專利名稱：低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于航天器自主導(dǎo)航姿態(tài)和軌道測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)，具體 地說(shuō)是涉及一種低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在航天器自主導(dǎo)航領(lǐng)域，存在多種自主導(dǎo)航姿態(tài)和位置信息測(cè)量系統(tǒng)和方法，如美國(guó)Honeywell Inc公司于1993年9月20日申請(qǐng)的歐洲專利公開(kāi)號(hào)EP 0589 387 Al 乂〉開(kāi)了名稱為"Method and System for Determining 3 Axis Spacecraft Attitude"，即"三軸航天器姿態(tài)確定方法與系統(tǒng)，，。采用 280nm 300nm語(yǔ)段的紫外光探測(cè)地球邊緣紫外輻射輪廓，確定地心的俯仰和 滾動(dòng)姿態(tài)信息，利用同一個(gè)探測(cè)器探測(cè)垂直于光軸方向的恒星矢量方向來(lái)確定 偏航姿態(tài)信息。系統(tǒng)采用折轉(zhuǎn)反射鏡壓縮視場(chǎng)，采用雙半球加光纖轉(zhuǎn)像器對(duì)大 視場(chǎng)曲面像面進(jìn)行成像。采用數(shù)據(jù)處理器對(duì)采集到的地球和恒星圖像信息進(jìn)行 處理，獲取3軸姿態(tài)信息。該方案雖然解決了三軸姿態(tài)和軌道高度的測(cè)量問(wèn)題。 但是存在的不足是，采用紫外譜段的光學(xué)系統(tǒng)材料較少，采用半球結(jié)構(gòu)透鏡和 光纖傳像過(guò)于復(fù)雜，成本高；光纖傳像和像增強(qiáng)器結(jié)合會(huì)帶來(lái)附加噪聲，降低 精度。美國(guó)NASA在其新盛世計(jì)劃中公布了一項(xiàng)研究計(jì)劃，稱之為"慣性星陀螺，， (Inertial Stellar Compass ),采用星敏感器和MEMS陀螺組合設(shè)計(jì)，利用星 敏感器的高精度姿態(tài)信息近實(shí)時(shí)校正陀螺的飄移。該方案的不足是，星敏感器 是單個(gè)的，在光軸方向上能夠提供較高的精度，但是在垂直于光軸的方向上精 度下降近1個(gè)量級(jí)，因此對(duì)于該方向的MEMS P^螺飄移校正精度就受到影響。"系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)"2005年3月Vol.l7,No3, P529發(fā)表的文章"組合大視場(chǎng)星敏感器星光折射衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法及其仿真"所述敏感器采用3個(gè)普通星敏 感器空間相交120。角構(gòu)成組合式系統(tǒng)，同時(shí)觀測(cè)地球邊緣的3顆恒星，根據(jù)大 氣折射模型推出精確的地心矢量。該方案的不足之處在于采用了 3個(gè)星敏感器， 成本較高，使得3個(gè)星敏感器的光軸相交調(diào)整高精度實(shí)現(xiàn)困難。美國(guó)Microcosm 7>司研制了 一種自主導(dǎo)航系統(tǒng)MANS (Microcosm Autonomous Navigation System ),其中包括地球敏感器、太P曰和月亮敏感器、 星敏感器、陀螺和加速度計(jì)，由于是多敏感器聯(lián)合確定三軸姿態(tài)和位置，所以 精度很高。但是系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，而且采用了帶有活動(dòng)部件的雙圓錐地球敏感器， 成本高。本發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種低軌道航天器的近紅 外光成像式自主導(dǎo)航敏感器系統(tǒng)，其主要解決低軌道航天器不依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)的三軸姿態(tài)和軌道高度一體化高精度實(shí)時(shí)測(cè)量問(wèn)題。