一種用于空間光學(xué)遙感儀器的兩維指向機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于空間光學(xué)遙感儀器的兩維指向機(jī)構(gòu)，兩維指向機(jī)構(gòu)由安裝機(jī)座、包括驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、高精度編碼器和諧波減速器的方位軸驅(qū)動(dòng)組件、包括伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高精度編碼器、諧波減速器和方位軸連接件的俯仰軸驅(qū)動(dòng)組件和指向鏡組件組成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：與傳統(tǒng)的兩維指向機(jī)構(gòu)相比具有指向精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、負(fù)載小、裝配難度低等特點(diǎn)；同時(shí)，其中一維可以360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，便于空間遙感儀器的在軌定標(biāo)等功能的實(shí)現(xiàn)。
【專利說(shuō)明】
-種用于空間光學(xué)遙感儀器的兩維指向機(jī)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及用于空間光學(xué)遙感儀器的新型高精度兩維指向機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用 于面陣光學(xué)遙感儀器的光學(xué)指向，用W增加面陣光學(xué)遙感儀器的觀測(cè)范圍。同時(shí)，由于該機(jī) 構(gòu)其中一維可W360°連續(xù)掃描，可W實(shí)現(xiàn)光學(xué)遙感儀器的光譜定標(biāo)，有利于遙感儀器的在 軌定量化應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得大規(guī)模的探測(cè)器陣列在光學(xué)遙感儀器中得 到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，遙感儀器的性能得到很大的提升，地面分辨率、光譜分辨率等得到 了大幅提高。同時(shí)，隨著面陣探測(cè)器的研制取得的突破，凝視型的光學(xué)遙感儀器也越來(lái)越受 到關(guān)注。特別是對(duì)于地球同步靜止軌道衛(wèi)星上的對(duì)地遙感儀器，由于其相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn) 小于低軌平臺(tái)，凝視成像是一種很好的圖像獲取方式。但是，凝視型光學(xué)遙感系統(tǒng)通常只有 很小的視場(chǎng)，一般多采用二維指向機(jī)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大觀測(cè)范圍。
[0003] 典型的兩維指向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)采用兩臺(tái)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)軸系組件通過(guò)一個(gè)U型結(jié)構(gòu)件化 型架)進(jìn)行連接，兩個(gè)軸系在空間上相互垂直，U型架與方位軸連接。為了增加俯仰軸系的剛 度，U型架往往設(shè)計(jì)較為笨重，同時(shí)會(huì)加大方位軸軸承預(yù)載，運(yùn)些措施無(wú)形中加大了方位軸 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。反饋控制系統(tǒng)一般采用光電編碼盤(pán)或高精度感應(yīng)同步器。.
[0004] 典型的兩維機(jī)構(gòu)是美國(guó)摩根公司為ADEOS-n衛(wèi)星設(shè)計(jì)的一個(gè)兩維指向機(jī)構(gòu)。該結(jié) 構(gòu)是一個(gè)典型的俯仰角一方位角構(gòu)造，并配W具有完整備份的高精度電子控制單元。方位 軸采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出軸軸承采用大預(yù)載W增加軸系剛性。方位軸上還包括一個(gè)用 于位置傳感的21位旋轉(zhuǎn)變壓器。而俯仰軸上配置的則是一個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)和20位增量式光 柵編碼器。該方案針對(duì)小視場(chǎng)的光學(xué)遙感儀器的兩維指向有一定的優(yōu)點(diǎn)。但是，隨著指向鏡 口徑的增大，俯仰軸系的剛度問(wèn)題(直接影響指向穩(wěn)定度），俯仰軸驅(qū)動(dòng)和位置檢測(cè)電纜的 引出對(duì)方位軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶來(lái)的力矩波動(dòng)問(wèn)題都有待進(jìn)一步的解決。
