模拟红外星体角位置的高精度测量方法

1 引 言

天文导航以其高精度、自主式、全天候的特点成为卫星导航、惯性导航和无线电导航之外的另一种重要的导航手段。天文导航可以利用星光进行独立导航,也可以与卫星导航或惯性导航形成组合导航系统,例如天文/GPS、天文/北斗或天文/惯性组合导航系统等。在不同的应用领域,人们进行了一些特殊的天文导航技术研究[1-4],还发展了多种天文导航定位算法[5-7],使天文导航技术愈趋成熟,应用领域不断扩大。

星敏感器或星体跟踪器是天文导航系统的关键设备,它的主要作用是获取自然星体的准确空间角位置,用于空间探测器高精度姿态解算和导航定位,其性能在很大程度上决定了天文导航系统的性能。星模拟器是星敏感器的地面标定设备,其精度水平直接影响星敏感器标定的准确性,进而决定空间探测器姿态测量的精确性,故高精度的星模拟器是研制高精度星敏感器的重要保证,而模拟星体角位置的高精度测量是其中的关键一环。虽然星模拟器的精度从理论分析角度可达数角秒甚至亚角秒的水平,但目前国内实际上能达到的精度约为10″[8-11]。

通过程度中心度、接近中心度、中介中心度等指标衡量城市节点在旅游经济网络中的角色和地位，是对旅游经济整体网络分析的一种补充(如表4)。

实践表明,在白天使用近红外波段测星实现导航定位比可见光波段效率高得多[5],因此除可见光波段测星外,红外测星也成为重要的研究方向,这就对红外星模拟器提出了要求。然而,目前对星模拟器的研究主要集中在可见光波段,对红外星模拟器较少涉及。基于此,本文在建立一套红外星模拟器系统的基础上,提出了一种模拟红外星体角位置的测量方法,其高度角和方位角的测量精度均优于5″。

图1(a)中所示管道中间段为悬跨段,悬跨长度为L,受到竖直向下的均布荷载q的作用,由管道自身重量决定.管道在载荷的作用下管壁将产生3个应力分量[7],即轴向应力、周向应力和径向应力,截取其中一扇形六面体微元,如图2所示,其应力分量为

2 红外星模拟器系统简介

我们为国内某大型企业的天文导航研究室研制了一套红外星模拟器系统,用于开展有关天文导航及天惯组合导航技术的研究工作,本文主要介绍该系统的星模拟器、方位基准镜、高精度双轴转台和计算机等几部分，如图1所示。

  

图1 红外星模拟器系统的组成Fig.1 Composition of the infrared star simulator system

星模拟器一共4台,每台星模拟器由5根平行光管组成,每根平行光管模拟一颗恒星发出的平行光,一共可以模拟20颗恒星。每台星模拟器的5根平行光管的光轴交于一点,光轴与水平的夹角在25°～35°之间,这是通常测星的最佳高度角范围。

方位基准镜提供正北方位基准,其法线水平指向正北方向,作为模拟星方位角和俯仰角零位基准,方位基准镜的高度与转台中心一致。在测量红外模拟星角位置时需要利用Leica TM6100A经纬仪反复与方位基准经进行准直,Leica TM6100A经纬仪的操作可见于公开的设备使用说明书。

双轴转台为外方位、内俯仰结构形式,台面上安装星敏感器,用来对模拟红外星体进行成像,通过转台的转动可改变星敏感器的姿态,以便观测不同的模拟红外星体。

(6)星敏感器瞄准模拟红外星体后系统的位置关系俯视图如下。如图12所示。

1）停工开始阶段，含油污水排放后路就受到了限制，为了降低在吹扫过程中产生大量含油污水，轻油管线吹扫一律选择用蒸汽，有效的降低了含油污水的产生。

在系统安装布置时,双轴转台、方位基准镜以及星模拟器均安装于隔振地基上。以转台中心为原点,方位基准镜处于正北方向并与转台中心等高,4个星模拟器分别位于东北、东南、西南、西北方向,并置于高约2 m的隔振立柱上,20根平行光管的光轴均通过原点,这样就形成了以原点为观察点的包含20颗恒星的模拟星空。由于平行光管与星敏感器均具有一定口径,允许有数毫米的安装误差。

