中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感器系統的製作方法

2023-04-30 03:34:11

專利名稱：中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感器系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於太空飛行器自主導航姿態和軌道測量系統的技術，具體 地說是涉及一種中高軌道太空飛行器的光電成像式自主導航敏感器系統。
背景技術：
在太空飛行器自主導航領域，存在多種自主導航姿態和位置信息測量系統和方法，如美國Honeywell Inc公司於1993年9月20日申請的歐洲專利公開號EP 0589 387 Al 乂>開了名稱為"Method and System for Determining 3 Axis Spacecraft Attitude"，即"三軸太空飛行器姿態確定方法與系統，，。採用 280nm 300nm譜段的紫外光探測地球邊緣紫外輻射輪廓，確定地心的俯仰和 滾動姿態信息，利用同一個探測器探測垂直於光軸方向的恆星矢量方向來確定 偏航姿態信息。系統採用折轉反射鏡壓縮視場，採用雙半球加光纖轉像器對大 視場曲面像面進行成像。採用數據處理器對採集到的地球和恆星圖像信息進行 處理，獲取3軸姿態信息。該方案雖然解決了三軸姿態和軌道高度的測量問題。 但是存在的不足是，釆用紫外譜段的光學系統材料較少，採用半球結構透鏡和 光纖傳像過於複雜，成本高；光纖傳像和像增強器結合會帶來附加噪聲，降低 精度。美國NASA在其新盛世計劃中公布了一項研究計劃，稱之為"慣性星陀螺" (Inertial Stellar Compass ),採用星敏感器和MEMS陀螺組合設計，利用星 敏感器的高精度姿態信息近實時校正陀螺的飄移。該方案的不足是，星敏感器 是單個的，在光軸方向上能夠提供較高的精度，但是在垂直於光軸的方向上精 度下降近1個量級，因此對於該方向的MEMS陀螺飄移校正精度就受到影響。"系統仿真學報"2005年3月Vol.l7，No3， P529發表的文章"組合大視場星敏感器星光折射衛星自主導航方法及其仿真，，所述敏感器採用3個普通星敏 感器空間相交120。角構成組合式系統，同時觀測地球邊緣的3顆恆星，根據大 氣折射模型推出精確的地心矢量。該方案的不足之處在於採用了 3個星敏感器， 成本較高，使得3個星敏感器的光軸相交調整高精度實現困難。美國Microcosm 7>司研製了 一種自主導航系統MANS (Microcosm Autonomous Navigation System ),其中包括地球敏感器、太陽和月亮敏感器、 星敏感器、陀螺和加速度計，由於是多敏感器聯合確定三軸姿態和位置，所以 精度很高。但是系統過於複雜，而且釆用了帶有活動部件的雙圓錐地球敏感器， 成本高。本發明內容本發明的目的是克服了上述現有技術方案的缺點，提出一種中高軌道航天 器的可見光成像式自主導航敏感器系統，其通過採用可見光譜段探測可以使用 普通光學玻璃進行設計，降低了光學系統的研製難度，去掉了光纖轉換器和像 增強器減小了儀器的複雜性，採用一次成像探測保證了探測精度。因恆星和地 球探測均為可見光譜段，所以可以藉助於濾光片進行光譜能量分配，共用一個 光學系統和探測器，降低了成本。由於探測確定了地心矢量和恆星矢量，雙矢 量確定三軸姿態精度均可達到高精度，因此MEMS陀螺三軸的飄移同精度校 正。本發明所提出的中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感器系統，主 要解決中高軌道太空飛行器不依賴於衛星導航系統的三軸姿態和軌道高度一體化 高精度實時測量問題。