一种火星车APS太阳敏感器误差补偿方法与流程

一种火星车aps太阳敏感器误差补偿方法
技术领域
1.本发明属于光学姿态敏感器领域，涉及一种火星车aps太阳敏感器误差补偿方法。


背景技术：

2.太阳敏感器以太阳为基准方位，测量航天器姿态与太阳光线矢量夹角的一种光学姿态敏感器。在火星车上太阳敏感器测得太阳矢量方向，为火星车在火星表面行进提供偏航指向，确保火星车按照预定方向前进，同时完成陀螺长时间漂移的修正。
3.火星车太阳敏感器采用的面阵aps cmos图像传感器作为光电探测器，利用光线引入器上的通光小孔实现光线引入，太阳光线通过小孔到达aps图像传感器形成一个太阳亮斑，通过提取太阳亮斑的能量中心即可确定太阳的矢量方向。
4.aps太阳敏感器由于图像传感器保护玻璃的折射以及产品装配过程中带来的系统误差，需要利用太阳模拟器和转台进行标定，利用标定数据对产品角度误差进行补偿。
5.在嫦娥三号和嫦娥四号aps太阳敏感器在研制中进行角度误差补偿时，由于折射和装配引入的误差达到5
°
以上，而需要补偿到0.1
°
以内，需要7阶多项式的运算进行7次，类似专利cn103411580a(线阵aps太阳敏感器中的两轴角度确定方法)，此7次多项式运算需进行多次互相迭代补偿，以选取合适的补偿曲线，并在选取补偿曲线时，依据测角值在两条相邻的补偿曲线间进行权重分配，即对两误差补偿多项式进行加权求和的方式求解补偿值，导致单机内部的单片机80c32e运算时间过长，产品更新率低，只有2hz，最终只得将角度补偿运算由综合电子内部的高性能cpu完成。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种火星车aps太阳敏感器误差补偿方法。
7.本发明解决技术的方案是：
8.一种火星车aps太阳敏感器误差补偿方法，该方法的步骤包括：
9.第一步：利用质心法获得太阳亮斑实际位置(x
实际i
,y
实际i
)；
10.第二步：利用太阳模拟器和二轴转台在(
±
60
°×±
60
°
)视场内每隔1
°
建立(121
×
121)的点阵，得到标定场下14641个角度下太阳亮斑的坐标数据，利用已知标定数据(x0,y0,h)得到第i个角度下太阳亮斑实际位置与零位位置的关系，其中，x0为太阳亮斑为零位位置时x轴坐标、y0为太阳亮斑为零位位置时y轴坐标、h为探测器感光面到光线引入器下表面的距离，i＝1～14641；
11.第三步：建立以下数学模型表征第i个角度下太阳亮斑理论位置(x
理论i
，y
理论i
)与实际位置(x
实际i
，y
实际i
)的关系：
12.x
理论i
＝x
实际i
x_p0*δx
i
*r
i
x_p1*δx
i
*r
i2
x_p2*δx
i
*r
i3
；
13.y
理论i
＝y
实际i
y_p0*δy
i
*r
i
y_p1*δy
i
*r
i2
y_p2*δy
i
*r
i3
.
