专利名称：一种星敏感器的标定方法
技术领域：
本发明涉及航天技术，特别是适用于数字摄影测量、计算机视觉等领域的一种星 敏感器的标定方法。
背景技术：
星敏感标定方法是专门针对卫星上使用的星敏感器改正参数的一种标定方法，星 敏感标定方法包括数字图像扫描、编码标志识别、三维点快速匹配。星敏感器改正参数模型 的标定及精度验证，包括带有自标定的光束法快速平差。本发明主要功能是实现对小视场星敏感器改正参数的标定。星敏感器标定传统方 法是利用平行光管配合转台的方法进行。传统方法具有标定速度慢，对硬件要求高的特点。 因此，效率低、成本高，满足不了现代化高效率的需要。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种星敏感器的 标定方法，可有效解决对星敏感器标定速度慢、效率低、硬件要求高的问题，其解决的技术 方案是，利用控制场标定对星敏感器改正参数进行标定，针对星敏感器改正参数的特点，采 用内方位元素加星敏感器镜头畸变改正对星敏感器进行标定，其步骤是一、星敏感器内参 数标定，方法是，1、将圆形回光反射标志和编码标志的标定场放置在实验室，用数字摄影测 量系统对标定场测量标志进行测量，得到标志点在摄影测量系统坐标系下坐标；2、在距离 控制场2. 5士0. 2米用星敏感器对控制场照相，每进行一个位置照相以后要对相机进行水 平移动；3、对上述测量得到的标定场控制点三维坐标，用星敏感器标定软件对星敏感器得 到的照片进行图像处理，使用光束平差法计算出相机内参数；二、基准镜坐标系缩合标定，方法是，1、用工业测量系统建立经纬仪测量坐标系， 对立方镜进行准直测量，并计算得到立方镜坐标系在经纬仪测量系统下的参数；2、用经纬仪测量系统对标定场的人工测量标志进行测量，得到人工测量标志在经 纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；3、利用三维坐标值进行公共点转换，得到标定场坐标系与经纬仪测量系统坐标系 的转换关系，将经纬仪测量系统坐标系与立方镜坐标系转换到标定场坐标系下；4、用标定完内参数的相机再次对标定场进行照相，利用星敏感器标定软件得到两 台相机与标定场坐标系的关系，得到两台相机和立方镜坐标系的关系，完成整个标定过程。本发明标定过程简单，标定数学模型具有物理意义，对硬件要求精度低，标定精度 高，速度快，大大提高了工作效率，是星敏感器的标定上的创新。
四
图1为本发明的星敏感标定方法流程图。图2为本发明基准镜坐标系示意图。五具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明。由图1所示，本发明包括星敏感器内参数标定和基准镜坐标系综合标定两部分， 星敏感器内参数标定是，对标定场进行标定、利用星敏感器对标定场进行照相、计算星敏感 器的内参数；基准镜坐标系综合标定是，建立经纬仪测量系统，确定经纬仪测量系统坐标 系；对基准镜进行准直测量，得到基准镜坐标系在经纬仪测量系统坐标系下的参数；利用 经纬仪测量系统测量标定场测量标志坐标；将经纬仪测量系统坐标系转换到标定场坐标系 下，得到基准镜坐标系在标定场系统坐标系下参数；利用已经标定内参数的导航系统相机 对标定场进行照相，得到相机对在标定场下的坐标系参数；计算相机在立方镜坐标系下的 坐标系参数，具体实施步骤是一、星敏感器内参数标定，步骤是1、将已经布设由美国3M公司生产的反光材料(型号分别为7610)为原料制作的 直径为10mm(或者直径为8mm)的圆形回光反射标志和编码标志的标定场放置在实验室，用 数字摄影测量系统对标定场测量标志进行测量，得到标志点在摄影测量系统坐标系下坐标 (X，Y，Z)，数字摄影测量系统是由美国GSI公司生产，包含一套V-STARS数字摄影软件、一 台INCA3智能相机、一个自动定向棒、两根经过美国NIST(美国国家标准与技术局)标定、 长度为1096. mm的基准尺；2、在距离控制场2. 5士0. 2米左右使用星敏感器对控制场照相60张，其中前35张 照片是水平放置星敏感器拍摄得到的，后25张是相机旋转90度后所拍摄的，每进行一个位 置照相以后要对相机进行水平移动，照相得到的相片中至少每张相片中要包含四个以上的 编码标志点；3、对上述已经测量得到的标定场控制点三维坐标(X，Y，Z)，利用星敏感器用标定 软件对星敏感器得到的60张相片进行图像处理，使用光束法平差计算出相机内参数，所用 的星敏感器用标定软件可采用市售的或自行设计，如郑州辰维科技有限公司研发的星敏感 器用标定软件；所述的相机内参数包括径向畸变、偏心畸变、像平面内畸变和内方位元素不准确 引起的畸变，这些内部参数所引起的像点坐标偏差称之为像点的系统误差，写成下式 其中Ax'，Ay'为像点的系统误差；Axr，Ayr为径向畸变；A xd, A yd为偏心畸变；A xm, A ym为像平面内畸变；Axn, A yn为内方位元素不准确引起的畸变。顾及到像点系统误差的影响，则实际像点的共线条件方程式可以写成