3 模拟红外星体角位置测量方法

3.1 准备工作

对于可见光模拟星体,可以直接利用经纬仪进行角位置测量,十分方便,对于模拟红外星体,可采用本文的方法进行测量,准备工作包括:

SNE直接使用条件概率来映射数据间的相似度。但由于pi|j≠pj|i，SNE的代价函数是不对称的。为了解决这个问题，t-SNE使用联合概率分布来映射相似度，这样可以保证任取i和j，都有pij=pji。在高维空间中，t-SNE根据条件概率pi|j和pj|i计算出pij：

(1)调整方位基准镜

试验结果(表2)表明，各组合对粗糠树侧根数的影响差异很大，混沙沤制，10月15日播种，露地低床播种(处理7)的侧根数最高，为13.50条。

(3)转台上电,将星敏感器安装到转台台面上,通过调节转台的方位角和俯仰角使TM6100A与星敏感器背面反射镜准直,此时靶面上出现卡式光管的十字丝像,计算出十字丝像中心的脱靶量(x0,y0),该点对应星敏感器的视场中心。由于星敏感器背面反射镜的安装误差,(x0,y0)不一定是星敏感器靶面的中心。当标定出(x0,y0)后,该值即作为星敏感器的固有参数,其误差属于系统误差。如图4所示。

(2)星敏感器背面贴反射镜

他的心里泛起一阵失落和难过，不是为女子的死，而是为她没能死在自己的手上。那时，他突然发现，自己这个人是多么得恐怖！自己身为云浮神权的接替者，心里竟然还隐藏着这样的一个恶魔！

在星敏感器背面贴一面反射镜,将反射镜法线方向作为星敏感器光轴方向。

女人记得后来两人在一起做爱的时候，男朋友总是压在她的身子上说那句话，虎吃牛，虎吃牛呀。男朋友还趴在她耳根处问她，你愿意让我吃吗？女人满脸通红地说愿意，你想什么时候吃就什么时候吃。男朋友就说吃你一辈子，男朋友的话说过几次便把女人说得泪流满面，她很小父母亲便离异了，她是靠姐姐微薄的工资读完大学的呀，能有了一个男人呵护她、爱她这还不是福气吗？

(3)安装星敏感器

星敏感器安装在转台台面上,调整其高度,使星敏感器光学系统的入瞳中心与转台中心重合(允许有一定误差)。

3.2 模拟红外星体俯仰角的测量方法

以某一颗模拟红外星体为例说明俯仰角的测量步骤如下:

(4)将转台的方位和俯仰各转过一个角度,使模拟红外星体进入星敏感器视场,微调转台的方位角和俯仰角,使模拟星的脱靶量变为x0和y0。如图10所示。

  

图2 TM6100A与方位基准镜准直Fig.2 Collimation of TM6100A with azimuth reference mirror

(2)将卡式光管放置在TM6100A与方位基准镜之间,并调整至与TM6100A准直,即卡式光管的十字丝像处于分划板中心,此时卡式光管模拟一颗处于正北方位的水平恒星。如图3所示。

  

图3 TM6100A与卡式光管准直Fig.3 Collimation of TM6100A with Cassegrain collimator

方位基准镜安装在精密光学调整架上,高度与转台中心一致,利用Leica TM6100A经纬仪的调平和准直功能将方位基准镜的法线调整至水平方向。为说明方便起见,假定调整后方位基准镜的方位为正北方向(方位基准镜的实际方位角可通过陀螺经纬仪精确标定)。方位基准镜调整之后将长期保持姿态并用作测量的统一基准。方位基准镜调整完成后仍存在一定的系统误差。

  

图4 水平状态下TM6100A与星敏感器背面的反射镜准直Fig.4 Collimation of TM6100A with reflector at the back of the star sensor in horizontal state