[0005] 隨著空間遙感的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)空間遙感儀器的要求越來(lái)越高。如不斷提高的地 面分辨率要求和大規(guī)模面陣探測(cè)器的應(yīng)用，使得遙感儀器的光學(xué)口徑越來(lái)越大。兩維指向 機(jī)構(gòu)的尺寸越來(lái)越大，重量越來(lái)越重，指向穩(wěn)定度也越來(lái)越高。為了解決運(yùn)一矛盾，有人提 出了另一種解決方案，采用兩套掃描鏡部件的方案。一套實(shí)現(xiàn)方位軸掃描，另一套完成俯仰 軸掃描。典型的應(yīng)用是我國(guó)研制的FY-4掃描福射計(jì)。該方案有其優(yōu)點(diǎn):分離了兩維掃描的運(yùn) 動(dòng)，有助于提高掃描機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度和降低裝配難度;有助于提高掃描穩(wěn)定度。但是，由于 采用了兩套機(jī)構(gòu)，兩塊掃描鏡。其重量和結(jié)構(gòu)尺寸代價(jià)也是巨大的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明結(jié)合了成熟的空間45°掃描機(jī)構(gòu)和圓錐掃描機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新的 實(shí)現(xiàn)兩維掃描的方法。
[0007] 在常用的空間掃描型遙感儀器中，45°鏡掃描機(jī)構(gòu)是最常見(jiàn)掃描機(jī)構(gòu)。如FY-1掃描 福射計(jì)、FY-3中分辨成像光譜儀和掃描福射計(jì)、HY-1系列上的水色掃描福射計(jì)等等，都成功 應(yīng)用了45°掃描機(jī)構(gòu)。45°掃描鏡的旋轉(zhuǎn)軸與遙感儀器的系統(tǒng)光軸重合，掃描鏡繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 掃描鏡法線形成一個(gè)半錐角為45°的空間圓錐。光軸經(jīng)45°掃描鏡反射在地面的掃描軌跡為 直線。
[0008] 圓錐掃描是另一種線視場(chǎng)掃描。掃描鏡與光軸成Θ角，掃描時(shí)，光軸經(jīng)反射鏡后在 地面掃描軌跡為圓形。當(dāng)衛(wèi)星的軌道高度確定后，角的大小直接決定遙感儀器的觀測(cè)范圍： 觀測(cè)半徑二滾道高度X化n(目）。
[0009] 將45°掃描機(jī)構(gòu)和圓錐掃描機(jī)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合，就可W實(shí)現(xiàn)2Θ(俯仰角）Χα(方位角） 范圍內(nèi)任意區(qū)域的觀測(cè)。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明原理所設(shè)計(jì)的兩維指向機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意如附圖1所示。
[0011] 空間光學(xué)遙感儀器的兩維指向機(jī)構(gòu)包括安裝機(jī)座、方位軸驅(qū)動(dòng)組件、俯仰軸驅(qū)動(dòng) 組件、指向鏡組件。
[0012] 所述的方位軸驅(qū)動(dòng)組件包括伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高精度編碼器和諧波減速器；
[0013] 所述的俯仰軸驅(qū)動(dòng)組件包括伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高精度編碼器、諧波減速器和方位軸 連接件；
[0014] 方位軸與俯仰軸成Θ角，Θ角的大小與俯仰指向范圍確定，方位軸驅(qū)動(dòng)組件通過(guò)方 位軸連接件安裝在俯仰驅(qū)動(dòng)組件的旋轉(zhuǎn)軸上，指向鏡組件安裝在方位旋轉(zhuǎn)軸上，指向鏡鏡 面與方位軸成45°角；
[0015] 伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)負(fù)載大小乘W3倍的安全系數(shù)選取直流無(wú)刷電機(jī)、力矩電機(jī)或 步進(jìn)電機(jī);高精度編碼器根據(jù)不同光學(xué)遙感儀器的指向精度要求選用不同精度等級(jí)的光電 碼盤(pán)、感應(yīng)同步器或旋轉(zhuǎn)變壓器;指向鏡具有輕量化結(jié)構(gòu)，材料根據(jù)遙感儀器光學(xué)設(shè)計(jì)需要 選用碳化娃或金屬被。
[0016] 本發(fā)明的高精度兩維指向機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：
[0017] 1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，除(俯仰和方位)電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件外，僅有兩個(gè)零件(指向鏡連接件和方 位軸連接件)組成。所有尺寸精度和公差均由機(jī)加工保證；
[0018] 2.裝配簡(jiǎn)單，電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件自成模塊，可W獨(dú)立完成裝配，有利于確保整個(gè)指向機(jī) 構(gòu)的裝配質(zhì)量和運(yùn)轉(zhuǎn)精度；
[0019] 3.方位軸360°連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可W有效使用未成像區(qū)域，布置儀器的在軌定標(biāo)源，提高 儀器的使用性能；