14.x_p0为太阳亮斑x轴坐标一次幂补偿系数，x_p1为太阳亮斑x轴坐标二次幂补偿系
数，x_p2为太阳亮斑x轴坐标三次幂补偿系数，y_p0为太阳亮斑y轴坐标一次幂补偿系数，y_p1为太阳亮斑y轴坐标二次幂补偿系数，y_p2为太阳亮斑y轴坐标三次幂补偿系数；
15.第四步：利用最小二乘求得坐标补偿系数(x_p0，x_p1，x_p2)和(y_p0，y_p1，y_p2)，对(x
实际i
，y
实际i
)进行坐标补偿得到(x
补后i
，y
补后i
)，x
补后i
为太阳亮斑x轴坐标补偿后位置，y
补后i
为太阳亮斑y轴坐标补偿后位置；
16.第五步：利用坐标补偿后坐标(x
补后i
，y
补后i
)获得太阳敏感器的初始太阳角度：
[0017][0018][0019]
α
补前i
为太阳敏感器α轴补偿前角度，β
补前i
为太阳敏感器β轴补偿前角度。
[0020]
第六步：建立第i个角度下α
补前i
和β
补前i
与转台角度的对应关系，获得此时太阳敏感器输出角度的残差，利用多项式拟合法获得此时残差的补尝系数表；
[0021]
第七步：对太阳敏感器补偿前角度进行取整，得到β
补前i
_int和α
补前i
_int；β
补前i
_int为β
补前i
四舍五入取整后的值，α
补前i
_int为α
补前i
四舍五入取整后的值；
[0022]
第八步：视场边界为60度，m＝β
补前i
_int，在α
补偿系数
中寻找α轴为m度时对应的一组系数(α
m
_p0，α
m
_p1，α
m
_p2，α
m
_p3，α
m
_p4，α
m
_p5，α
m
_p6，α
m
_p7)，根据该组系数获得α轴最终的角度输出α
输出
；
[0023]
n＝α
补前i
_int，在β
补偿系数
中寻找β轴为n度时对应的一组系数(β
n
_p0，β
n
_p1，β
n
_p2，β
n
_p3，β
n
_p4，β
n
_p5，β
n
_p6，β
n
_p7)，根据该组系数获得β轴最终的角度输出β
输出
。
[0024]
所述第一步中，x
实际i
＝xa
i
/ga
i
，y
实际i
＝ya
i
/ga
i
；
[0025]
xa
i
为太阳亮斑x方向的灰度积，ya
i
为太阳亮斑y方向的灰度积，ga
i
为太阳亮斑的灰度和。
[0026]
所述第二步中，
[0027]
δx
i
＝x
实际i
‑
x0；
[0028]
δy
i
＝y
实际i
‑
y0；
[0029][0030]
x
理论i
＝h
×
tan(α
转台i
) x0；
[0031]
y
理论i
＝h
×
tan(β
转台i
) y0；
[0032]
其中，δx
i
为第i个角度下太阳亮斑x轴上实际位置x
实际i
与零位位置的差，δy
i
为太阳亮斑y轴上实际位置y
实际i
与零位位置的差，r
i
为太阳亮斑实际位置与零位位置的距离，x
理论i
为第i个角度下α轴转台角为α
转台i
时太阳亮斑的理论位置，y
理论i
为第i个角度下β轴转台角为β
转台i
时太阳亮斑的理论位置。
[0033]
所述第四步中，利用如下公式对(x
实际i
，y
实际i
)进行坐标补偿得到(x
补后i
，y
补后i
)：
[0034]
x
补后i
＝x
实际i
x_p0*δx
i
*r
i
x_p1*δx
i
*r
i2
x_p2*δx
i
*r
i3
；
[0035]
y
补后i
＝y
实际i
y_p0*δy
i
*r
i
y_p1*δy
i
*r
i2
y_p2*δy
i
*r
i3
.。
[0036]
所述第六步中，α轴转台角α
转台i
与α
补前i
的误差δα
i
＝α
转台i
‑
α
补前i
，
[0037]
β轴转台角β
转台i
与β
补前i
的误差δβ
i
＝β
转台i
‑
β
补前i
。
[0038]
δα
i
的七阶误差补偿系数α
补偿系数j
＝polyfit(α
实际ji
,δα
ji
,7)(j＝
‑
60～60,i＝
‑
60～60)
[0039]
δβ
i
的七阶误差补偿系数β
补偿系数j
＝polyfit(β
实际ji
,δβ
ji
,7)(j＝
‑
60～60,i＝
‑
60～60)
[0040]