該敏感器不采用半球 透鏡和像轉(zhuǎn)換器，而采用大視場(chǎng)平場(chǎng)近紅外透鏡或者反射式大視場(chǎng)鏡頭設(shè)計(jì)與 折轉(zhuǎn)反射鏡組合技術(shù)克服了美國(guó)紫外敏感器存在的紫外光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜和成本 高的缺點(diǎn)，消除了以往自主導(dǎo)航敏感器各自方案的不足，諸如由分散式多敏感 器和復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)帶來(lái)的成本高、由單一光學(xué)敏感器與三軸MEMS陀螺結(jié)合 設(shè)計(jì)帶來(lái)的三軸精度不一致、由像轉(zhuǎn)換器帶來(lái)的精度退化、由多敏感器分布安 裝帶來(lái)的重量體積大等缺陷。本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明所提供的低軌道航天 器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器系統(tǒng)包括包括光學(xué)測(cè)量成像組件、紅外光 探測(cè)器焦平面組件、慣性測(cè)量組件、信息處理與誤差校正處理單元組件；其中 所述的光學(xué)測(cè)量成像組件包括成像鏡頭，恒星成像的折轉(zhuǎn)反射鏡和地球成像折 轉(zhuǎn)反射鏡。所述的探測(cè)器焦平面組件的探測(cè)器的光敏面安裝在光學(xué)測(cè)量成像組 件的成像面上，探測(cè)器焦平面組件將固定在敏感器系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)上。所述的 MEMS慣性測(cè)量組件則包括3個(gè)正交安裝的MEMS陀螺和3個(gè)正交安裝的加 速度計(jì)，光學(xué)測(cè)量坐標(biāo)系的每個(gè)軸方向分別平行于3個(gè)正交安裝的MEMS陀 螺和3個(gè)正交安裝的加速度計(jì)(具體安裝方式參見(jiàn)下面結(jié)合圖3所描述的內(nèi)容)。所述的信息處理與誤差校正處理單元組件是采用信息處理器對(duì)各個(gè)敏感器信息進(jìn)行處理，然后將星敏感器測(cè)量信息用于MEMS陀螺的零漂移校正。 最后由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊接口輸出近實(shí)時(shí)高精度三軸姿態(tài)信息和軌道高度信息。本 發(fā)明星敏感器i普段選擇盡可能寬，例如可以采用從可見(jiàn)光到近紅外譜段，在這 一譜段的恒星數(shù)量足夠供識(shí)別之用。地球近紅外譜段選為中心波長(zhǎng)大于1000nm，譜段寬度小于20nm的光譜。 這樣可以保證全天時(shí)的測(cè)量功能。一體化設(shè)計(jì)的低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器系統(tǒng)中的 星敏感器和近紅外光靜態(tài)成像式地球敏感器通過(guò)采用透過(guò)率區(qū)域變化濾光片 共用所述的光學(xué)成像組件和紅外光探測(cè)器焦平面組件，所述的透過(guò)率區(qū)域變化 濾光片緊靠探測(cè)器窗口安裝，探測(cè)器視場(chǎng)分割使用，邊緣區(qū)域?yàn)榻t外光靜態(tài) 成像式地球敏感器使用，用來(lái)對(duì)地球近紅外輻射帶成像，中心區(qū)域?yàn)樾敲舾衅?使用，用來(lái)對(duì)恒星成像。所述的星敏感器是一種通過(guò)對(duì)恒星成像提取與標(biāo)準(zhǔn)星 圖庫(kù)匹配得到其光軸相對(duì)于慣性空間的指向矢量的；所述的近紅外光靜態(tài)成像 式地球敏感器是一種通過(guò)對(duì)地球成像提取地球中心矢量的。上述星敏感器和近 紅外光靜態(tài)成4象式地球敏感器都擁有共同的4象面坐標(biāo)系，其Z軸沿光軸指向地 球方向，其X軸和Y軸分別與探測(cè)器陣列的行和列方向一致。3個(gè)MEMS陀 螺都是采用MEMS技術(shù)制造的微型機(jī)電陀螺，它們分別安裝在與像面坐標(biāo)系 三個(gè)軸平行的三個(gè)正交軸方向上。3個(gè)MEMS加速度計(jì)都采用MEMS技術(shù)制 造的測(cè)量運(yùn)動(dòng)加速度的微型機(jī)電器件，重量非常輕，三個(gè)安裝軸與星敏感器像 面坐標(biāo)系三個(gè)軸方向一致。以上MEMS陀螺和MEMS加速度計(jì)均屬于MEMS 慣性測(cè)量組件，它們的安裝軸與星敏感器和近紅外光靜態(tài)成像式地球敏感器像 面坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸方向一致，以利于同基準(zhǔn)測(cè)量。一體化設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有重量輕、體積小、功耗低、精度高、數(shù)據(jù)更新率 高、成本低等特點(diǎn)。下面就有關(guān)本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及詳細(xì)說(shuō)明，現(xiàn)配合附圖和所給出的實(shí) 施例進(jìn)4亍:說(shuō)明如下。