該敏感器採用可見光探測諮段克服了美國紫外敏感器存 在的紫外光學系統複雜和成本高的缺點，克服了以往自主導航敏感器各自方案 的不足，諸如由分散式多敏感器和複雜光學系統帶來的成本高、由單一光學敏 感器與三個正交方向的凝:才幾電系統陀螺(Micro-electromechanical Systems Gyro,以下稱MEMS陀螺)結合設計帶來的三軸精度不一致、由像轉換器帶 來的精度退化、由多敏感器分布安裝帶來的重量體積大等。本發明的目的是通過下述技術方案來實現的，本發明所提供的中高軌道航 天器的可見光成像式自主導航敏感器系統包括光學測量成像組件、探測器焦平面組件、MEMS慣性測量組件、信息處理與誤差校正處理單元組件，所述的光 學測量成像組件包括成像鏡頭和分光板結構。所述的探測器焦平面組件的探測 器的光敏面安裝在光學測量成像組件的成像面上，探測器焦平面組件將固定在 敏感器系統的支撐結構上。所述的MEMS慣性測量組件則包括3個正交安裝 的MEMS陀螺和3個正交安裝的加速度計，光學測量坐標系的每個軸方向分 別平行於3個正交安裝的MEMS陀螺和3個正交安裝的加速度計。所述的信 息處理與誤差校正處理單元組件是採用信息處理器對各個敏感器信息進行處 理，然後將星敏感器測量信息用於MEMS陀螺的零漂移;&正。最後由標準數 據通訊接口輸出近實時高精度三軸姿態信息和軌道高度信息。一體化設計的中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感器系統中的 星敏感器和可見光靜態成像式敏感器通過採用分光濾光片共用所述的光學成 像組件和探測器焦平面組件，探測器視場分割使用，中心區域為可見光靜態成 像式敏感器使用，用來對地球成像，邊緣區域為星敏感器使用，用來對恆星成 像。所述的星敏感器是一種通過對恆星成像提取與標準星圖庫匹配得到其光軸 相對於慣性空間的指向矢量的；所述的可見光靜態成像式敏感器是一種通過對 地球成^f象提取地球中心矢量和地球視角半徑的，同時利用地球視角半徑與軌道 高度的幾何關係確定軌道高度。上述星敏感器和可見光靜態成像式敏感器都擁 有共同的像面坐標系，其Z軸沿光軸指向地球方向，其X軸和Y軸分別與探 測器陣列的行和列方向一致。3個MEMS陀螺都是採用MEMS技術製造的微 型機電陀螺，它們分別安裝在與像面坐標系三個軸平行的三個正交軸方向上。 3個MEMS加速度計都採用MEMS技術製造的測量運動加速度的微型機電器 件，重量非常輕，體積非常小，三個安裝軸與星敏感器像面坐標系三個軸方向 一致。以上MEMS陀螺和MEMS加速度計均屬於MEMS慣性測量組件，它 們的安裝軸與星敏感器和可見光靜態成像式地球敏感器像面坐標系三個坐標 軸方向一致，以利於同基準測量。一體化設計後的系統具有重量輕、體積小、功耗低、精度高、數據更新率 高、成本低等特點。下面就有關本實用新型的技術內容及詳細說明，現配合附圖和所給出 的實施例進行說明如下。


圖1確定三軸姿態和軌道高度的自主導航敏感器結構示意圖；圖2為確定中高軌道三軸姿態和軌道高度的自主導航敏感器光學測量部分 方案原理圖；圖3為光學測量部分像面坐標系與MEMS陀螺和MEMS加速度計測量軸 的關係。
具體實施方式
如圖1-3,所示，所述的中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感器 系統包括光學測量成像組件1、探測器焦平面組件2、慣性測量組件3、信息處 理與誤差校正處理單元組件4。所述的光學測量成像組件1，其包括成像鏡頭和分光板結構(未標示出)。 所述的探測器焦平面組件2的探測器的光敏面安裝在光學測量成像組件1的成 像面上，探測器焦平面組件2將固定在敏感器系統的支撐結構上。所述的 MEMS慣性測量組件3則包括3個正交安裝的MEMS陀螺和3個正交安裝的 加速度計，光學測量坐標系的每個軸方向分別平行於3個正交安裝的MEMS 陀螺和3個正交安裝的加速度計(具體安裝方式參見下面結合圖3所描述的內 容)。所述的信息處理與誤差校正處理單元組件4是採用信息處理器對各個敏 感器信息進行處理，然後將星敏感器測量信息用於MEMS陀螺的零漂移校正。 最後由標準數據通訊接口輸出近實時高精度三軸姿態信息和軌道高度等信息。