[0020] 4.方位軸系電機(jī)及控制回路電纜通過(guò)中空的俯仰軸穿線，使得線纜的運(yùn)動(dòng)附加力 矩最小，切力矩波動(dòng)最小，有利于指向鏡的高精度控制。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]附圖1高精度指向鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0022] 1、俯仰軸組件； 2、機(jī)構(gòu)安裝機(jī)座
[0023] 3、方位軸連接組件； 4、方位軸組件；
[0024] 5、指向鏡連接組件； 6、指向鏡；
[0025] 7、方位軸控制及驅(qū)動(dòng)電纜；8、俯仰軸控制及驅(qū)動(dòng)電纜；
[0026] 附圖2兩維指向角度示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖予W詳細(xì)描述，W便能更好地說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功能特點(diǎn)， 而不是限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028] 附圖1詳細(xì)標(biāo)識(shí)了本發(fā)明一一高精度兩維指向機(jī)構(gòu)構(gòu)成。機(jī)構(gòu)主要包括:俯仰軸組 件、方位軸組件、俯仰和方位連接組件和指向鏡組件等。下面進(jìn)行詳細(xì)的論述，俯仰軸組件 和方位軸組件的構(gòu)成是一樣的，都包括:驅(qū)動(dòng)電機(jī)、反饋控制檢測(cè)元件和減速器等。區(qū)別在 于：由于方位軸組件相對(duì)于俯仰軸系來(lái)講是負(fù)載，因此俯仰軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率要大于方位 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0029] 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取，選取的原則主要根據(jù)負(fù)載(對(duì)于方位軸主要是指向鏡組件;俯仰 軸主要是方位軸組件+指向鏡組件)大小、指向速度W及減速器的減速比等因素來(lái)確定。電 機(jī)的種類(lèi)主要包括:力矩電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。
[0030] 反饋控制檢測(cè)單元的選取:針對(duì)高指向精度的兩維指向機(jī)構(gòu)，必須進(jìn)行閉環(huán)控制， 才能達(dá)到高精度指向的目標(biāo)。目前常用的高精度角度傳感器包括:光柵編碼盤(pán)、感應(yīng)同步器 和旋轉(zhuǎn)變壓器。而選取原則主要根據(jù)指向精度的指標(biāo)，感應(yīng)同步器檢測(cè)精度可W做到1";選 裝變壓器檢測(cè)精度:5-10";光柵編碼盤(pán)可W做到0.5" W上。
[0031] 減速器的選?。簻p速器主要包括：行星齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器和諧波減速 器。諧波減速器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、減速比大，尺寸緊湊。是兩維指向機(jī)構(gòu)的首選。機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)減 速器環(huán)節(jié)，除了可W有效提供機(jī)構(gòu)的輸出力矩(電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩X減速比）、提高定位精度(電 機(jī)控制精度/減速比），還可W與步進(jìn)電機(jī)配合使用，達(dá)到軸系自鎖的功能。同時(shí)，由于諧波 減速器的研究發(fā)展W及機(jī)械加工能力的提升，諧波減速器的傳動(dòng)精度和空回大幅提高。完 全滿足目前高精度指向的需求。
[0032] 如上所述，為了提高指向機(jī)構(gòu)控制精度和驅(qū)動(dòng)力矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、反饋控制單元、諧 波減速器串行安裝，反饋控制單元安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)端。
[0033] 方位軸連接組件是連接方位軸組件和俯仰軸組件的部件。該組件一端固定在俯仰 軸組件的輸出端，另一段固定方位軸組件。為了進(jìn)一步提高加工精度和裝配難度，該組件可 W設(shè)計(jì)成上下兩段，下端提供與俯仰軸的安裝接口，上端提供與方位軸的安裝接口。
[0034] 指向鏡組件連接件是連接方位軸輸出軸與指向鏡組件的連接零件。
[0035] 高精度兩維指向機(jī)構(gòu)的裝配可W通過(guò)模塊化裝配和檢測(cè)完成。方位軸組件和驅(qū)動(dòng) 軸組件相對(duì)獨(dú)立?？蒞完全并行裝配和檢測(cè)。避免了傳統(tǒng)兩維指向機(jī)構(gòu)的串行裝配和精度 相互干設(shè)的情況發(fā)生。
[0036] 兩維指向機(jī)構(gòu)指向的計(jì)算：