圖1低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器光學(xué)測(cè)量部分方案 原理圖；圖3為光學(xué)測(cè)量部分像面坐標(biāo)系與MEMS陀螺和MEMS加速度計(jì)測(cè)量 軸的關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施方式
參看圖1-圖3,其圖1所示為低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航 敏感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，所述的低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感 器系統(tǒng)包括光學(xué)測(cè)量成像組件l、探測(cè)器焦平面組件2、慣性測(cè)量組件3、信息 處理與誤差校正處理單元組件4。圖1中5是地球近紅外視見(jiàn)平面，6為恒星， 7地球邊緣成4象子系統(tǒng)。所述的光學(xué)測(cè)量成像組件l，其包括成像鏡頭，恒星成像的折轉(zhuǎn)反射鏡23 和地球成像折轉(zhuǎn)反射鏡24、 25,可以將環(huán)繞光軸分布的多個(gè)子成像系統(tǒng)的24 和25或二者之一制成一體化多棱錐零件型式，剩下的沒(méi)有制成棱錐的零件制 成平面反射鏡，以便于安裝和對(duì)準(zhǔn)，在零件外側(cè)表面鍍上光學(xué)系統(tǒng)所要求的反 射膜，24、 25的安裝應(yīng)嚴(yán)格按照成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，保證視場(chǎng)指向。所 述的探測(cè)器焦平面組件2的探測(cè)器的光敏面安裝在光學(xué)測(cè)量成像組件1的成像 面上，探測(cè)器焦平面組件2將固定在敏感器系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)上。所述的MEMS 慣性測(cè)量組件3則包括3個(gè)正交安裝的MEMS陀螺和3個(gè)正交安裝的加速度 計(jì)，光學(xué)測(cè)量坐標(biāo)系的每個(gè)軸方向分別平行于3個(gè)正交安裝的MEMS陀螺和3 個(gè)正交安裝的加速度計(jì)(具體安裝方式參見(jiàn)下面結(jié)合圖3所描述的內(nèi)容)。所 述的信息處理與誤差校正處理單元組件4是采用信息處理器對(duì)各個(gè)敏感器信息 進(jìn)行處理，然后將星敏感器測(cè)量信息用于MEMS陀螺的零漂移校正。最后由 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊接口輸出近實(shí)時(shí)高精度三軸姿態(tài)信息和軌道高度信息。其中所述的恒星成像的折轉(zhuǎn)反射鏡23和地球成像折轉(zhuǎn)反射鏡24、 25，其主要作用是通過(guò)折轉(zhuǎn)反射鏡將測(cè)量系統(tǒng)分為兩個(gè)通道，這兩個(gè)通道可以正交， 也可以不正交，根據(jù)使用需求而定。按照下述的發(fā)明公式(3)和發(fā)明公式(4)確定兩個(gè)通道的透射特性，使得地球和恒星能夠同時(shí)成像在同一個(gè)探測(cè)器上， 而且具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。探測(cè)器選擇響應(yīng)近紅外光譜段的光電探測(cè)器件，如可以采用近紅外CCD(Charge Coupled Devices,電荷耦合器件)，也可以采用 近紅外APS ( Active Pixel Sensor,有源像素傳感器)。參看圖l所示，所述的低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器方 案包括光學(xué)測(cè)量部分、慣性測(cè)量部分、信息處理與校正三個(gè)功能模塊。