參見圖1，所述的光學測量成像組件l包括成像鏡頭和分光板結構(未標 出)。所述的分光板將光路分為兩個通道， 一個是恆星敏感器成像通道，另一 個是地球敏感器成像通道，分光板的透過和反射光譜段的選擇取決於地球和恆 星二者在軌道分光板前的亮度大小，設探測器的相應譜段為從入！到分光 板透射鐠段為從入3到入4，透射光來自地球的輻射，由於地球亮度遠遠大於恆 星亮度，因此從入3到入4是在Al到入2之內比較窄的範圍，設光學測量部分的光譜透過率為P(A)，探測器光譜響應率為K(A)，地球在分光板前的亮度範圍 從弱到強為Lei~Le2,探測的最弱恆星在分光板前的亮度範圍從弱到強為LS1 Ls2，探測器的動態範圍為D，分光板對於恆星能量的反射率為Ql分光板對於 地球能量的透過率為Q2,則有0単(^kW +〖:屍(/1)a:(/1)^1 = g,.................................(i)0 込..............................................................(2)込(42+^)a2,(丄、2+、)..................................................(4)選擇確定入3和？W，使得上面不等式(3)和近似式(4)成立。如圖l所示的敏感器系統，也可以將恆星成像通道和地球成像通道互相交 換位置，在這種情況下，需要把目前分光板的透射譜段改為反射和反射譜段改 為透射。3個互為正交的MEMS陀螺各自的測量軸安裝要求分別與探測器成像坐 標系三個軸x、 y、 z平行，它們各自產生的零漂移誤差分別由星敏感器測量信 息校正，校正方法採用擴展的卡爾曼濾波方法。敏感器將輸出3個MEMS陀 螺的近實時角速率和姿態角信息，誤差校正和信息處理將在信息處理與誤差校 正處理單元組件中完成。3個互為正交的MEMS加速度計的安裝方式與3個MEMS陀螺相同，也 是將3個測量軸分別平行於成像坐標系三個軸x、 y、 z。 3個加速度計分別測 量x、 y、 z三個軸的瞬時加速度，由此兩次積分得到衛星相對初始位置的位移 參量。以上計算在信息處理與誤差校正處理單元組件中完成。信息處理與誤差校正處理單元組件4是敏感器的信息處理器，負責恆星通 道的星圖匹配和地5求通道的地心矢量和地球視角半徑提取，以及負責恆星敏感 器測量的恆星矢量對MEMS陀螺的零漂移校正和加速度計的積分運算，還負 責與衛星控制計算機通訊和多敏感器信息的綜合處理。該技術方案將光學姿態和地球視角半徑測量與慣性姿態和加速度測量結 合在一起，統一了測量基準，減小了測量系統地系統誤差；同時對MEMS陀 螺的零漂移近實時校正提高了測量精度。由星敏感器和地球敏感器可以得到高 精度的恆星矢量和地心矢量，因此可以得到高精度的三軸姿態測量結果，同時利用地球敏感器通道可以測量出地球的視角半徑，再通過地球圖像提取和光學 性能參數測試結果可以推算出來飛行軌道高度，但是它們是離散值。採用三軸MEMS陀螺可以得到非常高的姿態變化解析度，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陀螺姿態測量結果。由於 MEMS陀螺與星敏感器和地球敏感器測量像面坐標軸平行安裝，因此具有與星 敏感器同測量基準，由星敏感器測量的高精度慣性空間姿態可以很好地校正 MEMS陀螺的漂移，這是本方案的一個特點。考慮全陰影區的導航測量受到可見光譜段的限制，地球敏感器不能工作， 這段較小的時間間隔可以採用軌道外推算法和加速度計測量衛星相對位移變 化，進行基於星敏感器、MEMS陀螺、MEMS加速度計的自主導航。所涉及的發明方案解決了靜態自主導航測量的高精度、近實時、低成本、 全自主、全天時等問題，具有以下優點(1)恆星敏感器和地球敏感器釆用可見光譜段降低了實現難度，增強了敏感器功能；(2 )採用發明所涉及的分光板光譜透過段的優化分配方法可以兼顧不同 亮度的測量目標採用同 一個光學系統和同 一個探測器成像。