polyfit()为多项式拟合函数。
[0041]
残差的补尝系数表如下：
[0042][0043][0044]
α
k1
_p0为α轴为k1度时七次幂补偿系数、α
k1
_p1为α轴为k1度时六次幂补偿系数、α
k1
_p2为α轴为k1度时五次幂补偿系数、α
k1
_p3为α轴为k1度时四次幂补偿系数、α
k1
_p4为α轴为k1度时三次幂补偿系数、α
k1
_p5为α轴为k1度时二次幂补偿系数、α
k1
_p6为α轴为k1度时一次幂补偿系数、α
k1
_p7为α轴为k1度时常数项补偿系数，k1＝
‑
60，
‑
59，
‑
58，
……
，59，60；
[0045]
β
k2
_p0为β轴为k2度时七次幂补偿系数、β
k2
_p1为β轴为k2度时六次幂补偿系数、β
k2
_p2为β轴为k2度时五次幂补偿系数、β
k2
_p3为β轴为k2度时四次幂补偿系数、β
k2
_p4为β轴为k2度时三次幂补偿系数、β
k2
_p5为β轴为k2度时二次幂补偿系数、β
k2
_p6为β轴为k2度时一次幂补偿系数、β
k2
_p7为β轴为k2度时常数项补偿系数，k2＝
‑
60，
‑
59，
‑
58，
……
，59，60。
[0046]
所述第八步中，α
输出
＝α
补前i
(α
m
_p0
×
α
补前i7
α
m
_p1
×
α
补前i6
α
m
_p2
×
α
补前i5
α
m
_p3
×
α
补前i4
α
m
_p4
×
α
补前i3
α
m
_p5
×
α
补前i2
α
m
_p6
×
α
补前i
α
m
_p7)；
[0047]
α
m
_p0为α
补偿系数
中α轴为m度时七次幂补偿系数，α
m
_p1为α
补偿系数
中α轴为m度时六次幂补偿系数，α
m
_p2为α
补偿系数
中α轴为m度时五次幂补偿系数，α
m
_p3为α
补偿系数
中α轴为m度时四次幂补偿系数，α
m
_p4为α
补偿系数
中α轴为m度时三次幂补偿系数，α
m
_p5为α
补偿系数
中α轴为m度时二次幂补偿系数，α
m
_p6为α
补偿系数
中α轴为m度时一次幂补偿系数，α
m
_p7为α
补偿系数
中α轴为m度时常数项补偿系数。
[0048]
β
输出
＝β
补前i
(β
m
_p0
×
β
补前i7
β
m
_p1
×
β
补前i6
β
m
_p2
×
β
补前i5
β
m
_p3
×
β
补前i4
β
m
_p4
×
β
补前i3
β
m
_p5
×
β
补前i2
β
m
_p6
×
β
补前i
β
m
_p7)；
[0049]
β
n
_p0为β
补偿系数
中β轴为n度时七次幂补偿系数，β
n
_p1为β
补偿系数
中β轴为n度时六次幂补偿系数，β
n
_p2为β
补偿系数
中β轴为n度时五次幂补偿系数，β
n
_p3为β
补偿系数
中β轴为n度时四次幂补偿系数，β
n
_p4为β
补偿系数
中β轴为n度时三次幂补偿系数，β
n
_p5为β
补偿系数
中β轴为n度时二次幂补偿系数，β
n
_p6为β
补偿系数
中β轴为n度时一次幂补偿系数，β
n
_p7为β
补偿系数
中β轴为n度时常数项补偿系数。
[0050]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0051]
(1)本发明首次提出对aps太阳敏感器的角度误差进行两次补偿，先补偿坐标，后补偿角度残差，将运算量减少至3阶多项式运算2次和7阶多项式运算2次，误差补偿后精度达到0.03
°
(3σ)，运算量降低，产品更新率提高，产品精度提高。
[0052]
(2)本发明利用相机畸变校正的思路，先行对太阳亮斑质心坐标进行校正，建立太阳亮斑质心理论坐标位置和实际质心位置的三次多项式，利用最小二乘法得到三次多项式的系数。校正完坐标后太阳敏感器的角度残差降低到0.5
°
以内。
[0053]
(3)本发明采用二次补偿的思路解决坐标补偿后的角度残差，解决角度补偿曲线快速定位的问题，本发明每个坐标轴只需要进行一次角度补偿即可得到最终的补偿值，无需进行多次互相迭代补偿以选取合适的补偿曲线，同时不需要对测角值在两条相邻的补偿曲线间进行权重分配，再对两误差补偿多项式进行加权求和的方式求解补偿值。