對(duì)于光學(xué)測(cè)量模塊，由于地球張角較大， 一般大于120。，所以采用單一鏡 頭成像將造成分辨率降低，精度下降，而且過(guò)大的視場(chǎng)角會(huì)使邊緣視場(chǎng)像面照 度下降幅度過(guò)大，造成不匹配。因此對(duì)于低軌道衛(wèi)星的自主導(dǎo)航敏感器測(cè)量光 學(xué)系統(tǒng)要設(shè)計(jì)成復(fù)合^L場(chǎng)，如可以在視場(chǎng)圓周方向上通過(guò)折轉(zhuǎn)反射鏡構(gòu)建若干 個(gè)如6個(gè)到8個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)分別對(duì)地球的一部分邊緣成像，地球整個(gè) 邊緣提取要通過(guò)多個(gè)子系統(tǒng)成像提取再變換合成得到。中心視場(chǎng)區(qū)域?yàn)楹阈浅?像區(qū)域，邊緣視場(chǎng)區(qū)域?yàn)榈厍虺上駞^(qū)域。低軌道敏感器單個(gè)地球邊緣成像子系統(tǒng)和恒星成像通道復(fù)合的原理圖參 見(jiàn)附圖2。 7為單個(gè)子成像系統(tǒng)視場(chǎng)范圍，可見(jiàn)在地球近紅外視見(jiàn)平面徑向方 向上覆蓋了地球邊緣及其周圍地域，在繞光軸360°范圍內(nèi)均勻分布若干個(gè)如6 個(gè)同樣的子成像系統(tǒng)。這樣通過(guò)地球成像折轉(zhuǎn)反射鏡24和25折轉(zhuǎn)在探測(cè)器像 面可以得到相應(yīng)數(shù)量的地球邊緣局部圖像，如圖2中9所示。光學(xué)成4象系統(tǒng)是 同一個(gè)，兩個(gè)通道靠著轉(zhuǎn)反射鏡通過(guò)視場(chǎng)分割來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)通道的交角可以隨 使用要求確定。成像鏡頭的透過(guò)是對(duì)于近紅外光光譜的。兩個(gè)通道的光亮度平 衡通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn) 一是調(diào)整兩個(gè)通道的入口和折轉(zhuǎn)反射鏡之間的光學(xué)透過(guò) 率來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是通過(guò)在探測(cè)器像平面附近加透過(guò)率區(qū)域變化濾光片實(shí)現(xiàn)，這種 濾光片對(duì)于同樣的近紅外光i普段在中心區(qū)域和邊緣區(qū)域具有不同的透過(guò)率，在 中心恒星成像圓形區(qū)域的透過(guò)率盡可能大，在地球成像邊緣環(huán)形視場(chǎng)內(nèi)的透過(guò) 率要減小到適當(dāng)?shù)姆秶?。設(shè)探測(cè)器的響應(yīng)包括近紅外的鐠段為從h到；u，設(shè)光學(xué)成像鏡頭部分的 光譜透過(guò)率為/Y;i),探測(cè)器光謙響應(yīng)率為irw，地球成像子系統(tǒng)除了鏡頭以 外部分透過(guò)率為re(^人恒星成像通道除了鏡頭外的部分透過(guò)率為r<;U，在 入射敏感器前地球的亮度范圍從弱到強(qiáng)為丄^~a,探測(cè)的最弱恒星在入射敏感器前的亮度范圍從弱到強(qiáng)為^/ 丄《,探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍為"，地球通道的綜合能量轉(zhuǎn)換系數(shù)為^，恒星通道的綜合能量轉(zhuǎn)換系數(shù)為^，則有〖2尸(季(義)7;(義;ne'......................................................(i)V (， = e2......................................................(2)...............................................................................(3)込(^+^)ag,(^2+^)..................................................(4)選擇確定re和"，使得上面不等式(3)和近似式(4)成立。3個(gè)互為正交的MEMS陀螺各自的測(cè)量軸安裝要求分別與探測(cè)器成像坐 標(biāo)系三個(gè)軸x、 y、 z平行，它們各自產(chǎn)生的零漂移誤差分別由星敏感器測(cè)量信 息校正，校正方法采用濾波方法，如擴(kuò)展的卡爾曼濾波方法。