星敏感器系统测试方法，其特征在于步骤如下：
1)使用单星模拟器对带舷窗和不带舷窗式星敏感器进行测试，验证舷窗对星敏感器定姿精度的影响；
2)在实际星空背景下通过星敏感器拍图测试舷窗对星敏感器星等探测灵敏度影响；
3)将带舷窗与不带舷窗的星敏感器对准某一天区连续工作一段时间，测试舷窗对星敏感器静态测量精度的影响；
4)将带舷窗与不带舷窗的星敏感器置于转台上旋转，测试舷窗对星敏感器动态跟踪性能影响；
5)利用太阳模拟器测试舷窗对星敏感器杂散光保护角的影响。
2.根据权利要求1所述的一种舷窗式星敏感器系统测试方法，其特征在于：所述步骤2)的具体测试方法为：将星敏感器对准真实星空拍图，得到不带舷窗与带舷窗时视场内恒星的星等，及所拍摄图像的对应像素灰度值；如果不带舷窗与带舷窗时星等均满足不低于5.5等星，且拍摄图像的对应像素灰度值变化小于10％，则舷窗不影响星敏感器星等探测能力及星图识别功能；如果带舷窗时探测星等低于5.5等星，或者对应像素灰度值变化超出
10％，则舷窗影响星敏感器星等探测能力及星图识别功能。
3.根据权利要求1所述的一种舷窗式星敏感器系统测试方法，其特征在于：所述步骤3)的具体测试方法为：在真实星空背景下，将星敏感器对准某一天区连续工作一段时间，将该段时间内星敏感器输出的四元数转换为姿态角，并统计静态测量精度；带舷窗后比对测试，如果带舷窗与不带舷窗的静态测量精度差值在1″以内，则舷窗对星敏感器测量精度无影响；如果带舷窗与不带舷窗时静态测量精度差值超出1″，则舷窗对星敏感器测量精度有影响。
4.根据权利要求1所述的一种舷窗式星敏感器系统测试方法，其特征在于：所述步骤4)的具体测试方法为：在真实星空背景下将星敏感器置于转台上以预设角速度旋转，保证测试星敏感器在该预设角速度下稳定跟踪，输出四元数持续更新且有效；加舷窗比对测试，如果星敏感器仍能稳定跟踪，则舷窗对星敏感器动态跟踪性能无影响；如果星敏感器不能稳定跟踪，输出四元数出现短时间不更新，则舷窗对星敏感器动态跟踪性能有影响。
5.根据权利要求1所述的一种舷窗式星敏感器系统测试方法，其特征在于：所述步骤5)测试舷窗对星敏感器杂散光保护角的影响的具体过程为：在暗室条件下，将星敏感器不带舷窗置于转台上，设置太阳模拟器与星敏感器光轴成40°夹角，使太阳模拟器的光强达到
0.5个太阳常数，用星敏感器进行拍图，如果所拍图像灰度值小于180，则该角度满足星敏感器杂散光保护角；将舷窗固定到星敏感器前方拍图，如果相同角度下图像灰度值小于180，说明舷窗对星敏感器杂散光保护角无影响；如果图像灰度值大于180，说明舷窗对星敏感器杂散光保护角有影响。
6.根据权利要求1所述的一种舷窗式星敏感器系统测试方法，其特征在于：所述步骤1)的具体方法为：
11)将星敏感器置于转台上，使单星模拟器与星敏感器的初始位置对准；在视场范围内，随机生成均匀分布的N个转台位置序列(α1,β1),(α2,β2),…(αi,βi)…,(αN,βN)，i＝1,
2,……,N，其中αi、βi分别表示转台的俯仰角、偏航角；在(αi,βi)处采集星点质心坐标(xij,yij)，j＝1,2,……,M；N和M为正整数；
星点在转台转角(αi,βi)处沿星敏感器x,y方向的质心定位精度(ηxi,ηyi)：ηxi＝σxi·θx,σxi＝std(xi1,xi2,...,xiM)ηyi＝σyi·θy,σyi＝std(yi1,yi2,...,yiM)其中x，y为沿星敏感器图像传感器的行方向与列方向；θx、θy分别为图像传感器x、y方向一个像元对应的角度；(σxi,σyi)为(xij,yij)，j＝1,2,……,M的标准差；
根据转台转角(αi,βi)得到该方向星矢量在星敏感器探测器上的理论坐标值(pi,qi)：式中fc为星敏感器镜头焦距，即镜头光学中心到图像传感器平面的距离；(a,b)为星敏感器光学主点，即星敏感器光轴在图像传感器成像面的坐标；(Dx,Dy)为星敏感器像元尺寸；