(3) 採用星敏感器、地球敏感器、MEMS陀螺、MEMS加速度計同基準 安裝可以減小測量的系統誤差，提高測量精度。(4) 採用星敏感器高精度測量信息隨時校正陀螺的零漂移，可以得到近 實時的高精度三軸姿態信息。(5) 採用光學和慣性測量組合一體化設計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約資源，發揮信息融合的優 勢。可以全天時完成全自主導航測量，在陽照區採用星敏感器、地球敏感器、 MEMS陀螺和加速度計即可實現全自主測量，在陰影區採用星敏感器、MEMS 陀螺和加速度計即可實現全自主測量。再參看圖1，中高軌道太空飛行器的光電成像式自主導航敏感器結構的光學測 量成像組件1其主要作用是通過分光板將測量系統分為兩個通道，這兩個通道可以正交，也可以不正交，根據使用需求而定。按照發明公式(3)和發明公 式(4)確定分光板的透射和反射光譜段，使得地球和恆星能夠同時成像在同 一個探測器上，探測器選擇響應可見光譾段的光電探測器件，如可以釆用 CCD(Charge Coupled Devices,電荷耦合器件)，也可以採用APS ( Active Pixel Sensor,有源像素傳感器)。光學測量成像組件1主要是對於地球和恆星成像的，要求具有足夠的視場 角，能夠在地球成像視場以外再擴展一個環形視場，使得恆星在環形視場內成 像，地球視場和環形視場的大小確定主要以全天球任何一次捕獲恆星在探測器 上成像數量不少於3顆的概率大於99%為標準。對於地球圖像主要提取邊緣信 息並擬合出來地心矢量和計算地球視角半徑。對於恆星圖像主要提取星點能量 中心坐標進行星圖匹配提取恆星矢量。對於中高地球軌道的衛星，由於地球張角較小，所以成像光學系統採用大 一見場單一鏡頭即可實現。參見圖3, MEMS慣性測量組件3包括3個正交安裝的MEMS陀螺和3 個正交安裝的加速度計，光學測量坐標系的每個軸方向分別平行於3個正交安 裝的MEMS陀螺和3個正交安裝的加速度計，如圖3所示，圖中31為探測器 成像面，x、 y、 z分別為探測器像面坐標軸；32為恆星敏感器和地球敏感器共 用光學系統；33為3個互為正交的MEMS陀螺；34為3個互為正交的MEMS 加速度計。3個MEMS陀螺分別安裝在與xy、 xz、 yz平行的平面內，各自的 測量軸xi、 yi、 zi分別與相應的x、 y、 z軸平4亍；3個MEMS加速度計分別安 裝在與 xy、 xz、 yz平4亍的平面內,各自的測量軸X2、 y2、 Z2分另'J與相應的x、 y、 z軸平行。在這個條件下各個慣性測量組件的安裝位置可以進行調整。下面參看圖2,其為中高軌道太空飛行器的光電成像式自主導航敏感器實施方 式的原理圖。21為成像探測器，為數字光電成像器件，如CCD( Charge Coupled Devices,電荷耦合器件)和APS ( Active Pixel Sensor,有源像素傳感器)等。 22為恆星敏感器和地球敏感器共用的光學系統，採用可見光設計譜段，對於中 高軌道採用單一鏡頭形式，地球圖像在探測器視場中心區域，恆星圖像在探測器視場邊緣區域；23為分光板，將光學系統分為恆星敏感器通道和地球敏感 器通道，而且對於地球和恆星的亮度起到均衡的作用。24為恆星成像環形視場， 如圖2的陰影區域所示。5為地球，6為恆星，7為恆星在探測器上的像，8為 地球在探測器上的像。構成上述發明的各個功能組件，如靜態成像地球敏感器、星敏感器、MEMS 陀螺、MEMS加速度計可以基於信息處理單元單獨地或者任意組合應用，以滿足 不同的使用目的。如星敏感器組件可以單獨使用，也可以與靜態成像式地球敏 感器聯合使用，還可以和靜態成像式地球敏感器、MEMS陀螺、MEMS加速 度計三者之一或之二組和使用，輸出相應信息。當上述發明減少組件種類的情 況下，相應種類組件非共用部分可以取掉。如若僅需要地心矢量測量時，分光 板及其相關結構可以去掉，圖像處理軟體中的星敏感器相關部分可以去掉， MEMS組件均可以去#■。上述發明所述的系統除了在繞地球飛行姿態確定和位置確定外，還可以應 用於其它天體相應軌道高度的繞飛的姿態和自主導航測量。上述的說明，僅為本發明的實施例而已，非為限定本發明的實施例；凡熟 悉該項技藝的人士，其所依本發明的特徵範疇，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、增減功能組件類型和數量等，皆應涵蓋 在以下本發明所申請專利範圍內。