(4)将转台的方位和俯仰各转过一个角度,使第一颗模拟星进入星敏感器视场,微调转台的方位角和俯仰角,使模拟星的脱靶量变为x0和y0。如图5所示。

  

图5 星敏感器瞄准模拟星体Fig.5 Star sensor aiming at the simulated star

(5)将TM6100A放置在较低的三脚架上,首先调平,然后调节俯仰轴,使TM6100A与星敏感器背面反射镜准直,读出TM6100A的俯仰角,即为模拟星体的高度角。如图6所示。

  

图6 测星状态下TM6100A与星敏感器背面反射镜准直Fig.6 Collimation of TM6100A with reflector at the back of the star sensor in aiming at the star state

3.3 模拟红外星体方位角的测量方法

以某一颗模拟红外星体为例说明方位角的测量步骤,方位角的测量需要两台Leica TM6100A。

(1)将经纬仪TM6100A1与方位基准镜准直,再将TM6100A2与方位基准镜准直。如图7所示。

  

图7 两台TM6100A依次与方位基准镜准直Fig.7 Two sets of TM6100A collimating with azimuth reference mirror in turn

(2)将卡式光管放置在TM6100A2与方位基准镜之间,并调整至与TM6100A2准直。如图8所示。

  

图8 TM6100A2与卡式光管准直Fig.8 Collimation of TM6100A2 with Cassegrain collimator

(3)转台上电,将星敏感器安装到转台台面上,调整其光轴使TM6100A2与星敏感器背面的反射镜准直,此时靶面上出现卡式光管的十字丝像,计算出十字丝像中心的脱靶量x0和y0。如图9所示。

  

图9 水平状态下TM6100A2与星敏感器背面反射镜准直Fig.9 Collimation of TM6100A2 with reflector at the back of the star sensor in horizontal state

(1)将经纬仪Leica TM6100A调整至水平,并与方位基准镜准直。如图2所示。

  

图10 星敏感器瞄准模拟星体Fig.10 Star sensor aiming at the simulated star

(5)将TM6100A1放置在较低的三脚架上,首先调平,然后调节俯仰轴,使TM6100A1与星敏感器背面的反射镜准直。如图11所示。

  

图11 测星状态下TM6100A1与星敏感器背面反射镜准直Fig.11 Collimation of TM6100A1 with reflector at the back of the star sensor in aiming at the star state

计算机主要对转台的姿态进行控制。

  

图12 星敏感器瞄准模拟红外星体后系统俯视图Fig.12 System top view after star sensor aiming at the simulated infrared star

(1)关于星敏感器的视场中心(x0,y0)

  

图13 经纬仪互准直时系统俯视图Fig.13 System top view after theodolites mutual collimation

3.4 测量方法说明

(7)将TM6100A1和TM6100A2互准直,分别记录下各自转过的角度α和β,则模拟红外星体的方位角γ=π-α-β。如图13所示。

阅读推广视角下的品牌独特性应该是指品牌给予读者的价值感具有独特性，即阅读推广服务在读者看来具有一定的特色或特点，从其他服务中获取不到，并对其有吸引力。

(4)星敏感器测星误差:4″

经与企业合作协商，逐步建立校企合作专业建设指导委员会，聘请企业技术人员为学院电气类专业建设指导委员会委员，共同制定测控专业培养方案、课程体系、培养过程及人才培养质量标准等[2]。

(2)卡式光管的作用

卡式光管是反射式平行光管,其光路特性与光波波长无关,因此,从经纬仪中观察到的可见光十字丝像与星敏感器中观察到的红外十字丝像是同轴的。通过卡式光管标定基准星的角位置后,即可将经纬仪与红外星敏感器结合起来对模拟红外星体的角位置进行测量。

4 测量误差分析

本文只分析随机误差,并用测量的重复性来检验测量精度,暂不分析系统误差。根据所选仪器的精度,设TM6100A调平误差为1″,与反射镜的准直误差为1″,与卡式光管的准直误差为1″,星敏感器的单像素视场为4″。