6 上式中ai c3为相机旋转矩阵的参数，X、Y、Z为测量点在控制场坐标系下坐标， Xs.Ys.Zs为相机在控制场坐标系下的坐标；所述的光束法平差是，以每条空间光线为一单元，利用三点共线条件列出误是方 程式。所谓三点共线条件，即是指在摄影时，测量点、相应像点和相机中心点是在同一条直 线之上的。由共线条件出发，对每个像点可以列出下列两个关系公式 上式中ai c3为相机旋转矩阵的参数= cos(RY) Xcos(RZ)；a2 = -cos (RY) X sin (RZ)；a3 = sin(RY)；= sin (RX) X sin (RY) X cos (RZ) +cos (RX) X sin (RZ)；b2 = -sin (RX) X sin (RY) X sin (RZ) +cos (RX) X cos (RZ)；b3 = -sin (RX) X cos (RY)；Cl = -cos (RX) X sin (RY) X cos (RZ) +sin (RX) X sin (RZ)；c2 = cos (RX) X sin (RY) X sin (RZ) +sin (RX) X cos (RZ)；c3 = cos (RX) X cos (RY)；上式中RX，RY, RZ为相机坐标系空间轴系在标定场坐标系下的三个旋转角度。X、Y、Z为测量点坐标，Xs.Ys.Zs为星敏感器的坐标，f为星敏感器焦距，x、y为测 量点在星敏感器中的像素坐标；对上式进行线性化后即可的到光束法平的误差方程式。编码标志编码标志是一种自身带有数字编码信息并且能够通过计算机自动识别 号码的人工标志。二、基准镜坐标系综合标定，步骤是1、利用工业测量系统建立经纬仪测量坐标系，对立方镜进行准直测量，并计算得 到立方镜坐标系在经纬仪测量系统下的参数(\，\，Z0, Rx，Ry，Rz)。其中Y0, Z0为平移参 数，Rx，Ry，Rz为旋转参数。对立方镜准直测量的过程中，为了保证测量精度，立方镜准直测 量至少测量8次，该工业测量系统包括市售的由郑州辰维科技有限公司研发的SMN测量软 件一套，由瑞士徕卡公司生产的两台TM5005电子经纬仪、一台日本索佳公司生产的NET05 全站仪，一根经过标定的、长度为1007. 8毫米的基准尺一根；所说的准直测量是，利用工业测量系统，用两台电子经纬仪对基准镜进行测量，确 定基准镜坐标系的原点，用全站仪对基准镜进行测量，确定基准镜坐标系的方向，最终建立 基准镜坐标系。坐标系的定义如图2，具体是坐标系原点0为第一台经纬仪的三轴中心，Z轴为第一台经纬仪的垂直轴方向，向上为正，X轴方向为第一台经纬仪互瞄第二台经纬仪的方 向在第一台经纬仪水平度盘平面上的投影，正向指向第二台经纬仪，Y轴由右手规则规定；2、利用经纬仪测量系统对标定场的人工测量标志进行测量，得到人工测量标志在 经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标XI，Yl，Z1，此时人工测量标志具有两组坐标值，一组 在标定场坐标系下X，Y，Z，一组在经纬仪测量系统坐标系下XI，Yl，Z1 ；3、利用人工测量标志的两组坐标值进行公共点转换，得到一个关于标定场坐标系 与经纬仪测量系统坐标系的转换关系，利用此转换关系将经纬仪测量系统坐标系与立方镜 坐标系转换到标定场坐标系下；所说的公共点转换是已知反光标志点在经纬仪测量坐标系下的坐标，同时可测这 些点的摄影测量坐标系下坐标，然后进行点对点坐标的转换，两坐标系之间有三个平移参 数和三个旋转参数，记为t zXyYyZ。，e x, e y, ￡ z，其中XQ，Y。，ZQ为平移参数，￡ x，￡ y，e z 为旋转参数。设反光标志点在经纬仪测量坐标系下的坐标为X、Y、Z，在摄影测量坐标系下 的坐标为x、y、z，设计坐标系与测量坐标系之间的转换关系为
