天基探測與跟蹤成像系統的測試裝置的製作方法

2023-06-22 19:30:16

專利名稱：天基探測與跟蹤成像系統的測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於空間目標探測和跟蹤成像技術，具體涉及對空間目標探測和跟蹤成像這一類設備的性能參數的測試裝置。
背景技術：
天基(星載)探測與跟蹤成像系統的功能是對重要空間目標進行精確探測和跟蹤成像，確定可能對航天系統構成威脅的空間目標(包含衛星及空間碎片)的任務、尺寸、形狀和軌道參數等重要目標特性；對目標特性數據進行歸類和分發。發展天基探測與跟蹤成像系統有利於提高我國對空間目標監視、跟蹤和識別能力、增強對空間戰場態勢的實時感知能力和空間攻防對抗能力。此外，發展天基探測與跟蹤成像系統還有利於我國航天發射場的發展和更新，即有利於靶場從地基靶場到天基靶場的升級。與地基監視和測量相比，天基探測與跟蹤成像系統具有如下優點(1)不受地理位置限制，覆蓋範圍大，容易實現對目標的連續監視、跟蹤與精確的特徵測量；( 不受氣象條件的限制，探測效果好；C3)作戰時生存能力強，可實現全射向、多軌道發射和全球機動發射；(4)可大大縮短航天發射周轉時間。所謂天基指的是設備工作的平臺是在軌工作的衛星平臺。而天基探測與跟蹤成像系統就是以衛星為工作平臺在軌工作的探測與跟蹤成像系統。探測與跟蹤成像系統一般有二維跟蹤轉臺、光學探測相機和光學成像相機組成。二維跟蹤轉臺是該系統的跟蹤機構，其主要功能是搭載探測相機和成像相機，實現空間二維轉動。根據外引導信息及探測相機給出的實時脫靶量信息能夠對重點目標進行連續跟蹤，在跟蹤過程中成像相機及其它相關測量設備可以完成對目標的成像與目標特性測量。天基探測與跟蹤成像系統是搭載在衛星平臺上的具有較大活動部件的複雜系統。 首先，工作環境的特殊性衛星處在空間微重力環境下，衛星基本不受外力作用(忽略大氣阻力)，系統對外是一個獨立的系統，系統動量守恆。衛星上任何一個部件的運動及運動狀態的變化都會給衛星平臺帶來擾動，即對衛星平臺有力矩輸出，如果該力矩較大或持續時間較長將影響衛星的姿態的控制，特別在該影響較大一致於超過了衛星姿態控制系統的調節與控制能力，就會影響衛星的正常工作，這種現象是十分可怕的。因此，為了確保天基探測與跟蹤成像系統質量和在軌正常運行，需要在試驗室內對其進行系統性能測試。從而進行精細的調整和優化，保證產品的質量。

實用新型內容本實用新型提供一種天基探測與跟蹤成像系統測試裝置，以確保天基探測與跟蹤成像系統質量和在軌正常運行。本實用新型基於以下理論分析形成技術方案首先，需要對天基探測與跟蹤成像系統工作時對衛星平臺的力學輸出進行精確測量與控制。系統與衛星平臺的力學作用特性可以用輸出力矩和輸出角動量來描述。輸出力矩是系統對衛星平臺力學輸出的瞬時效應，輸出角動量是系統對衛星平臺力學輸出的累積效應。輸出力矩和輸出角動量兩者可以通過微分與積分關係相互轉換。[0009]其次，天基探測與跟蹤成像系統搭載在衛星平臺上，而衛星平臺在軌運行過程中不僅要受到重力梯度力矩、太陽輻射力矩、氣動力矩、地磁力矩等空間環境力矩，還受到星上活動部件的輸出力矩。空間環境力矩比較小且變化平緩，在衛星姿態控制系統的調節範圍之內，雖然會對衛星姿態帶來擾動，但不會對衛星正常工作造成威脅，而星上轉動部件的輸出力矩是巨變的，衛星姿態控制系統瞬時難以彌補，因此會對衛星姿態造成較大影響。總之，天基探測與跟蹤成像系統的工作平臺是運動的，這會給系統的工作增加難度，具體的說會影響系統的跟蹤精度、跟蹤平穩度及成像質量。[0010]下面給出系統關鍵指標的定義。[0011](1)輸出力矩天基探測與跟蹤成像系統在工作過程中對衛星平臺的作用力矩。 具體包括啟動輸出力矩和平穩跟蹤輸出力矩。