星敏感器在每个测试点(αi,βi)与测量的M个星点质心(xij,yij)均值的测角误差(δxi,δyi)表示为：计算获得(δxi,δyi)在N个转台位置的均值 与标准差(τδx,τδy)：(τδx,τδy)为静态情况下星敏感器x,y方向的空间随机误差；
其中Nstar为星敏感器视场内参与姿态计算的恒星个数；
13)将舷窗固定在星敏感器前方，用上述方法测试舷窗式星敏感器静态精度；如果带舷窗与不带舷窗的静态精度差别在1″以内，则舷窗对星敏感器测量精度无影响；如果带舷窗与不带舷窗时静态精度差别超出1″，则舷窗对星敏感器测量精度有影响。
一种舷窗式星敏系统测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及卫星单机测试技术领域，具体涉及一种舷窗式星敏感器系统测试方法。
背景技术
[0002] 一般的星敏感器姿态测量往往采用直接拍摄星图进行定姿的方式；由于任务应用需求，星敏感器安装于飞行器内部，透过舷窗进行定姿。为了保证星敏感器能正常拍摄星图，舷窗选用高透光率的玻璃。由于玻璃具有反射、折射、散射等光学特性，可能会给星敏感器功能和性能带来一定影响。星敏感器定姿时需要从拍摄星图中提取星点信息，星光经过舷窗玻璃折射后落到星敏探测器上，可能会影响到达探测器的星点能量和星间角距，进而影响星敏感器的姿态测量精度。当有外界光线存在(如太阳光、月光)时，玻璃可能会改变光路，产生新的杂散光，使所拍摄星图的背景灰度阈值提高，不利于星敏感器提取星点信息进行定姿。现有的星敏感器测试技术只针对星敏感器进行测试，未考虑舷窗对星敏感器定姿能力的影响；且该方法为国内首次应用，无相应使用经验供参考。如果不对舷窗式星敏感器进行系统性测试，摸清舷窗对星敏感器探测灵敏度、测量精度及杂散光可能产生的影响，就无法验证舷窗式星敏感器是否满足任务需求，以及使用策略上需注意的事项。
发明内容
[0003] 本发明解决的技术方案是：克服现有技术的不足，提供一种舷窗式星敏系统测试方法，解决了舷窗对星敏感器功能和性能影响的系统级测试，为舷窗式星敏感器的设计及在轨使用策略提供指导和验证。
[0004] 本发明的技术方案是：一种舷窗式星敏感器系统测试方法，步骤如下：
[0005] 1)使用单星模拟器对带舷窗和不带舷窗式星敏感器进行测试，验证舷窗对星敏感器定姿精度的影响；
[0006] 2)在实际星空背景下通过星敏感器拍图测试舷窗对星敏感器星等探测灵敏度影响；
[0007] 3)将带舷窗与不带舷窗的星敏感器对准某一天区连续工作一段时间，测试舷窗对星敏感器静态测量精度的影响；
[0008] 4)将带舷窗与不带舷窗的星敏感器置于转台上旋转，测试舷窗对星敏感器动态跟踪性能影响；
[0009] 5)利用太阳模拟器测试舷窗对星敏感器杂散光保护角的影响。
[0010] 所述步骤2)的具体测试方法为：将星敏感器对准真实星空拍图，得到不带舷窗与带舷窗时视场内恒星的星等，及所拍摄图像的对应像素灰度值；如果不带舷窗与带舷窗时星等均满足不低于5.5等星，且拍摄图像的对应像素灰度值变化小于10％，则舷窗不影响星敏感器星等探测能力及星图识别功能；如果带舷窗时探测星等低于5.5等星，或者对应像素灰度值变化超出10％，则舷窗影响星敏感器星等探测能力及星图识别功能。
[0011] 所述步骤3)的具体测试方法为：在真实星空背景下，将星敏感器对准某一天区连续工作一段时间，将该段时间内星敏感器输出的四元数转换为姿态角，并统计静态测量精度；带舷窗后比对测试，如果带舷窗与不带舷窗的静态测量精度差值在1″以内，则舷窗对星敏感器测量精度无影响；如果带舷窗与不带舷窗时静态测量精度差值超出1″，则舷窗对星敏感器测量精度有影响。