附图说明
[0054]
图1为β＝
‑
60
°
，α从
‑
60
°
～ 60
°
的角度误差；
[0055]
图2为β＝
‑
30
°
，α从
‑
60
°
～ 60
°
的角度误差；
[0056]
图3为β＝0
°
，α从
‑
60
°
～ 60
°
的角度误差；
[0057]
图4为α＝
‑
30
°
，β从
‑
60
°
～ 60
°
的角度误差；
[0058]
图5为α＝0
°
，β从
‑
60
°
～ 60
°
的角度误差。
具体实施方式
[0059]
下面对本发明作进一步阐述。
[0060]
aps太阳敏感器利用aps图像传感器对太阳亮斑进行成像，解算太阳亮斑的质心位置获得太阳方位角。火星车aps太阳敏感器中，图像传感器保护玻璃的折射、半球罩畸变以及产品装配环节中出现的系统误差，这类误差在视场边界可以达到5
°
以上。
[0061]
本发明首次提出对aps太阳敏感器的角度误差进行两次补偿，先补偿坐标，后补偿角度残差。
[0062]
具体实施步骤如下：
[0063]
第一步：利用质心法获得太阳亮斑坐标位置(x
实际i
,y
实际i
)；
[0064]
x
实际i
＝xa
i
/ga
i
；
[0065]
y
实际i
＝ya
i
/ga
i
；
[0066]
xa
i
为太阳亮斑x方向的灰度积，ya
i
为太阳亮斑y方向的灰度积，ga
i
为太阳亮斑的灰度和；
[0067]
第二步：利用太阳模拟器和二轴转台在(
±
60
°×±
60
°
)视场内每隔1
°
建立(121
×
121)的点阵，得到标定场下14641个角度下太阳亮斑的坐标数据，i＝1～14641，利用已知标定数据(x0,y0,h)得到第i个角度下太阳亮斑实际位置与零位位置的关系，其中，x0为太阳亮斑为零位位置时x轴坐标、y0为太阳亮斑为零位位置时y轴坐标、h为探测器感光面到光线引入器下表面的距离：
[0068]
δx
i
＝x
实际i
‑
x0；
[0069]
δy
i
＝y
实际i
‑
y0；
[0070][0071]
x
理论i
＝h
×
tan(α
转台i
) x0；
[0072]
y
理论i
＝h
×
tan(β
转台i
) y0；
[0073]
其中，δx
i
为第i个角度下太阳亮斑x轴上实际位置x
实际i
与零位位置的差，δy
i
为太阳亮斑y轴上实际位置y
实际i
与零位位置的差，r
i
为太阳亮斑实际位置与零位位置的距离，x
理论i
为第i个角度下α轴转台角为α
转台i
时太阳亮斑的理论位置，y
理论i
为第i个角度下β轴转台角为β
转台i
时太阳亮斑的理论位置。
[0074]
第三步：建立数学模型表征第i个角度下太阳亮斑理论坐标位置(x
理论i
，y
理论i
)与实际坐标位置(x
实际i
，y
实际i
)的关系：
[0075]
x
理论i
＝x
实际i
x_p0*δx
i
*r
i
x_p1*δx
i
*r
i2
x_p2*δx
i
*r
i3
；
[0076]
y
理论i
＝y
实际i
y_p0*δy
i
*r
i
y_p1*δy
i
*r
i2
y_p2*δy
i
*r
i3
.
[0077]
x_p0为太阳光斑x轴坐标一次幂补偿系数，x_p1为x轴坐标二次幂补偿系数，x_p2为x轴坐标三次幂补偿系数，y_p0为y轴坐标一次幂补偿系数，y_p1为y轴坐标二次幂补偿系数，y_p2为y轴坐标三次幂补偿系数；
[0078]
第四步：利用最小二乘求得坐标补偿系数(x_p0，x_p1，x_p2)和(y_p0，y_p1，y_p2)，对(x
实际i
，y
实际i
)利用下面公式即可进行坐标补偿得到(x
补后i
，y
补后i
)，x
补后i
为x轴太阳亮斑坐标补偿后位置，y
补后i
为y轴太阳亮斑坐标补偿后位置。
[0079]
x
补后i
＝x
实际i
x_p0*δx
i
*r
i
x_p1*δx
i
*r
i2
x_p2*δx
i
*r
i3
；
[0080]
y
补后i
＝y
实际i
y_p0*δy
i
*r
i
y_p1*δy
i
*r
i2
y_p2*δy
i
*r
i3
.