敏感器將輸出3 個(gè)MEMS陀螺的近實(shí)時(shí)角速率和姿態(tài)角信息，誤差校正和信息處理將在信息 處理與誤差校正處理單元中完成。3個(gè)互為正交的MEMS加速度計(jì)的安裝方式與3個(gè)MEMS陀螺相同，也 是將3個(gè)測(cè)量軸分別平行于成像坐標(biāo)系三個(gè)軸x、 y、 z。 3個(gè)加速度計(jì)分別測(cè) 量x、 y、 z三個(gè)軸的瞬時(shí)加速度，由此兩次積分得到衛(wèi)星相對(duì)初始位置的位移 參量。以上計(jì)算在信息處理與誤差校正處理單元中完成。信息處理與誤差校正處理單元組件是敏感器的信息處理器，負(fù)責(zé)恒星通道 的星圖匹配和地球通道的地心矢量和地球視角半徑提取，還負(fù)責(zé)恒星敏感器測(cè) 量的恒星矢量對(duì)MEMS陀螺的零漂移校正和加速度計(jì)的積分運(yùn)算。該方案將光學(xué)姿態(tài)和地球視角半徑測(cè)量與慣性姿態(tài)和加速度測(cè)量結(jié)合在 一起，統(tǒng)一了測(cè)量基準(zhǔn)，減小了測(cè)量系統(tǒng)地系統(tǒng)誤差；同時(shí)對(duì)MEMS陀螺的 零漂移近實(shí)時(shí)校正提高了測(cè)量精度。由星敏感器和地球敏感器可以得到高精度 的恒星矢量和地心矢量，因此可以得到高精度的三軸姿態(tài)測(cè)量結(jié)果，同時(shí)利用 地球敏感器通道可以測(cè)量出地球的視角半徑，再通過(guò)地球圖4象提取和光學(xué)性能 參數(shù)測(cè)試結(jié)果可以推算出來(lái)飛行軌道高度，但是它們是離散值。采用三軸 MEMS陀螺可以得到非常高的姿態(tài)變化分辨率，但是它存在較大的零值漂移， 因此只要校正了零漂移就可以得到高精度的MEMS陀螺姿態(tài)測(cè)量結(jié)果。由于 MEMS陀螺與星敏感器和地球敏感器測(cè)量像面坐標(biāo)軸平行安裝，因此具有與星敏感器同測(cè)量基準(zhǔn)，由星敏感器測(cè)量的高精度慣性空間姿態(tài)可以很好地校正MEMS陀螺的漂移，這是本方案的一個(gè)特點(diǎn)。在全陰影區(qū)的導(dǎo)航測(cè)量不受近紅外光譜段的限制，地球近紅外輻射能量很 強(qiáng)，足夠使地球敏感器繼續(xù)工作，只不過(guò)地球邊緣輻射強(qiáng)度變化在陽(yáng)照區(qū)和陰 影區(qū)不同。在陽(yáng)照區(qū)和陰影區(qū)之間存在地球邊緣近紅外輻射層寬度變化，將對(duì) 姿態(tài)提取精度有影響，為減小其影響，這段較小的時(shí)間間隔可以采用軌道外推 算法和加速度計(jì)測(cè)量衛(wèi)星相對(duì)位移變化，進(jìn)行基于星敏感器、MEMS陀螺、 MEMS加速度計(jì)的自主導(dǎo)航。所涉及的發(fā)明方案解決了靜態(tài)自主導(dǎo)航測(cè)量的高 精度、近實(shí)時(shí)、低成本、全自主、全天時(shí)等問(wèn)題，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1) 恒星敏感器和地球敏感器采用近紅外光i普段可兼顧陽(yáng)照區(qū)和陰影區(qū)姿態(tài)測(cè)量，增強(qiáng)了敏感器功能；(2) 采用發(fā)明所涉及的分光板光鐠透過(guò)段的優(yōu)化分配方法可以兼顧不同 亮度的測(cè)量目標(biāo)采用同 一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)和同 一個(gè)探測(cè)器成像。(3) 采用星敏感器、地球敏感器、MEMS陀螺、MEMS加速度計(jì)同基準(zhǔn) 安裝可以減小測(cè)量的系統(tǒng)誤差，提高測(cè)量精度。(4) 采用MEMS陀螺、MEMS加速度計(jì)可以使得在地球陽(yáng)照和陰影交 界附近的姿態(tài)和位置測(cè)量精度得到提高；(5) 采用星敏感器高精度測(cè)量信息隨時(shí)校正陀螺的零漂移，可以得到近 實(shí)時(shí)的高精度三軸姿態(tài)信息。(6) 采用光學(xué)和慣性測(cè)量組合一體化設(shè)計(jì)可以減小尺寸重量和功耗，多 敏感器信息處理與誤差校正處理可以節(jié)約資源，發(fā)揮信息融合的優(yōu) 勢(shì)。可以全天時(shí)完成全自主導(dǎo)航測(cè)量，在陽(yáng)照區(qū)和陰影區(qū)均可以采用星敏感 器、地球敏感器、MEMS陀螺和加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)全自主測(cè)量。