一种两步在轨校正星敏感器内参数的方法

本发明涉及星敏感器在轨内参数校正，尤其涉及一种两步在轨校正星敏感器内参数的方法。

背景技术：

1、星敏感器是目前航天器上测量精度最高的姿态传感器，它以探测恒星为目标，通过星图识别为航天器提供天球坐标系下的姿态信息。由于其本质仍是视觉探测器，因此使用前需要对其光学参数进行标定。需要标定的主要参数包括焦距，主点，畸变（径向畸变和切向畸变）。

2、星敏感器的标定方法分为地面标定和在轨标定。地面标定通常是常温常压下进行的，这与在轨应用环境有很大不同。同时发射时的振动，在轨长时间服役导致器件的老化都会导致光学参数发生变化从而影响星敏感器的探测精度。因此针对星敏感器的光学参数进行实时在轨标定具有较高的工程意义。

3、中国专利申请cn202211290287.7提出的高精度星敏感器光学系统内参数微变化量在轨标定方法仅对焦距和主点进行标定并未考虑畸变参数，此外该方法通过星图识别而不是lk光流进行星点的匹配。中国专利申请cn201310136159.1提出利用光矢量方向夹角固定的原理校正星敏感器透镜畸变，并未考虑焦距和主点。综上所述，上述方法均未涉及利用两步在轨校正星敏感器内参数。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种两步在轨校正星敏感器内参数的方法，首先通过lk光流法快速完成恒星特征跟踪匹配；在参数校正部分，首先通过引入非线性优化方法完成内参数的粗校正，有助于加快参数的收敛。然后利用初始校正的内参数和扩展卡尔曼滤波对内参数进行精确估计。本发明有效提高了星敏感器内参数在轨校正的精度和收敛速度。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种两步在轨校正星敏感器内参数的方法，包括如下步骤：

4、步骤（1）星敏感器捕获新一帧图像后，将星点视为特征点进行特征提取，获得只包含位置坐标的特征点集合；

5、步骤（2）利用lk光流法对前一帧星敏感器捕获的图像提取到的特征点集合在当前帧中进行特征跟踪，得到位置坐标集合；当特征点集合中某一特征点与位置坐标集合中的特征点的欧式距离小于3个像素，则视为匹配成功，此时将特征点集合中对应的特征点存储的恒星信息传递给特征点集合中的特征点；所述恒星信息包括星号、赤经赤纬；

6、步骤（3）当步骤（2）中匹配成功的特征点的数量大于或等于10，则筛选出离图像中心点距离最远的10个特征点用于内参数的校正；当步骤（2）中匹配成功的特征点的数量小于10，则计算星敏感器当前姿态并进行局部天区星图识别，重新对特征点集合进行特征匹配；

7、步骤（4）对前20帧图像采用非线性优化进行内参数的粗校正，获得粗校正结果，所述内参数包括焦距，主点，径向畸变系数和切向畸变系数；

8、步骤（5）将步骤（4）得到的粗校正结果作为扩展卡尔曼滤波初值，对内参数进行精确估计，直到所有内参数均收敛。

9、有益效果：

10、首先，本发明提出了基于lk光流的快速星点匹配，其不同于传统星图识别，大大节省了星点匹配的时间；此外在参数校正部分，引入了非线性优化和滤波两步法进行内参数的校正，即使当在轨内参数初始误差较大时，也能保证高精度的估计，同时基于优化的粗校正提供了良好的参数初值，提升了滤波校正的收敛速度。

技术特征：

1.一种两步在轨校正星敏感器内参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种两步在轨校正星敏感器内参数的方法，其特征在于，所述步骤（3）包括：当匹配成功的特征数小于10，采用svd算法计算星敏感器当前姿态，过程为：

3.根据权利要求1所述的一种两步在轨校正星敏感器内参数的方法，其特征在于，所述步骤（4）包括：遍历步骤（3）中筛选出的10个特征点，计算任意两点星角距，根据星角距不变原理获得残差项并构建最小二乘问题：

4.根据权利要求1所述的一种两步在轨校正星敏感器内参数的方法，其特征在于，所述步骤（5）包括：利用步骤（4）得到的内参数的粗校正结果，通过扩展卡尔曼滤波对内参数进行精确估计；第k步的内参数和其协方差矩阵的估计步骤如下：

技术总结
本发明公开了一种两步在轨校正星敏感器内参数的方法，涉及星敏感器在轨内参数校正技术领域，将星敏感器图像中恒星视为特征点并提取位置信息，然后通过LK光流法快速完成特征跟踪匹配，一旦匹配成功的特征点小于10则进入局部天区星图识别，补充特征点数量。在内参数校正部分，前20帧图像采用非线性优化进行内参数（包括焦距，主点，径向畸变系数和切向畸变系数等7个系数）粗校正，有助于加快参数的收敛；其后的图像利用粗校正结果和扩展卡尔曼滤波（EKF）对内参数进行精确校正。本发明通过优化和滤波对内参数进行两步校正，能有效提高滤波收敛的速度和精度。

技术研发人员：赵汝进,易晋辉,马跃博,龙鸿峰,朱梓健,梁震
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16