[0081]
第五步：利用坐标补偿后坐标(x
补后i
，y
补后i
)获得太阳敏感器的初始太阳角度：
[0082][0083][0084]
α
补前i
为太阳α轴补偿前角度，β
补前i
为太阳β轴补偿前角度。
[0085]
第六步：建立第i个角度下α
补前i
和β
补前i
与转台角度的对应关系，获得此时太阳敏感器输出角度的残差，利用多项式拟合法获得此时残差的补尝系数表；
[0086]
α轴转台角α
转台i
与α
补前i
的误差δα
i
＝α
转台i
‑
α
补前i
[0087]
β轴转台角β
转台i
与β
补前i
的误差δβ
i
＝β
转台i
‑
β
补前i
[0088]
δα
i
的七阶误差补偿系数α
补偿系数j
＝polyfit(α
实际ji
,δα
ji
,7)(j＝
‑
60～60,i＝
‑
60～60)
[0089]
δβ
i
的七阶误差补偿系数β
补偿系数j
＝polyfit(β
实际ji
,δβ
ji
,7)(j＝
‑
60～60,i＝
‑
60～60)
[0090]
[0091][0092]
polyfit()为matlab中多项式拟合函数。
[0093]
α
‑
60
_p0为α轴为
‑
60度时七次幂补偿系数、α
‑
60
_p1为α轴为
‑
60度时六次幂补偿系数、α
‑
60
_p2为α轴为
‑
60度时五次幂补偿系数、α
‑
60
_p3为α轴为
‑
60度时四次幂补偿系数、α
‑
60
_p4为α轴为
‑
60度时三次幂补偿系数、α
‑
60
_p5为α轴为
‑
60度时二次幂补偿系数、α
‑
60
_p6为α轴为
‑
60度时一次幂补偿系数、α
‑
60
_p7为α轴为
‑
60度时常数项补偿系数。
[0094]
α
‑
59
_p0为α轴为
‑
59度时七次幂补偿系数、α
‑
59
_p1为α轴为
‑
59度时六次幂补偿系数、α
‑
59
_p2为α轴为
‑
59度时五次幂补偿系数、α
‑
59
_p3为α轴为
‑
59度时四次幂补偿系数、α
‑
59
_p4为α轴为
‑
59度时三次幂补偿系数、α
‑
59
_p5为α轴为
‑
59度时二次幂补偿系数、α
‑
59
_p6为α轴为
‑
59度时一次幂补偿系数、α
‑
59
_p7为α轴为
‑
59度时常数项补偿系数。
[0095]
α
60
_p0为α轴为60度时七次幂补偿系数、α
60
_p1为α轴为60度时六次幂补偿系数、α
60
_p2为α轴为60度时五次幂补偿系数、α
60
_p3为α轴为60度时四次幂补偿系数、α
60
_p4为α轴为60度时三次幂补偿系数、α
60
_p5为α轴为60度时二次幂补偿系数、α
60
_p6为α轴为60度时一次幂补偿系数、α
60
_p7为α轴为60度时常数项补偿系数。
[0096]
β
‑
60
_p0为β轴为
‑
60度时七次幂补偿系数、β
‑
60
_p1为β轴为
‑
60度时六次幂补偿系数、β
‑
60
_p2为β轴为
‑
60度时五次幂补偿系数、β
‑
60
_p3为β轴为
‑
60度时四次幂补偿系数、β
‑
60
_p4为β轴为
‑
60度时三次幂补偿系数、β
‑
60
_p5为β轴为
‑
60度时二次幂补偿系数、β
‑
60
_p6为β轴为
‑
60度时一次幂补偿系数、β
‑
60
_p7为β轴为
‑
60度时常数项补偿系数。
[0097]
β
‑
59
_p0为β轴为
‑
59度时七次幂补偿系数、β
‑
59
_p1为β轴为
‑
59度时六次幂补偿系数、β
‑
59
_p2为β轴为
‑
59度时五次幂补偿系数、β
‑
59
_p3为β轴为
‑
59度时四次幂补偿系数、β
‑
59
_p4为β轴为
‑
59度时三次幂补偿系数、β
‑
59
_p5为β轴为
‑
59度时二次幂补偿系数、β
‑
59
_p6为β轴为
‑
59度时一次幂补偿系数、β
‑
59