光學(xué)測(cè)量成像組件l主要是對(duì)于地球和恒星成像的，由于低軌道應(yīng)用，要求對(duì)地球成像具有足夠大的視場(chǎng)角，采用折轉(zhuǎn)反射鏡壓縮成像視場(chǎng)，例如可以使超過(guò)110。-150。的環(huán)形視場(chǎng)壓縮在30。到70。范圍內(nèi)。如圖2所示，恒星敏感 通道通過(guò)恒星成像的折轉(zhuǎn)反射鏡23轉(zhuǎn)折到成像鏡頭的中心成像區(qū)域，地球邊 緣視場(chǎng)范圍7通過(guò)地球成像折轉(zhuǎn)反射鏡24、 25壓縮到成像鏡頭視場(chǎng)以內(nèi)，并 成像到探測(cè)器像面21的外部邊緣環(huán)形視場(chǎng)內(nèi)。能夠在地球成像視場(chǎng)以外再擴(kuò) 展一個(gè)環(huán)形視場(chǎng)，使得恒星在環(huán)形視場(chǎng)內(nèi)成像，地球通道視場(chǎng)和恒星通道視場(chǎng) 的大小確定主要以全天球任何一次捕獲恒星在探測(cè)器上成像數(shù)量不少于3顆的 概率大于99%為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)要求地球邊緣像外留有不小于5。的余地。對(duì)于地 球圖像主要提取邊緣信息并擬合出來(lái)地心矢量和計(jì)算地球視角半徑。對(duì)于恒星 圖像主要提取星點(diǎn)能量中心坐標(biāo)進(jìn)行星圖匹配提取恒星矢量。由于地球張角較大，隨著軌道高度而不同，如一般大于120。，所以采用單 一鏡頭成像將造成分辨率降低，精度下降，而且過(guò)大的視場(chǎng)角會(huì)使邊緣視場(chǎng)像 面照度下降幅度過(guò)大，造成不匹配。因此對(duì)于低軌道衛(wèi)星的自主導(dǎo)航敏感器測(cè) 量光學(xué)系統(tǒng)要設(shè)計(jì)成復(fù)合視場(chǎng)，即在視場(chǎng)圓周方向上通過(guò)折轉(zhuǎn)反射鏡構(gòu)建若干 個(gè)如6個(gè)到8個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)分別對(duì)地球的一部分邊緣成像，地球整個(gè) 邊緣提取要通過(guò)多個(gè)子系統(tǒng)成像提取再變換合成得到。中心視場(chǎng)區(qū)域?yàn)楹阈浅?像區(qū)域，邊緣視場(chǎng)區(qū)域?yàn)榈厍虺上駞^(qū)域。低軌道敏感器單個(gè)地球邊緣成像子系統(tǒng)和恒星成像通道復(fù)合的原理圖參 見(jiàn)圖2。圖中21為成像光學(xué)系統(tǒng)；22為探測(cè)器成像面；23為恒星成像通道折轉(zhuǎn) 反射鏡；24為地球成像通道子成像系統(tǒng)折轉(zhuǎn)反射鏡之一；25為地球成像通道 子成像系統(tǒng)折轉(zhuǎn)反射鏡之二； 6為被成像恒星；7為地球成像通道子成像系統(tǒng) 視場(chǎng)范圍；8為地球視平面(在軌道上觀測(cè)點(diǎn)所視見(jiàn)的地球平面)；9為成像 面內(nèi)地球圖像；IO為成像面內(nèi)恒星圖像；11為各個(gè)子成像系統(tǒng)的分界結(jié)構(gòu)在 成像面上的投影。圖3表示了光學(xué)測(cè)量部分4象面坐標(biāo)系與MEMS陀螺和MEMS加速度計(jì)測(cè) 量軸的關(guān)系。31為探測(cè)器成像面，其坐標(biāo)系xyz作為測(cè)量基準(zhǔn)，探測(cè)器的光敏面安裝在光學(xué)系統(tǒng)的成像面上，并固定在敏感器的支撐結(jié)構(gòu)上。32為恒星敏感器和地球敏感器共用光學(xué)系統(tǒng)(即鏡頭)；3為MEMS慣性測(cè)量組件，包括3個(gè)正交安裝的MEMS陀螺和3個(gè)正交 安裝的加速度計(jì)，光學(xué)測(cè)量坐標(biāo)系的每個(gè)軸方向分別平行于3個(gè)正交安裝的 MEMS陀螺和3個(gè)正交安裝的加速度計(jì)，如圖3所示，圖中31為探測(cè)器成像 面，x、 y、 z分別為探測(cè)器像面坐標(biāo)軸；32為恒星敏感器和地球敏感器共用光 學(xué)系統(tǒng)；33為3個(gè)互為正交的MEMS陀螺；34為3個(gè)互為正交的MEMS加 速度計(jì)。