线阵APS太阳敏感器中的两轴角度确定方法

摘要

本发明涉及线阵APS太阳敏感器中的两轴角度确定方法，包含角度计算及误差补偿两部分，入射光通过“N”型光缝玻璃在线阵图像传感器上形成图像，利用质心算法提取中心直缝图像的质心坐标及其两侧斜缝图像的质心坐标，依据光缝玻璃与图像传感器安装的几何关系，利用直缝与斜缝的质心坐标及光缝玻璃与图像传感器之间的高度值求解两轴角度值；角度补偿部分对两轴角度值进行多项式拟合补偿后，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，本发明方法大大提高了线阵APS太阳敏感器的测角精度，且运算开销小，效果显著。

主权项

1.线阵APS太阳敏感器中的两轴角度确定方法，其特征在于：所述线阵APS太阳敏感器包括光缝玻璃和线阵APS图像传感器，其中光缝玻璃包括一条中央直缝S0和两条斜缝S1、S2，两条斜缝S1、S2分别位于中央直缝S0的两侧，具体包括如下步骤：步骤（一）、计算太阳光矢量的两轴姿态角α和β（1）建立直角坐标系OXYZ，其中坐标原点O在线阵APS图像传感器中像元总长度的1/2处；X轴与APS光敏单元排列线重合，由零像元指向最大像元处；Y轴在线阵APS的光敏面内，Z轴通过右手法则定义；入射光矢量在YOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为β；入射光在XOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为α；（2）利用公式（1）计算中央直缝S0的质心坐标，及斜缝S1或S2的质心坐标；$x_0=b·\frac{\underset{i=m}{\overset{n}{\Sigma }}i·v_i^{\text{'}}}{\underset{i=m}{\overset{n}{\Sigma }}{v}_i^{\text{'}}}---\left(1\right)$其中：x₀为质心坐标；b为线阵APS图像传感器相邻两个像元的中心距离；i为像元序号，m为光斑的起始像元，n为光斑的终止像元；v_i'为第i个像元经去背景处理后的输出值；（3）计算太阳光线矢量的两轴姿态角β$\mathrm{tg\beta }=\frac{\Delta x_1-\mathrm{\Delta x}}{\mathrm{htg\gamma }}---\left(2\right)$或$\mathrm{tg\beta }=\frac{\mathrm{\Delta x}-\Delta x_2}{\mathrm{htg\gamma }}---\left(3\right)$其中：Δx₁为斜缝S1的光斑位置与斜缝S1在零位时的光斑位置之差；Δx₂为斜缝S2的光斑位置与斜缝S2在零位时的光斑位置之差；Δx为中央直缝S0的光斑位置与中央直缝S0在零位时的光斑位置之差；γ为倾斜狭缝与中央狭缝的夹角；h为光缝玻璃下表面与APS图像传感器器件封装玻璃上表面之间的距离；（4）计算太阳光线矢量的两轴姿态角α$\frac{\mathrm{\Delta x}}{\tan \alpha }-\frac{e}{\sqrt{(n^2-1){\tan }^2\alpha +(n^2-1)+\cos \beta }}=h+t---\left(4\right)$其中：n为APS图像传感器器件封装玻璃的折射率；e为APS图像传感器器件封装玻璃的厚度；t为APS图像传感器器件封装玻璃下表面与APS图像传感器器件光敏面之间的距离；不考虑APS图像传感器封装玻璃的折射带来的影响，将求解α角的公式（4）简化为公式（5）所示：$\tan \alpha =\frac{\mathrm{\Delta x}}{h}---\left(5\right)$步骤（二）、对太阳光线矢量的两轴姿态角α和β进行误差补偿（1）、分别建立α角和β角在视场范围内的二维误差补偿系数表，建立方法为：（a）、在线阵APS太阳敏感器的视场范围内，给出一组固定角度间隔的太阳光矢量的两轴姿态角真实值α_真实和β_真实，其中固定角度间隔为K，再根据步骤（一）中的计算方法计算出一组相应的姿态角α_实测和β_实测，得到姿态角的误差值α_误差=α_真实-α_实测和β_误差=β_真实-β_实测；分别对α_误差和β_误差进行曲线拟合得到拟合曲线的补偿系数值，如下公式6、7所示：α_补=A0+A1×α⁷+A2×α⁶+A3×α⁵+A4×α⁴+A5×α³+A6×α²+A7×α；      （6）β_补=B0+B1×β⁷+B2×β⁶+B3×β⁵+B4×β⁴⁺B5×β³+B6×β²+B7×β；      （7）其中A0、A1……A7；B0、B1……B7为拟合曲线上的多项式系数，即补偿系数值；α、β为拟合曲线上的自变量；（b）、根据所述补偿系数值建立α角和β角在线阵APS太阳敏感器的视场范围内的二维误差补偿系数表，具体方法为：在线阵APS太阳敏感器的视场范围内，以固定角度间隔K变化的每一个两轴姿态角β_真实对应α_真实的一组误差补偿系数，从而得到α的误差补偿系数表；以固定角度间隔K变化的每一个两轴姿态角α_真实对应β_真实的一组误差补偿系数，从而得到β的误差补偿系数表；（2）利用实测的β_实测查找α的误差补偿系数表，找到β_实测对应的一组误差补偿系数A0、A1……A7，利用公式6求出误差补偿值α_补，对α_实测进行补偿，得到补偿后的α_补+实测，即α_补+实测=α_补+α_实测；（3）利用补偿后的α_补+实测查找β的误差补偿系数表，找到α_补+实测对应的一组误差补偿系数B0、B1……B7，利用公式7求出β的误差补偿值β_补，对β_实测进行补偿，得到补偿后的β_补+实测，即β_补+实测=β_补+β_实测；（4）对补偿后的α_补+实测进行加权处理，得到加权处理后的α，具体方法如下：（a）根据步骤（3）中补偿后的β_补+实测查找α的误差补偿系数表，找到与β_补+实测最接近的两个固定角度β_M、β_M+1，计算权重因子C_M、C_M+1，其中确定β_M对应的一组误差补偿系数A0_M、A1_M……A7_M和β_M+1对应的一组误差补偿系数A0_M+1、A1_M+1……A7_M+1，将α_实测代入β_M对应的一组误差补偿系数A0_M、A1_M……A7_M，根据公式（6）得到α_补M：将α_实测代入β_M+1对应的一组误差补偿系数A0_M+1、A1_M+1……A7_M+1，根据式公式（6）得到α_补M+1：（b）得到加权处理后的αα_补=C_M×α_补M+C_M+1×α_补M+1α=α_实测+α_补；（5）对补偿后的β_补+实测进行加权处理，得到加权处理后的β，具体方法如下：（a）根据步骤（2）中补偿后的α_补+实测查找β的误差补偿系数表，找到与α_补+实测最接近的两个固定角度α_N、α_N+1，计算权重因子C_N、C_N+1，其中确定α_N对应的一组误差补偿系数B0_N、B1_N……B7_N和α_N+1对应的一组误差补偿系数B0_N+1、B1_N+1……B7_N+1，将β_实测代入α_N对应的一组误差补偿系数B0_N、B1_N……B7_N，根据公式（7）得到β_补N：将β_实测代入α_N+1对应的一组误差补偿系数B0_N+1、B1_N+1……B7_N+1，根据公式（7）得到β_补N+1：（b）得到加权处理后的ββ_补=C_N×β_补N+C_N+1×β_补N+1β=β_实测+β_补。