[0012] 所述步骤4)的具体测试方法为：在真实星空背景下将星敏感器置于转台上以预设角速度旋转，保证测试星敏感器在该预设角速度下稳定跟踪，输出四元数持续更新且有效；加舷窗比对测试，如果星敏感器仍能稳定跟踪，则舷窗对星敏感器动态跟踪性能无影响；如果星敏感器不能稳定跟踪，输出四元数出现短时间不更新，则舷窗对星敏感器动态跟踪性能有影响。
[0013] 所述步骤5)测试舷窗对星敏感器杂散光保护角的影响的具体过程为：在暗室条件下，将星敏感器不带舷窗置于转台上，设置太阳模拟器与星敏感器光轴成40°夹角，使太阳模拟器的光强达到0.5个太阳常数，用星敏感器进行拍图，如果所拍图像灰度值小于180，则该角度满足星敏感器杂散光保护角；将舷窗固定到星敏感器前方拍图，如果相同角度下图像灰度值小于180，说明舷窗对星敏感器杂散光保护角无影响；如果图像灰度值大于180，说明舷窗对星敏感器杂散光保护角有影响。
[0014] 所述步骤1)的具体方法为：
[0015] 11)将星敏感器置于转台上，使单星模拟器与星敏感器的初始位置对准；在视场范围内，随机生成均匀分布的N个转台位置序列(α1,β1),(α2,β2),…(αi,βi)…,(αN,βN)，i＝1,2,……,N，其中αi、βi分别表示转台的俯仰角、偏航角；在(αi，βi)处采集星点质心坐标(xij，yij)，j＝1,2,……,M；N和M为正整数；
[0016] 12)求取星敏感器静态精度
[0017] A)求取星点质心定位精度
[0018] 星点在转台转角(αi，βi)处沿星敏感器x,y方向的质心定位精度(ηxi，ηyi)：
[0019] ηxi＝σxi·θx,σxi＝std(xi1,xi2,...,xiM)
[0020] ηyi＝σyi·θy,σyi＝std(yi1,yi2,...,yiM)
[0021] 其中x，y为沿星敏感器图像传感器的行方向与列方向；θx、θy分别为图像传感器x、y方向一个像元对应的角度；(σxi,σyi)为(xij,yij)，j＝1,2,……,M的标准差；
[0022] 则星敏感器在N个转台位置的质心定位精度 为：
[0023]
[0024] B)求取空间随机误差
[0025] 根据转台转角(αi,βi)得到该方向星矢量在星敏感器探测器上的理论坐标值(pi,qi)：
[0026]
[0027]
[0028] 式中fc为星敏感器镜头焦距，即镜头光学中心到图像传感器平面的距离；(a,b)为星敏感器光学主点，即星敏感器光轴在图像传感器成像面的坐标；(Dx,Dy)为星敏感器像元尺寸；
[0029] 星敏感器在每个测试点(αi,βi)与测量的M个星点质心(xij,yij)均值的测角误差(δxi,δyi)表示为：
[0030]
[0031] 计算获得(δxi,δyi)在N个转台位置的均值 与标准差(τδx,τδy)：
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] (τδx,τδy)为静态情况下星敏感器x,y方向的空间随机误差；
[0037] C)星敏感器的静态精度为：
[0038]
[0039] 其中Nstar为星敏感器视场内参与姿态计算的恒星个数。
[0040] 13)将舷窗固定在星敏感器前方，用上述方法测试舷窗式星敏感器静态精度。如果带舷窗与不带舷窗的静态精度差别在1″以内，则舷窗对星敏感器测量精度无影响；如果带舷窗与不带舷窗时静态精度差别超出1″，则舷窗对星敏感器测量精度有影响。
[0041] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0042] 1.本发明能够充分验证舷窗可能对星敏感器产生的功能和性能影响，为舷窗式星敏感器的参数设计提供参考依据，验证舷窗式星敏感器是否符合设计指标要求；
[0043] 2.测试结果表明舷窗会对星敏感器定姿产生某方面影响时，可进一步进行相关理论仿真分析工作，定位原因，对舷窗式星敏感器提出设计改进建议；