3個(gè)MEMS陀螺分別安裝在與 xy、 xz、 yz平4亍的平面內(nèi)，各自的觀、J 量軸xi、 yi、 zi分別與相應(yīng)的x、 y、 z軸平行；3個(gè)MEMS加速度計(jì)分別安裝 在與xy、 xz、 yz平行的平面內(nèi)，各自的測(cè)量軸X2、 y2、 Z2分別與相應(yīng)的x、 y、 z軸平行。在這個(gè)條件下各個(gè)慣性測(cè)量敏感器的安裝位置可以進(jìn)行調(diào)整。圖1中，4為信息處理與誤差校正處理單元，這里采用信息處理器對(duì)各個(gè) 敏感器信息進(jìn)行處理，然后將星敏感器測(cè)量信息用于MEMS陀螺的零漂移校 正。最后由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊接口輸出近實(shí)時(shí)高精度三軸姿態(tài)信息和軌道高度信 臺(tái)在圖1和圖2中5為地球敏感器的捕獲對(duì)象一地球的近紅外輻射視見(jiàn)平 面。6為恒星敏感器的捕獲對(duì)象一恒星。7為地球邊緣成像子系統(tǒng)的視場(chǎng)范圍。 8為地球近紅外視見(jiàn)平面。再參看圖2為低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器方案原理 圖。圖中21為成像探測(cè)器成像面，為近紅外響應(yīng)譜段的數(shù)字光電成像器件， 如CCD( Charge Coupled Devices,電荷耦合器件)和近紅外APS ( Active Pixel Sensor,有源像素傳感器)等。22為恒星敏感器和地球敏感器共用的光學(xué)系統(tǒng)， 采用近紅外光設(shè)計(jì)語(yǔ)段。構(gòu)成上述發(fā)明的各個(gè)功能組件，如靜態(tài)成像地球敏感器、星敏感器、MEMS 陀螺、MEMS加速度計(jì)可以基于信息處理單元單獨(dú)地或者任意組合應(yīng)用，以滿足 不同的使用目的。如星敏感器組件可以單獨(dú)使用，也可以與靜態(tài)成像式地球敏 感器聯(lián)合使用，還可以和靜態(tài)成像式地球敏感器、MEMS陀螺、MEMS加速度計(jì)三者之一或之二組和使用，輸出相應(yīng)信息。當(dāng)上述發(fā)明減少組件種類的情 況下，相應(yīng)種類組件非共用部分可以取掉。如若僅需要地心矢量測(cè)量時(shí)，透過(guò) 率區(qū)域變化濾光片及其相關(guān)結(jié)構(gòu)可以去掉，圖像處理軟件中的星敏感器相關(guān)部分可以去掉，MEMS組件均可以去掉。上述發(fā)明所述的系統(tǒng)除了在繞地球和月球飛行姿態(tài)確定和位置確定外，還 可以應(yīng)用于其它天體的繞飛的姿態(tài)和自主導(dǎo)航測(cè)量。然而，上述的說(shuō)明，僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，非為限定本發(fā)明的實(shí)施例； 凡熟悉該項(xiàng)技藝的人士，其所依本發(fā)明的特征范疇，所作出的其它等效變化或 修飾，如尺寸大小、材料選擇、或形狀變化、功能組件的類型和數(shù)量的增減等， 皆應(yīng)涵蓋在以下本實(shí)發(fā)明所申請(qǐng)專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器系統(tǒng)，其特征在于其包括包括光學(xué)測(cè)量成像組件、紅外光探測(cè)器焦平面組件、慣性測(cè)量組件、信息處理與誤差校正處理單元組件；其中所述的光學(xué)測(cè)量成像組件包括成像鏡頭，恒星成像的折轉(zhuǎn)反射鏡和地球成像折轉(zhuǎn)反射鏡；所述的紅外光探測(cè)器焦平面組件的探測(cè)器的光敏面安裝在光學(xué)測(cè)量成像組件的成像面上，探測(cè)器焦平面組件將固定在敏感器系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)上，所述的MEMS慣性測(cè)量組件則包括3個(gè)正交安裝的MEMS陀螺和3個(gè)正交安裝的加速度計(jì)，光學(xué)測(cè)量坐標(biāo)系的每個(gè)軸方向分別平行于3個(gè)正交安裝的MEMS陀螺和3個(gè)正交安裝的加速度計(jì)；所述的信息處理與誤差校正處理單元組件是采用信息處理器對(duì)各個(gè)敏感器信息進(jìn)行處理，其將星敏感器測(cè)量信息用于MEMS陀螺的零漂移校正；最后由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊接口輸出近實(shí)時(shí)高精度三軸姿態(tài)信息和軌道高度信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感 