[0037] 傳統(tǒng)的兩維指向機(jī)構(gòu)采用正交的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)。對(duì)地的指向可W通過(guò)球坐標(biāo)系 (R，a，0)表示。α角定義為俯仰軸相對(duì)于零點(diǎn)(一般指星下點(diǎn)）的垂直轉(zhuǎn)角。Θ角定義為方位軸 相對(duì)于零點(diǎn)(星下點(diǎn)）的水平轉(zhuǎn)角，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)應(yīng)地面投影如附圖2所示。
[0038] 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的兩維指向機(jī)構(gòu)指向的計(jì)算稍顯復(fù)雜。
[0039] 遙感相機(jī)的二維指向過(guò)程中指向鏡的旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)可W用反射鏡法線矢量繞轉(zhuǎn)軸 方向矢量的旋轉(zhuǎn)來(lái)描述。
[0040] 設(shè)法線矢量Ν繞空間中另一矢量Ρ旋轉(zhuǎn)Θ角（Θ的符號(hào)根據(jù)Ρ按右手螺旋定則確定)后 得到矢量滬。為簡(jiǎn)化分析，設(shè)N和P均為自由矢量，可W任意平移。現(xiàn)將N平移至和P具有相同 起點(diǎn)的位置，則轉(zhuǎn)動(dòng)Θ角后得到的矢量妒為
[0041] Ν' =(N · P)P+[N-(N · P)P]cos目-(NXP)sin白
[0042] =化os目+(l-cos目）（N · P)P-(NXP)sin白
[0043] 設(shè)N、妒和P分別用其在空間直角坐標(biāo)系化yzS個(gè)坐標(biāo)軸上的分量來(lái)表示，
[0044]
[0047]表示成矩陣形式為：
[004引 N'=Sp,eN
[0049]其中Sp,e表示繞P轉(zhuǎn)動(dòng)Θ角的轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣。
[(K)加 ]
[0化1] 可W證明Sp,e是正交矩陣，且有
[0化2]
[0053] 現(xiàn)假設(shè)法線矢量旋轉(zhuǎn)時(shí)，坐標(biāo)系Oxyz-起繞P旋轉(zhuǎn)Θ而成為坐標(biāo)系，將旋轉(zhuǎn)前的坐標(biāo) 系Oxyz改稱為OXmymZm，〇社yf Zf，現(xiàn)J
[0054] (Ν')f = Sp,0(N)f
[0055] (N)f = Sp,-0(N')f
[0化6] 如果N先后繞矢量Pl，P2……Pn分別旋轉(zhuǎn)目1，目2……目η則最終得到的矢量N/表達(dá)式 為：
[0化7]
[005引因此，多次旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)變換矩陣：
[0化9]
[0060]由于滬和0Xm，ym，Zm固定在一起旋轉(zhuǎn)，因此，滬在0Xm，ym，Zm坐標(biāo)系中的反射矩陣 (lOm在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中保持不變，等于N在0村，yf，zf，Oxyz中的反射矩陣(R)f，因此在0xm，ym，zm 坐標(biāo)系中光線的反射表示為：
[0061 ] (A' )m= (R' )m(A)m= (R)f(A)m
[0062] 即
[0063]
[0064] 于是得到反射鏡經(jīng)多次旋轉(zhuǎn)后原坐標(biāo)系中的反射光矢量表達(dá)式：
[00化]A' =grg-ia
[0066] 其中G為坐標(biāo)變換矩陣：
[0067]
[0068] 上式可W給出在衛(wèi)星坐標(biāo)系中入射和出射光矢量之間的關(guān)系，從而分析相機(jī)的二 維指向特性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于空間光學(xué)遙感儀器的兩維指向機(jī)構(gòu)，包括安裝機(jī)座、方位軸驅(qū)動(dòng)組件、俯仰 軸驅(qū)動(dòng)組件、指向鏡組件，其特征在于： 所述的方位軸驅(qū)動(dòng)組件包括伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高精度編碼器和諧波減速器； 所述的俯仰軸驅(qū)動(dòng)組件包括伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高精度編碼器、諧波減速器和方位軸連接 件； 方位軸與俯仰軸成Θ角，Θ角的大小與俯仰指向范圍確定，方位軸驅(qū)動(dòng)組件通過(guò)方位軸 連接件安裝在俯仰驅(qū)動(dòng)組件的旋轉(zhuǎn)軸上，指向鏡組件安裝在方位旋轉(zhuǎn)軸上，指向鏡鏡面與 方位軸成45°角； 伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)負(fù)載大小乘以3倍的安全系數(shù)選取直流無(wú)刷電機(jī)、力矩電機(jī)或步進(jìn) 電機(jī)；高精度編碼器根據(jù)不同光學(xué)遙感儀器的指向精度要求選用不同精度等級(jí)的光電碼 盤(pán)、感應(yīng)同步器或旋轉(zhuǎn)變壓器;指向鏡具有輕量化結(jié)構(gòu)，材料根據(jù)遙感儀器光學(xué)設(shè)計(jì)需要選 用碳化硅或金屬鈹。
【文檔編號(hào)】B25J9/16GK105835057SQ201610236137
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】劉曉華, 李峰, 鄭庚
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所