_p7为β轴为
‑
59度时常数项补偿系数。
[0098]
β
60
_p0为β轴为60度时七次幂补偿系数、β
60
_p1为β轴为60度时六次幂补偿系数、β
60
_p2为β轴为60度时五次幂补偿系数、β
60
_p3为β轴为60度时四次幂补偿系数、β
60
_p4为β轴为60度时三次幂补偿系数、β
60
_p5为β轴为60度时二次幂补偿系数、β
60
_p6为β轴为60度时一次幂补偿系数、β
60
_p7为β轴为60度时常数项补偿系数。
[0099]
第七步：对取得的太阳敏感器初始角度进行取整，公式如下：
[0100]
β
补前i
_int＝round(β
补前i
)；
[0101]
α
补前i
_int＝round(α
补前i
)；
[0102]
β
补前i
_int为β
补前i
四舍五入取整后的值。
[0103]
α
补前i
_int为α
补前i
四舍五入取整后的值。
[0104]
第八步：视场边界为60度，m＝β
补前i
_int，在α
补偿系数
中寻找α轴为m度时对应的一组系数(α
m
_p0，α
m
_p1，α
m
_p2，α
m
_p3，α
m
_p4，α
m
_p5，α
m
_p6，α
m
_p7)，代入下式获得α
输出
作为最终的角度输出。
[0105]
α
输出
＝α
补前i
(α
m
_p0
×
α
补前i7
α
m
_p1
×
α
补前i6
α
m
_p2
×
α
补前i5
α
m
_p3
×
α
补前i4
[0106]
α
m
_p4
×
α
补前i3
α
m
_p5
×
α
补前i2
α
m
_p6
×
α
补前i
α
m
_p7)；
[0107]
α
m
_p0为α
补偿系数
中α轴为m度时七次幂补偿系数，α
m
_p1为α
补偿系数
中α轴为m度时六次幂补偿系数，α
m
_p2为α
补偿系数
中α轴为m度时五次幂补偿系数，α
m
_p3为α
补偿系数
中α轴为m度时四次幂补偿系数，α
m
_p4为α
补偿系数
中α轴为m度时三次幂补偿系数，α
m
_p5为α
补偿系数
中α轴为m度时二次幂补偿系数，α
m
_p6为α
补偿系数
中α轴为m度时一次幂补偿系数，α
m
_p7为α
补偿系数
中α轴为m度时常数项补偿系数。
[0108]
n＝α
补前i
_int，在β
补偿系数
中寻找β轴为n度时对应的一组系数(β
n
_p0，β
n
_p1，β
n
_p2，β
n
_p3，β
n
_p4，β
n
_p5，β
n
_p6，β
n
_p7)，代入下式获得β
输出
作为最终的角度输出。
[0109]
β
输出
＝β
补前i
(β
m
_p0
×
β
补前i7
β
m
_p1
×
β
补前i6
β
m
_p2
×
β
补前i5
β
m
_p3
×
β
补前i4
β
m
_p4
×
β
补前i3
β
m
_p5
×
β
补前i2
β
m
_p6
×
β
补前i
β
m
_p7)；
[0110]
β
n
_p0为β
补偿系数
中β轴为n度时七次幂补偿系数，β
n
_p1为β
补偿系数
中β轴为n度时六次幂补偿系数，β
n
_p2为β
补偿系数
中β轴为n度时五次幂补偿系数，β
n
_p3为β
补偿系数
中β轴为n度时四次幂补偿系数，β
n
_p4为β
补偿系数
中β轴为n度时三次幂补偿系数，β
n
_p5为β
补偿系数
中β轴为n度时二次幂补偿系数，β
n
_p6为β
补偿系数
中β轴为n度时一次幂补偿系数，β
n
_p7为β
补偿系数
中β轴为n度时常数项补偿系数。
[0111]
火星车太阳敏感器按照本发明方法经过坐标误差补偿和角度误差补偿后的误差情况如图1、图2、图3、图4、图5所示。从图中可以看出，经过本方法后火星车太阳敏感器精度优于0.02
°
。
[0112]
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。