[0012](2)輸出角動量天基探測與跟蹤成像系統在工作過程中對衛星平臺的輸出角動量。它是輸出力矩隨時間的積分效應。[0013](3)動態跟蹤精度系統在工作過程中會對衛星平臺有力矩輸出，從而使衛星平臺的姿態處於動態變化之中，相當於系統坐落在一個運動的基座上工作，在這種環境下系統的跟蹤精度。[0014](4)動態跟蹤穩定度跟蹤穩定度是跟蹤精度的變化率，動態跟蹤平穩度就是系統工作過程中動態跟蹤精度的變化率。它會影響成像的清晰度。[0015](5)動態成像質量由於目標相對與系統是運動的，目標在相機像面上的像會存在像移，該像移會影響成像的清晰度，即影響相機的成像質量。動態成像質量即為系統在動態跟蹤過程中的成像質量。[0016]本實用新型的技術方案如下[0017]天基探測與跟蹤成像系統的測試裝置，包括氣浮臺、高精度動靶標、搭載於高精度動靶標上用以提供無窮遠拍攝目標的平行光管、以及安裝於氣浮臺上的角速度測量裝置； 天基探測與跟蹤成像系統作為被測系統同軸固定安裝於氣浮臺的轉動檯面上，且被測系統的三軸交點為高精度動靶標旋轉光錐頂點；轉動平臺沿其切線方向栓接牽引線並通過繞接定滑輪懸掛砝碼，利用砝碼自重對轉動平臺施加切向力。[0018]上述平行光管可由點目標平行光管和面目標平行光管組成，分別為被測系統的探測相機和成像相機提供無窮遠目標。[0019]上述角速度測量裝置優選採用光纖陀螺儀，安裝於氣浮臺的轉動檯面上，光纖陀螺儀輸入軸與氣浮臺迴轉軸同軸平行。[0020]一種應用上述測試裝置對天基探測與跟蹤成像系統進行測試的方法，包括三部分的測試(1)輸出力矩和角動量測試、(2)動態跟蹤精度和動態跟蹤平穩度測試、(3)動態成像質量測試；[0021]其中，(1)輸出力矩和角動量測試包括以下步驟[0022](1. 1)將被測系統安裝固定於氣浮臺的轉動平臺上，並調整使其與氣浮臺迴轉由同由；[0023](1. 2)將氣浮臺的轉動平臺浮起，調平，使轉動平臺與水平面平行；[0024](1. 3)將質量為m的砝碼經過定滑輪與轉動平臺連接，連接點與氣浮臺迴轉軸距離I，利用砝碼自重施加切向力T，使轉動平臺轉動；[0025](1.4)固定在轉動平臺上的光纖陀螺儀測得的轉動平臺轉動的初始角速度ω， 並計算角加速度α ；[0026](1. 5)計算轉動平臺和被測設備的總轉動慣量J ；[0027](1. 6)按設定的工作參數驅動動靶標轉動，天基探測與跟蹤成像系統跟蹤動靶標， 光纖陀螺儀測得的轉動平臺轉動的角速度ω'；[0028](1. 7)計算天基探測與跟蹤成像系統工作時的輸出力矩；[0029](1. 8)計算天基探測與跟蹤成像系統工作時的輸出角動量；[0030](2)動態跟蹤精度和動態跟蹤平穩度測試包括以下步驟[0031](2. 1)將被測系統安裝固定於氣浮臺的轉動平臺上，並調整使其與氣浮臺迴轉由同由；[0032](2. 2)將氣浮臺的轉動平臺浮起，調平，使轉動平臺與水平面平行；[0033](2. 3)按設定的工作參數驅動動靶標轉動，天基探測與跟蹤成像系統跟蹤動靶標；[0034](2. 4)提取相機脫靶量即可計算動態跟蹤精度和動態跟蹤穩定度；[0035](3)動態成像質量測試包括以下步驟[0036](3. 1)將被測系統安裝固定於氣浮臺的轉動平臺上，並調整使其與氣浮臺迴轉由同由；[0037](3. 2)將氣浮臺的轉動平臺浮起，調平，使轉動平臺與水平面平行；[0038](3. 3)在動靶標的平行光管焦面上安裝目標板，按設定的工作參數驅動動靶標轉動，天基探測與跟蹤成像系統跟蹤動靶標並進行成像；[0039](3. 4)對圖像進行判讀並確定被測設備的動態成像質量。[0040]本實用新型實現了對天基探測與跟蹤成像系統輸出力矩、輸出角動量、動態跟蹤精度、動態跟蹤穩定度、動態成像質量等性能指標的測試，從而進行進一步的調整和優化， 保證產品的質量，確保天基探測與跟蹤成像系統質量和在軌正常運行。