4.1 高度角的测量误差分析

根据测量步骤,高度角测量误差主要包括以下几项:

(1)TM6100A与方位基准镜准直误差:1″

(2)TM6100A与卡式光管准直误差:1″

(3)TM6100A与星敏感器背面反射镜准直误差:1″

通过在星敏感器背面贴反射镜的方法获得星敏感器的视场中心(x0,y0),该参数为星敏感器的固有参数,一次标定后将固定不变,因此在俯仰角和方位角测量步骤中取相同值。

(5)TM6100A调平误差:1″

(6)TM6100A与星敏感器背面反射镜准直误差:1″

可假定这些误差互不相关且正交,则高度角测量误差的理论值为:

图示法的目的在于帮助引进抽象概念.图示并非目标，对抽象概念的把握和抽象思维才是数学学习的目标.停留在这类低级幼稚的图示方法只会妨碍学生思维能力的进步.

 

4.2 方位角的测量误差分析

根据测量步骤,方位角测量误差主要包括以下几项:

(1)TM6100A1和TM6100A2与方位基准镜准直误差:各为1″

在团场综合配套改革中，十二师一〇四团15个社区新一届“两委”班子成员，在各级党委的支持下，在上届领导的帮助指导下，迅速转变角色，积极开展工作，取得了可喜的成绩。

(2)TM6100A2与与卡式光管准直误差:1″

(3)TM6100A2与星敏感器背面反射镜准直误差:1″

(4)星敏感器测星误差:4″

(5)TM6100A1调平误差:1″

（1）国内可以借用的部分绿色建筑设计软件多是节能设计软件或其扩展软件，许多专业功能计算只能依赖于国外软件，国内还没有建立起自主知识产权的绿色建筑规划设计软件体系。

(6)TM6100A1与星敏感器背面反射镜准直误差:1″

(7)TM6100A1与TM6100A2的互准直误差:各为1″

可假定这些误差互不相关且正交,则高度角测量误差的理论值为:

宁夏引黄灌区农民用水户协会建设虽然取得了一定成效，但也存在一些困难和问题，主要表现在：一是协会运行还不规范，发展还不平衡，政府主管部门扶持力度不够，业务指导有待进一步加强；二是协会激励机制还不健全，缺乏常态化的检查、考核、评比、人员培训等体制、机制；三是水务公开力度仍需进一步加大，需要重点在公开范围、公开内容和公开时效性等方面下功夫；四是水利工作人员服务理念、服务意识不强，节水型社会建设任重道远。

 

4.3 测量结果

对20颗模拟红外星体的俯仰角和方位角分别进行了5次测量,对20组俯仰角数据(每组5个)以及20组方位角数据(每组5个)进行统计分析,发现其标准差均在3″～5″之间,因此俯仰角和方位角测量误差均小于5″,与理论分析值吻合。有一部分数据的测量误差在4″以内,小于理论分析值,这可解释为尽管星敏感器的单像素视场角为4″,但由于采用了高精度星像中心提取算法,使得测星精度实际上已经达到亚像素水平。

5 结 论

可见光模拟星体的角位置可以用经纬仪方便地标定,但对模拟红外星体的角位置测量目前还缺乏有效手段。为提高模拟红外星体的角位置测量精度,建立了一套基于平行光管的红外星模拟器,提出了以Leica TM6100A经纬仪为主要测量工具的高精度红外星体角位置测量方法,该方法的测量重复性优于5″。从误差分析可以看出,Leica TM6100A经纬仪对测量误差的影响很小,主要取决于星敏感器的测星误差,如果适当提高星敏感器的测星精度,则模拟红外星体角位置的测量精度将进一步提高。从测量方法中星敏感器的使用来看,只用到了星敏感器的光学系统和探测器部分,而这部分的测星精度远优于星敏感器整机的精度,因此,测量环节中的星敏感器并非提高测量精度的瓶颈所在。

本文仅对模拟红外星体角位置测量的随机误差进行了分析,对系统误差的分析是下一步的工作。

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