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基于自准直原理的空间光学成像系统在轨几何定标技术研究

【摘要】:基于自准直原理的空间相机在轨几何定标的技术是一种在无地面靶场情况下,对空间相机内方位元素进行监测的在轨几何定标技术,能够监测参数包括系统的主点和有效焦距、系统视轴沿X、Y以及Z方向的旋转量。该技术具有无靶场、低成本,系统简单,实时监测等优势,具有很高的适用性,特别适用于航天测绘相机的内方位元素在轨定标。本文主要对基于自准直原理空间相机在轨几何定标技术的原理进行验证,分析影响系统定标精度的主要因素,提出优化系统定标精度的方案。首先介绍自准直定标系统的工作原理,提出通过监测像点位移的方式计算空间相机待定标的参数,并推导系统的数学模型和成像公式,构建了像点位置和结构参数变化量之间的偏置矩阵。其次,以离轴三反空间相机为基础,在空间相机的光路中添加光源、探测器、分光镜和反射镜,利用离轴三反相机的自身光路进行自准直系统设计,在理想条件对空间相机的在轨定标方案进行了仿真,验证了自准直定标系统原理的可行性性。根据数学模型、光学仿真和系统公差结果,分析了影响系统定标精度的主要因素,包括质心定位的误差,折转镜调焦的系统误差,系统加工和装调的误差,并提出了通过算法提高系统质心的定位精度、通过公式计算系统调焦量、以及限制系统特定结构参数的公差,实现了对原理样机定标精度进行优化的方案。最后,搭建系统原理样机,在实验室环境下对基于自准直原理的空间相机在轨几何定标技术进行了实验测试:原理样机焦距变化量的定标精度为0.027mm;视轴X方向旋转的定标精度为0.403″;视轴Y方向旋转的定标精度为0.386″;视轴Z方向旋转的定标精度为9.752″。根据原理样机定标精度的优化方案对系统进行优化,优化后原理样机焦距变化量的定标精度为0.0097mm;视轴X方向旋转的定标精度为0.117″;视轴Y方向旋转的定标精度为0.117″;视轴Z方向旋转的定标精度为2.645″,系统的定标精度有了明显的提升。

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