给定近似值()，利用迭代最小二乘计算可求坐标转换参数t ；上式中ai c3为相机旋转矩阵的参数= cos(RY) Xcos(RZ)；a2 = -cos (RY) X sin (RZ)；a3 = sin(RY)；= sin (RX) X sin (RY) X cos (RZ) +cos (RX) X sin (RZ)；b2 = -sin (RX) X sin (RY) X sin (RZ) +cos (RX) X cos (RZ)；b3 = -sin (RX) X cos (RY)；Cl = -cos (RX) X sin (RY) X cos (RZ) +sin (RX) X sin (RZ)；c2 = cos (RX) X sin (RY) X sin (RZ) +sin (RX) X cos (RZ)；
c3 = cos (RX) X cos (RY)；4、利用已经标定完内参数的相机再次对标定场进行照相，利用郑州辰维科技有限 公司编写的星敏感器标定软件可以得到两台相机与标定场坐标系的关系，上述步骤3中已 得到的立方镜坐标系和标定场坐标系之间关系，所以即可得到两台相机和立方镜坐标系的 关系，标定过程完成。由上述情况表明，本发明是针对卫生上使用的星敏感器改正参数而提供的一种标 定方法，包括数字图像扫描、编码标志识别、三维点快速匹配，以及光束法快速平差，采用控 制场对星敏感器进行标定，具有标定过程简单，标定数学模型具有物理意义，对硬件要求精 度低的特点，与现有标定方法相比，具有以下有益的技术效果1、标定场建立方便，可以在实验室里建立；2、标定精度高，标定精度可达到0. 01个像素；3、标定过程简单，实现了自动化标定，不需要具有相关专业背景的人员参加也可以完成标定工作； 4、标定速度快，一小时内即可完成内参数标定，大大提高了工作效率，是星敏感器 标定上的创新。
权利要求
一种星敏感器的标定方法，其特征在于，由以下步骤实现一、星敏感器内参数标定，步骤是(1)、将圆形回光反射标志和编码标志的标定场放置在实验室，用数字摄影测量系统对标定场测量标志进行测量，得到标志点在摄影测量系统坐标系下坐标(X，Y，Z)；(2)、在距离控制场2.5±0.2米用星敏感器对控制场照相60张，其中前35张照片是水平放置星敏感器拍摄得到的，后25张是相机旋转90度后所拍摄的，每进行一个位置照相以后要对相机进行水平移动，照相得到的相片中至少每张相片中要包含四个以上的编码标志点；(3)、对上述已经测量得到的标定场控制点三维坐标(X，Y，Z)，利用星敏感器用标定软件对星敏感器得到的60张相片进行图像处理，使用光束法平差计算出相机内参数；二、基准镜坐标系综合标定，步骤是(1)、利用工业测量系统建立经纬仪测量坐标系，对立方镜进行准直测量，并计算得到立方镜坐标系在经纬仪测量系统下的参数(X0，Y0，Z0，Rx，Ry，Rz)，其中X0，Y0，Z0为平移参数，Rz，Ry，Rz为旋转参数，立方镜准直测量至少测量8次；准直测量是，利用工业测量系统，用两台电子经纬仪对基准镜进行测量，确定基准镜坐标系的原点，用全站仪对基准镜进行测量，确定基准镜坐标系的方向，最终建立基准镜坐标系；(2)、利用经纬仪测量系统对标定场的人工测量标志进行测量，得到人工测量标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标X1，Y1，Z1，此时人工测量标志具有两组坐标值，一组在标定场坐标系下X，Y，Z，一组在经纬仪测量系统坐标系下X1，Y1，Z1；(3)、利用人工测量标志的两组坐标值进行公共点转换，得到一个关于标定场坐标系与经纬仪测量系统坐标系的转换关系，利用此转换关系将经纬仪测量系统坐标系与立方镜坐标系转换到标定场坐标系下；(4)、利用已经标定完内参数的相机再次对标定场进行照相，利用星敏感器标定软件得到两台相机与标定场坐标系的关系，利用立方镜坐标系和标定场坐标系之间关系，得到两台相机和立方镜坐标系的关系，标定过程完成。
2.根据权利要求1所述的星敏感器的标定方法，其特征在于，所述的步骤一_3中所称 的相机内参数包括径向畸变、偏心畸变、像平面内畸变和内方位元素不准确引起的畸变，这 些内部参数所引起的像点坐标偏差称之为像点的系统误差，写成下式其中AX'，Ay'为像点的系统误差；Axr, 为径向畸变；A xd, A yd为偏心畸变；Axm, A 像平面内畸变；Axn, Ayn为内方位元素不准确引起的畸变。顾及到像点系统误差的影响，则实际像点的共线条件方程式可以写成Ax = Axr + Axd + Axm + Ax^Ay, = Ay 厂 + yd + Aym + Ay, 上式中ai c3为相机旋转矩阵的参数，X、Y、Z为测量点在控制场坐标系下坐标，Xs、 Ys、Zs为相机在控制场坐标系下的坐标。