器系統(tǒng)，其特征在于低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器系統(tǒng)中的 星敏感器和近紅外光靜態(tài)成像式地球敏感器通過(guò)采用透過(guò)率區(qū)域變化濾光片 共用所述的光學(xué)成像組件和探測(cè)器焦平面組件，所述的透過(guò)率區(qū)域變化濾光片 緊靠探測(cè)器窗口安裝，探測(cè)器視場(chǎng)分割使用，邊緣區(qū)域?yàn)榻t外光靜態(tài)成像式 地球敏感器使用，用來(lái)對(duì)地球成像，中心區(qū)域?yàn)樾敲舾衅魇褂?，用?lái)對(duì)近紅外 譜段恒星成像；所述的星敏感器是一種通過(guò)對(duì)恒星成像提取與標(biāo)準(zhǔn)星圖庫(kù)匹配 得到其光軸相對(duì)于慣性空間的指向矢量的；所述的近紅外光靜態(tài)成像式地球敏 感器是一種通過(guò)對(duì)地球成像提取地球中心矢量的；上述星敏感器和近紅外光靜 態(tài)成像式地球敏感器都擁有共同的像面坐標(biāo)系，其Z軸沿光軸指向地球方向， 其X軸和Y軸分別與探測(cè)器陣列的行和列方向一致。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感 器系統(tǒng)，其特征在于低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器系統(tǒng)中所 述的3個(gè)MEMS陀螺分別安裝在與像面坐標(biāo)系三個(gè)軸平行的三個(gè)正交軸方向 上；3個(gè)MEMS加速度計(jì)的三個(gè)安裝軸與星敏感器像面坐標(biāo)系三個(gè)軸方向一致；所述的MEMS陀螺和MEMS加速度計(jì)它們的安裝軸與星敏感器和近紅外 光靜態(tài)成像式地球敏感器像面坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸方向一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中高軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏 感器系統(tǒng)，其特征在于組成系統(tǒng)的各個(gè)功能組件分別是星敏感器、近紅外光靜 態(tài)成像式敏感器、MEMS陀螺、MEMS加速度計(jì)，它們都能基于信息處理單 元單獨(dú)或者任意組合搭配應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低軌道航天器的近紅外光成像式自主導(dǎo)航敏感器系統(tǒng)，其包括光學(xué)測(cè)量成像組件、紅外光探測(cè)器焦平面組件、慣性測(cè)量組件、信息處理與誤差校正處理單元組件；其中所述的光學(xué)測(cè)量成像組件包括成像鏡頭，恒星成像的折轉(zhuǎn)反射鏡和地球成像折轉(zhuǎn)反射鏡。其主要解決低軌道航天器不依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的三軸姿態(tài)和軌道高度一體化高精度實(shí)時(shí)測(cè)量問(wèn)題。其采用近紅外透鏡或者反射鏡系統(tǒng)大視場(chǎng)平場(chǎng)成像克服了現(xiàn)有技術(shù)紫外敏感器存在的近紅外光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜和成本高的缺點(diǎn)，通過(guò)采用透過(guò)率區(qū)域變化濾光片解決了恒星和地球亮度巨大差異帶來(lái)的大動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)問(wèn)題。采用光學(xué)和慣性測(cè)量組合一體化設(shè)計(jì)可以減小尺寸重量和功耗，多敏感器信息處理與誤差校正處理可以節(jié)約資源，發(fā)揮信息融合的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)G01C21/24GK101275846SQ20071009100
公開(kāi)日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者郝云彩 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所