[0044] 3.为舷窗式星敏感器的在轨使用策略提供指导建议。通过该方法对舷窗式星敏感器的性能和使用特性进行摸底，如果某些设计指标达不到要求，且无法从设计上改进，可以在轨使用策略设计时进行注意，使用时对影响舷窗式星敏感器性能的环境因素予以规避，确保舷窗式星敏感器的在轨正常应用。
附图说明
[0045] 图1为舷窗式星敏单星模拟器测试原理图。
[0046] 图2为舷窗式星敏杂散光保护角测试原理图。
[0047] 图3为星敏感器坐标系定义示意图。
[0048] 图4为本发明流程图。
具体实施方式
[0049] 如图4所示为本发明流程图，进一步说明本发明的具体实施例。
[0050] (1)单星模精度测试
[0051] a)安装与对准：如图1所示，将单星模拟器光轴调成水平，并指向转台的回转中心。单星模拟器光轴与转台内框转轴和外框转轴确定的平面正交；星敏感器安装在转台内框的安装面上，单星模拟器发出的平行光沿光轴入射于主点，通过光电自准直仪保证单星模拟器与星敏感器、星敏感器与转台的初始对准精度。将舷窗光轴与星敏光轴平行放置。
[0052] b)测试点数据采集：在视场范围内，随机生成均匀分布的N个转台位置序列(α1,β1),(α2,β2),……,(αN,βN)，其中αi,βi(i＝1,2,……,N)分别表示转台的俯仰角、偏航角。转台按照预先设定的角度指令曲线运行，对于第i个测试点，待转台稳定后，记录下转台内外框的实测角度值(αi,βi)，在(αi,βi)处采集星点质心坐标(xij,yij)，重复采集M次，j＝1,2,……,M；N和M为正整数；星敏感器坐标系定义如图3所示，o为光学中心，x与图像传感器行方向平行，y与图像传感器列方向平行，z沿星敏感器镜头光轴方向，由右手定则确定。
[0053] c)将星敏感器静态精度按星点质心定位精度与空间随机误差进行分类。首先求取星点质心定位精度：
[0054] 星点在(αi,βi)处的质心定位精度 为：
[0055] σxi＝std(xi1,xi2,...,xiM),ηxi＝σxi·θx
[0056] σyi＝std(yi1,yi2,...,yiM),ηyi＝σyi·θy
[0057]
[0058] 其中θx，θy为x，y方向一个像元对应的角度；如星敏感器视场角为20°，探测器像素数为2048×2048，则
[0059] 然后求取空间随机误差：
[0060] 每个测试点均对应于一组实测星点坐标和一组转台转角，即从星敏感器采集得到的星点坐标值(xij,yij)(M组)和转台的内外框实际转动的角度值(αi,βi)。初始条件下恒星矢量在星敏感器坐标系下的坐标为v＝[001]，对于外框为俯仰角α，内框为偏航角β的转台，恒星矢量在星敏感器坐标系下的分量νm为：
[0061]
[0062] 星光矢量入射到星敏感器内，在图像传感器成像面上的入射点坐标值为(p,q)，则星光矢量在星敏感器坐标系下的方向矢量wm为：
[0063]
[0064] 式中fc为星敏感器镜头焦距，(a,b)为星敏感器光学主点，(Dx,Dy)为星敏感器像元尺寸。
[0065] 根据公式(2)(3)可求出转台转角为(αi,βi)时，星矢量在星敏感器探测器上的理论坐标值(pi,qi)：
[0066]
[0067] 星敏感器在每个测试点(αi,βi)的测角误差(δxi,δyi)可表示为：
[0068]
[0069] 计算(δxi,δyi)(i＝1,2,……,N)的均值与标准差：
[0070]
[0071] (τδx,τδy)为静态情况下星敏感器x,y方向的空间随机误差精度，
[0072] 则星敏感器的静态精度(ζx,ζy)为：
[0073]
[0074] 其中Nstar为星敏感器视场内参与姿态计算的恒星个数。
