This research proposes a star tracker calibration method with star images taken by using Earth's rotation. A star tracker is one of the attitude estimating sensor, and the prelaunch calibration process is necessary to output the accurate attitude of sensor. Attitude-dependent calibration approaches calibrate the optical structural parameters and sensor's attitude simultaneously. If the number of star images taken is increased for reducing the effects of measurement noise, the dimension of calibration equation becomes larger to calibrate individual attitude of star image. This induces the low stability of calibration algorithm. If there exists the correlation among star images, all attitudes of star images can be calibrated with only one attitude information. Since the Earth rotation is well-modeled by astrophysics, the star images taken by a star tracker fixed on Earth can be correlated by using Earth rotation model. In this study, the calibration equation simplified by applying Earth rotation model is derived. The simulation result shows the applicability of the proposed calibration approach. Also, the method for recording precise capture time in an outdoor experiment is introduced. The experiment results demonstrates the improved performance of optical parameter calibration with low-cost equipment.
본 연구에서는 지구의 자전을 이용해 촬영한 별 사진으로 별 추적기의 광학 매개변수를 보정하는 방법을 제안한다. 별 추적기는 인공위성 자세 추정 센서 중 하나로, 임무 중 정확한 자세를 출력하기 위하여 발사 전에 초기 보정을 수행한다. 자세 의존 보정 방식은 광학 매개변수와 촬영된 사진의 자세를 보정하는데, 별 사진에 포함된 잡음의 영향을 최소화하기 위해 많은 사진을 촬영하여 모든 사진의 자세를 각각 보정하면 보정 방정식의 차원이 함께 증가하여 보정 방식의 안정성이 떨어질 수 있다. 만약 촬영된 별 사진들의 자세에 상관관계가 존재한다면, 단 하나의 자세 정보로부터 모든 사진의 자세를 보정할 수 있다. 지구의 회전운동은 천체물리학으로부터 매우 정밀하게 모델링되어 있기 때문에, 별 추적기를 지표면에 고정하여 연속적으로 촬영한 별 사진의 자세는 지구 자전 모델로부터 상호 연관될 수 있다. 본 논문에서는 지구 자전 모델을 이용하여 간소화된 광학계 보정 방정식을 유도한다. 별 사진 촬영 시뮬레이션으로부터 제시된 보정 방식의 적용 가능성을 확인하였다. 또한 정확한 촬영 시각 기록을 위한 야외 실험 설계를 소개한다. 저비용 상용부품으로 구성된 촬영 실험의 결과로부터 광학 매개변수 보정의 성능이 다양한 성능 지표애서 개선되었음을 검증하였다.