[0041]圖1為本實用新型測試裝置的結構示意簡圖。[0042]圖2為本實用新型測試裝置的實物參考圖。[0043]附圖標號說明[0044]1-氣浮臺；2-高精度砝碼；3-光纖陀螺儀；4-高精度動靶標；5-天基探測與跟蹤成像系統(被測系統)；6-點目標平行光管；7-面目標平行光管。
具體實施方式
[0045]本實用新型主要說明了對空間目標探測和跟蹤成像這一類設備的性能參數測量方法和測試裝置。因為該設備工作在衛星平臺上，因此為了精確測定或評估設備的在軌工作性能就必須在實驗室條件下模擬該設備的工作環境，並對其進行性能測量和評價，以驗證其是否滿足設計和任務要求。[0046]考慮到空間環境及衛星平臺姿態變化對天基探測與跟蹤成像系統性能的影響，為給出系統性能儘可能精確和可靠的測試結果，本實用新型設計了模擬系統在軌工作的環境及測試系統。整個測試系統主要有以下幾部分組成氣浮平臺、高精度砝碼、光纖陀螺儀、高精度動靶標等組成。具體如圖1所示。[0047]高精度動靶標可以實現高精確度、高穩定度的轉動，運動狀態可以通過程序控制， 其上搭載有點目標平行光管和面目標平行光管，分別為被測系統的探測相機和成像相機提供無窮遠目標。被測系統安裝在氣浮平臺上，調整被測系統位置使其與氣浮臺同軸，這樣可以減小氣浮臺的摩擦力矩對測試結果的影響，還應使被測系統的三軸交點調整為高精度動靶標旋轉光錐頂點，這樣可得到最大範圍的跟蹤測量範圍。高精度砝碼(只在測量輸出力矩、輸出角動量時使用，測量動態跟蹤精度、動態跟蹤穩定度、動態成像質量時不需要高精度砝碼)通過一個定滑輪懸掛在氣浮臺邊緣，對氣浮臺施加一個恆定力矩。光纖陀螺儀安裝在氣浮臺轉動檯面上，使光纖陀螺儀輸入軸與氣浮臺旋轉軸平行，測量氣浮臺旋轉的角速度。[0048](1)氣浮臺氣浮臺具有摩擦力矩小的特點(可以達到Z，d Zx- J是被測轉動部件對其安裝面輸出的總角動量，^是系統的KK總轉動慣量，Dzx是轉動部件力學輸出對系統的擾動，對其進行微分，即可得K到轉動部件輸出力矩的大小及變化情況。利用氣浮平臺可以實現對^^+Dzxi^^mκ直接測量，從而得到轉動部件輸出角動量的大小。[0062]輸出力矩是輸出角動量的對時間的微分，因此，對測量得到的輸出角動量微分即可。[0063]( 二)動態跟蹤精度和動態跟蹤平穩度測試[0064]將氣浮臺浮起，模擬設備在軌工作的衛星平臺。根據空間目標的特性及目標與衛星的相對位置關係、相對運動轉臺，製作相應的目標板，並結合被測系統的性能指標設定動靶標的工作參數，使其運動速度、加速度和運動軌跡與空間目標的相應參數一致。按設定好的參數驅動動靶標運動，模擬空中飛行的無窮遠運動目標，被測設備跟蹤動靶標，提取相機脫靶量即可計算動態跟蹤精度和動態跟蹤穩定度。[0065](三)動態成像質量測試[0066]將氣浮臺浮起，模擬設備在軌工作的衛星平臺。根據空間目標的特性及目標與衛星的相對位置關係、相對運動轉臺，製作相應的目標板，並結合被測系統的性能指標設定動靶標的工作參數，使其運動速度、加速度和運動軌跡與空間目標的相應參數一致。按設定好的參數驅動動靶標運動，將動靶標平行光管焦面處放置鑑別率板或條紋板，模擬空中飛行的無窮遠運動目標，被測設備跟蹤動靶標，並對動靶標提供的模擬運動目標進行成像，對圖像進行判讀並確定被測設備的動態成像質量。[0067]本實用新型對被測系統各指標的具體測試步驟如下[0068](一 )輸出力矩和角動量測試[0069](1. 1)將被測系統牢固固定在氣浮臺轉動檯面上，並調整使其與氣浮臺迴轉由同由；[0070](1. 2)將氣浮平臺浮起，並調整調平環節，使氣浮臺臺面與水平面平行；[0071](1. 