權利要求
1. 一種中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感器系統，其特徵在於其包括光學測量成像組件、探測器焦平面組件、MEMS慣性測量組件、信息處理與誤差校正處理單元組件，所述的光學測量成像組件包括成像鏡頭和分光板結構；所述的探測器焦平面組件的探測器的光敏面安裝在光學測量成像組件的成像面上，探測器焦平面組件將固定在敏感器系統的支撐結構上；所述的MEMS慣性測量組件則包括3個正交安裝的MEMS陀螺和3個正交安裝的加速度計，光學測量坐標系的每個軸方向分別平行於3個正交安裝的MEMS陀螺和3個正交安裝的加速度計；所述的信息處理與誤差校正處理單元組件是採用信息處理器對各個敏感器信息進行處理，然後將星敏感器測量信息用於MEMS陀螺的零漂移校正，最後由標準數據通訊接口輸出近實時高精度三軸姿態信息和軌道高度信息。
2. 根據權利要求1所述的中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感 器系統，其特徵在於中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感器系統中的 星敏感器和可見光靜態成像式敏感器通過採用分光濾光片共用所述的光學成 像組件和探測器焦平面組件，探測器視場分割使用，中心區域為可見光靜態成 像式敏感器使用，用來對地球成像，邊緣區域為星敏感器使用，用來對恆星成 像。所述的星敏感器是一種通過對恆星成像提取與標準星圖庫匹配得到其光軸 相對於慣性空間的指向矢量的；所述的可見光靜態成像式敏感器是一種通過對 地球成像提取地球中心矢量的；上述星敏感器和可見光靜態成像式敏感器都擁 有共同的4象面坐標系，其Z軸沿光軸指向地球方向，其X軸和Y軸分別與探 測器陣列的行和列方向 一致。
3. 根據權利要求1所述的中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感 器系統，其特徵在於所述的3個MEMS陀螺分別安裝在與像面坐標系三個軸 平行的三個正交軸方向上；3個MEMS加速度計的三個安裝軸與星敏感器像面 坐標系三個軸方向一致；所述的MEMS陀螺和MEMS加速度計它們的安裝軸 與星敏感器和可見光靜態成像式地球敏感器像面坐標系三個坐標軸方向一致。
4.根據權利要求1所述的中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感 器系統，其特徵在於組成系統的各個功能組件分別是星敏感器、可見光靜態成 像式敏感器、MEMS陀螺、MEMS加速度計，它們都能基於信息處理單元單 獨或者任意組合搭配應用。
全文摘要
本發明提供一種中高軌道太空飛行器的可見光成像式自主導航敏感器系統，其包括光學測量成像組件、探測器焦平面組件、MEMS慣性測量組件、信息處理與誤差校正處理單元組件。本發明通過採用可見光譜段探測可以使用普通光學玻璃進行設計，降低了光學系統的研製難度，去掉了光纖轉換器和像增強器減小了儀器的複雜性，採用一次成像探測保證了探測精度，因恆星和地球探測均可以藉助於濾光片進行光譜能量分配，所以可共用一個光學系統和探測器，一體化設計後的系統具有重量輕、體積小、功耗低、精度高、數據更新率高、成本低等特點。
文檔編號G01C21/24GK101275843SQ20071009100
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月29日 優先權日2007年3月29日
發明者郝雲彩 申請人:北京控制工程研究所