阅读说明：本技术 一种小视场相机天文找北技术方法及装置 (A kind of small field of view camera celestial north-finder technical method and device ) 是由 王海涌 汪博雅 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种小视场相机天文找北技术方法及装置。该装置包括角运动伺服机械平台、小视场相机、辅助设备和控制及信息处理系统。通过控制伺服机械平台做期望的角运动,产生有限个角速度为零的角位置,带动紧固于所述平台的相机做锥扫运动,在平台角速度为零的时刻采集星图从而避免成像拖尾,结合辅助设备提供的信息开展多帧异步星图的处理,计算获得基座平台的姿态及地理北向信息。本发明提供的装置及其操作方法,基于单目小视场相机即可实现全天时姿态确定,大大降低装置的复杂度和体积重量。(The invention discloses a kind of small field of view camera celestial north-finder technical method and devices.The device includes angular movement servounit platform, small field of view camera, ancillary equipment and control and information processing system.Desired angular movement is done by controlling servounit platform, generate the Angle Position that limited angular speed is zero, it drives the camera for being anchored on the platform to do cone and sweeps movement, star chart is acquired at the time of platform angular speed is zero to avoid imaging from trailing, the information provided in conjunction with ancillary equipment carries out the processing of the asynchronous star chart of multiframe, calculates the posture for obtaining base platform and geographical north orientation information.Device provided by the invention and its operating method can be realized round-the-clock posture based on monocular small field of view camera and determine, substantially reduce the complexity and volume weight of device.)

一种小视场相机天文找北技术方法及装置

(一)技术领域

本发明属于天文技术领域，是一种利用相机观星进行天文找北的技术方法及装置。

(二)背景技术

天文找北通过相机观星确定地理北向，是一种新型的高精度的非陀螺找北技术，具有自主性强、隐蔽性好、准确性高等优点。大视场相机可观测星数目多，可以独立完成姿态确定及天文找北。然而对于小视场相机(比如天文望远镜)来说，由于可观测星数少(甚至低于3颗)且纵轴定姿精度很低，难以独自完成星光定姿以及天文找北。白天天文找北装置恰需要小视场望远镜，是因为小视场相机白天成像的背景电平更低，信噪比更高。因而解决小视场星敏感器天文找北技术具有重要的工程意义。

国内外有些机构现在采用三视场天文导航设备，可以实现天文定姿或天文找北。然而这类三视场或多视场的设备(比如：多视场星敏感器或多视场望远镜)，结构复杂，体积和重量较大，信号处理系统设计难度大。依靠增加相机个数来弥补单目小视场相机观星数目的不足，不是灵巧的设计方案。

(三)

发明内容

本发明提供了一种小视场相机天文找北技术方法及装置，包括：

一个角运动伺服机械平台，在有限个角位置处角速度为零；

一个小视场相机，紧固于所述角运动伺服机械平台，所述相机光轴与所述平台主轴的夹角称为半锥角，小视场相机与所述角运动机械平台同步随动，即所述相机光轴相对于所述平台主轴做锥扫运动；

辅助设备，用以提供时间信息以及当地地理经纬度信息；

控制及信息处理系统，生成角运动伺服机构的控制指令，并开展多帧异步星图的处理，输出姿态及北向信息。

本发明提供了一种小视场相机天文找北技术方法及装置的操作方法，包含以下步骤：

步骤1，控制及信息处理系统令伺服机械平台做期望的角运动，使有限个角位置处出现角速度为零情形；

步骤2，相机光轴随伺服机械平台做锥扫运动，在伺服机械平台角速度为零的角位置相机采集星图，获得异步星图序列；

步骤3，控制及信息处理系统建立算法处理多帧异步星图；

步骤4，结合辅助设备提供的时间信息以及当地地理经纬度信息，计算获得所需的基座平台姿态及地理北向信息。

本发明的有益效果是：

利用角运动伺服机械平台，产生有限个角速度为零的角位置，在角速度为零的时刻采集星图，避免了动态成像拖尾这一相机测量工程领域多年来的瓶颈性制约因素；单目小视场相机随伺服机械平台做锥扫运动，采集多帧异步星图的全天时观星及姿态测量方法，巧妙地规避了三目及多目天文导航组合设备具有的体积重量大、系统复杂度高的弊端。

(四)附图说明

图1为一种小视场相机天文找北装置的示意图。

图中序号说明如下：

序号1是角运动伺服机械平台。

序号2是角速度为零的平台角位置。

序号3是小视场相机。

序号4是机械平台主轴。

序号5是小视场相机光轴。

序号6是采集星图时锥扫锥面的光轴方位，与角速度为零的平台角位置对应。

图2为小视场相机天文找北装置工作流程图。

(五)

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面举例对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

以分度台作为角运动伺服机械平台。设定半锥角为20°，采集8帧星图，分度为45°，全周界共计8个分度位置。

依次运行到每个分度位置后则处于静止状态，采集星图，初始位置时刻设为T₁时刻。对每帧星图进行去噪、二值化、质心定位等预处理，得到星像质心在像平面内的像素坐标。基于每帧星图中提取的观测星，求出相机测量系(s系)下星矢量并加入观测星库中。

根据已有或先验的平台粗略姿态信息、当地地理经纬度和锥扫运动后的相机相对基座平台的安装矩阵，可以将观测星库中每一颗观测星的对应星矢量转换到T₁时刻地球坐标系(e系)下的星矢量。以T₁时刻地球坐标系为参考系，则对所有观测星矢量进行匹配，获得各观测星矢量对应的导航星星号、赤经赤纬等信息。

导航星在春分点地心惯性坐标系(i系)和s系下的星矢量存在以下转换关系：

则有：

对于静基座平台，e系到i系的转移矩阵因地球自转而随观测时间变化，由辅助设备提供的时间信息计算获得，从地理坐标系(t系)到e系的转移矩阵是常量阵，从平台本体系(b系)到t系的转移矩阵也是常量阵，可以通过求解从b系到e系的转移矩阵确定平台姿态。

成功完成星图识别后可获得导航星的赤经和赤纬信息，进而得到在i系的星矢量结合可以计算出公式(2)中等号左边项的值记为每颗导航星都对应一个不同的相机安装矩阵也随已知锥扫位置的不同而不同，可以计算得到，不同观测星对应不同的矢量平台本体系下观测星矢量的计算公式如下：

基于系列矢量和则可通过最小二乘法得到b系到e系的转换矩阵

根据辅助设备提供的当地地理经度λ和地理纬度根据公式(4)可得到t系到e系的转移矩阵

从而可以得到b系到t系的转移矩阵即姿态矩阵：

因此可以得到本装置的航向角ψ、俯仰角θ和滚转角γ。再根据航向角ψ与基座平台的基准面便可得到平台的真北方向。