3.根据权利要求1所述的星敏感器的标定方法，其特征在于，所述的步骤一 _3光束 法平差是，以每条空间光线为一单元，利用三点共线条件列出误是方程式，所谓三点共线条 件，即是指在摄影时，测量点、相应像点和相机中心点是在同一条直线之上的； 由共线条件出发，对每个像点可以列出下列两个关系公式 上式中ai c3为相机旋转矩阵的参数 a1 = cos(RY) Xcos(RZ)； a2 = -cos (RY) Xsin(RZ)； a3 = sin(RY)；= sin (RX) X sin (RY) X cos (RZ) +cos (RX) X sin (RZ)； b2 = -sin (RX) X sin (RY) X sin (RZ) +cos (RX) X cos (RZ)； b3 = -sin(RX) Xcos(RY)；Cl = -cos (RX) X sin (RY) X cos (RZ) +sin (RX) X sin (RZ)； c2 = cos (RX) X sin (RY) X sin (RZ) +sin (RX) X cos (RZ)； c3 = cos (RX) Xcos(RY)；上式中RX，RY, RZ为相机坐标系空间轴系在标定场坐标系下的三个旋转角度； X、Y、Z为测量点坐标，Xs.Ys.Zs为星敏感器的坐标，f为星敏感器焦距，x、y为测量点 在星敏感器中的像素坐标；对上式进行线性化后即可的到光束法平的误差方程式。
4.根据权利要求1所述的星敏感器的标定方法，其特征在于，所述的步骤二 _3所称的 公共点转换是指，已知反光标志点在经纬仪测量坐标系下的坐标，同时可测这些点的摄影 测量坐标系下坐标，然后进行点对点坐标的转换，两坐标系之间有三个平移参数和三个旋 转参数，记为t = H，&，ex, ey, ￡ z，其中‘ I，&为平移参数，￡x，ey, ￡ z为旋转参 数。设反光标志点在经纬仪测量坐标系下的坐标为X、Y、Z，在摄影测量坐标系下的坐标为 x、y、z，设计坐标系与测量坐标系之间的转换关系为 给定近似值(x0°, y0°, Z0°, εx°，εy°,εz° )，利用迭代最〃上式中ai c3为相机旋转矩阵的参数= cos(RY) Xcos(RZ)； a2 = -cos (RY) Xsin(RZ)； a3 = sin(RY)；= sin (RX) X sin (RY) X cos (RZ) +cos (RX) X sin (RZ)； b2 = -sin (RX) X sin (RY) X sin (RZ) +cos (RX) X cos (RZ)； b3 = -sin(RX) Xcos(RY)；Cl = -cos (RX) X sin (RY) X cos (RZ) +sin (RX) X sin (RZ)； c2 = cos (RX) X sin (RY) X sin (RZ) +sin (RX) X cos (RZ)； c3 = cos (RX) Xcos(RY)。
全文摘要
本发明涉及星敏感器的标定方法，可有效解决对星敏感器标定速度慢、效率低、硬件要求高的问题，方法是对星敏感器内参数标定，得到标志点在摄影测量系统坐标系下坐标；照片进行图像处理，计算出相机内参数；建立经纬仪测量坐标系；用经纬仪测量系统对标定场的人工测量标志进行测量，得到人工测量标志在经纬仪测量系统坐标系下的三维坐标；利用三维坐标值进行公共点转换，得到标定场坐标系与经纬仪测量系统坐标系的转换关系，将经纬仪测量系统坐标系与立方镜坐标系转换到标定场坐标系下；再次对标定场进行照相，得到两台相机和立方镜坐标系的关系，本发明标定过程简单，对硬件要求精度低，标定精度高，速度快，大大提高了工作效率，是星敏感器的标定上的创新。
文档编号G01C25/00GK101858755SQ201010188488
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者卢欣, 李春艳, 李晓, 范生宏, 范钦红, 郭廷钧, 钟红军, 陈小娅 申请人:北京控制工程研究所;郑州辰维科技有限公司