3)將質量為m的砝碼經過滑輪與氣浮平臺轉動部分連接，連接點與平臺轉軸距離I，利用砝碼自重施加切向力T，使氣浮平臺轉動；[0072](1.4)固定在氣浮臺檯面上的速率陀螺測得的氣浮臺轉動的角速度(ω)，並計算角加速度(α)；[0073](1. 5)計算氣浮臺轉動臺面及被測設備的總轉動慣量(J)；[0074](1. 6)按設定的工作參數驅動動靶標轉動，天基探測與跟蹤成像系統跟蹤動靶標， 速率陀螺測得的氣浮平臺運動的角速度(ω')；[0075](1. 7)計算天基探測與跟蹤成像系統工作時的輸出力矩；[0076](1. 8)計算天基探測與跟蹤成像系統工作時的輸出角動量。[0077]( 二)動態跟蹤精度和動態跟蹤平穩度測試[0078](2. 1)將被測系統牢固固定在氣浮臺轉動檯面上，並調整使其與氣浮臺迴轉由同由；[0079](2. 2)將氣浮平臺浮起，並調整調平環節，使氣浮臺臺面與水平面平行；[0080](2. 3)按設定的工作參數驅動動靶標轉動，天基探測與跟蹤成像系統跟蹤動靶標；[0081](2. 4)提取相機脫靶量即可計算動態跟蹤精度和動態跟蹤穩定度。[0082](三)動態成像質量測試[0083](3. 1)將被測系統牢固固定在氣浮臺轉動檯面上，並調整使其與氣浮臺迴轉由同由；[0084](3. 2)將氣浮平臺浮起，並調整調平環節，使氣浮臺臺面與水平面平行；[0085](3. 3)在動靶標的平行光管焦面上安裝合適目標板，按設定的工作參數驅動動靶標轉動，天基探測與跟蹤成像系統跟蹤動靶標並進行成像；[0086](3. 4)對圖像進行判讀並確定被測設備的動態成像質量。
權利要求1.天基探測與跟蹤成像系統的測試裝置，包括氣浮臺(1)、高精度動靶標G)、搭載於高精度動靶標上用以提供無窮遠拍攝目標的平行光管、以及安裝於氣浮臺(1)上的角速度測量裝置；天基探測與跟蹤成像系統作為被測系統(5)同軸固定安裝於氣浮臺(1)的轉動檯面上，且被測系統的三軸交點為高精度動靶標(4)旋轉光錐頂點；轉動平臺沿其切線方向栓接牽引線並通過繞接定滑輪懸掛砝碼O)，利用砝碼自重對轉動平臺施加切向力。
2.根據權利要求1所述的天基探測與跟蹤成像系統的測試裝置，其特徵在於所述平行光管由點目標平行光管(6)和面目標平行光管(7)組成，分別為被測系統的探測相機和成像相機提供無窮遠目標。
3.根據權利要求1所述的天基探測與跟蹤成像系統的測試裝置，其特徵在於所述角速度測量裝置採用光纖陀螺儀(3)，安裝於氣浮臺(1)的轉動檯面上，光纖陀螺儀輸入軸與氣浮臺迴轉軸同軸平行。
專利摘要本實用新型提供一種天基探測與跟蹤成像系統測試裝置，包括氣浮臺(1)、高精度動靶標(4)、搭載於高精度動靶標上用以提供無窮遠拍攝目標的平行光管、以及安裝於氣浮臺(1)上的角速度測量裝置；天基探測與跟蹤成像系統作為被測系統(5)同軸固定安裝於氣浮臺(1)的轉動檯面上，且被測系統的三軸交點為高精度動靶標(4)旋轉光錐頂點；轉動平臺沿其切線方向栓接牽引線並通過繞接定滑輪懸掛砝碼(2)，利用砝碼自重對轉動平臺施加切向力。本實用新型實現了對天基探測與跟蹤成像系統多個重要性能指標的測試，從而進行進一步的調整和優化，保證產品的質量，確保天基探測與跟蹤成像系統質量和在軌正常運行。
文檔編號G01C25/00GK202329647SQ201120463620
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月21日 優先權日2011年11月21日
發明者周豔, 張周峰, 曹昆, 田留德, 薛勳, 賽建剛, 趙建科 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所