[0075] d)将舷窗固定在星敏感器前方，用上述方法测试舷窗式星敏感器静态精度。如果带舷窗与不带舷窗的静态精度差别在1″以内，则舷窗对星敏感器测量精度无影响；如果带舷窗与不带舷窗时静态精度差别超出1″，则舷窗对星敏感器测量精度有影响。
[0076] (2)星等探测灵敏度测试
[0077] 在真实星空背景下，将星敏感器置于转台上拍摄星图，与标准星图比对，确定视场内恒星的视星等，及所拍摄图像的对应像素灰度值；加舷窗后重复拍图，如果不带舷窗与带舷窗时星等均满足不低于5.5等星，且拍摄图像的对应像素灰度值变化小于10％，则舷窗不影响星敏感器星等探测能力及星图识别功能；如果带舷窗时星敏感器探测星等低于5.5等星，或者对应像素灰度值变化超出10％，说明舷窗影响星敏感器星等探测能力及星图识别功能。可以对舷窗进行改进设计，提高舷窗的透过率；同时也可通过调整星敏感器的相应阈值参数，使星敏感器对较弱的星光也能够敏感识别。
[0078] (3)外场观星精度测试
[0079] 具体测试方法如下：
[0080] a)将星敏感器带舷窗放置于平台上，光轴对天，其余两轴指向任意；
[0081] b)用采集软件采集星敏感器输出的四元数，连续采集一个小时；
[0082] c)根据采集的数据求取星敏感器的三轴姿态测量精度：
[0083] 选取一段连续的四元数，按312旋转顺序求出三轴姿态角(γ,θ,ψ)：
[0084] γ＝arcsin(2q0q1+2q2q3)
[0085]
[0086]
[0087] 其中(q0,q1,q2,q3)为星敏感器输出的四元数，γ为绕星敏感器X轴转动的姿态角，θ为绕星敏感器Y轴转动的姿态角、ψ为绕星敏感器Z轴转动的姿态角。
[0088] 为了扣除地速影响，要求将三轴姿态角按高阶曲线进行拟合成
[0089] 通过姿态角与拟合曲线上的拟合值做差求得姿态误差(Δγ,Δθ,Δψ)：
[0090]
[0091]
[0092]
[0093] 求姿态误差的标准差：
[0094]
[0095] (Sγ,Sθ,Sψ)为星敏感器姿态测量精度。
[0096] d)加舷窗后比对测试，如果带舷窗与不带舷窗的静态测量精度差值在1″以内，则舷窗对星敏感器测量精度无影响；如果带舷窗与不带舷窗时静态测量精度差值超出1″，则舷窗对星敏感器测量精度有影响。
[0097] (4)动态跟踪性能测试
[0098] 外场观星状态下，使转台沿星敏感器的某坐标轴(除光轴外的其他两轴)以3°/s角速度旋转，保证测试星敏感器稳定跟踪，输出四元数持续更新且有效；加舷窗后比对测试，如果星敏感器仍然能够稳定跟踪，说明舷窗对星敏感器的动态跟踪性能无影响；如果星敏感器不能稳定跟踪，输出四元数出现短时间不更新，则舷窗对星敏感器动态跟踪性能有影响。
[0099] (5)杂散光保护角测试
[0100] a)如图2所示，在专用光学暗室条件下，将星敏感器不带舷窗置于转台上，初始条件下，星敏感器光轴与太阳模拟器光轴重合；调整太阳光与星敏感器光轴成40°夹角，使太阳模拟器的光强达到0.5个太阳常数，在此情况下用星敏感器进行拍图，如果所拍图像背景灰度阈值小于180，说明该角度满足星敏感器杂散光保护角；
[0101] b)将舷窗置于星敏感器前方一定距离处，用星敏感器进行拍图，如果背景灰度值仍然小于180，说明舷窗对星敏感器杂散光保护角无影响；如果背景灰度值大于180，说明舷窗对星敏感器杂散光保护角有影响。
[0102] c)如果舷窗对星敏感器杂散光保护角有影响，为了测试此时舷窗式星敏感器的杂散光保护角，可以调整太阳模拟器与星敏感器光轴夹角，当背景灰度阈值小于180时，此时的夹角为舷窗式星敏感器的杂散光保护角。
[0103] d)舷窗对星敏感器杂散光保护角有较大影响时，一方面可对杂散光来源进一步仿真验证，确认杂散光来源，对舷窗式星敏感器进行改进设计；同时在使用时予以注意，对杂散光可能进入视场的情况予以规避。
