專利名稱：雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
星敏感器是感受恒星的輻射并測量飛行器相對(duì)于該恒星方位的一種光學(xué)姿態(tài)敏感器。由于恒星的張角非常小，且星光在慣性坐標(biāo)系中的方向是精確已知的，所以星敏感器的測量精度很高。但是由于星光非常微弱，所以信號(hào)檢測比較困難，其成像需要使用高靈敏度的圖像傳感器，比如析像管或電荷稱合器件(CCD,Charge Coupled Device)。天空中恒星數(shù)量很多，它一方面帶來可供選擇的目標(biāo)恒星較多和應(yīng)用方便的優(yōu)點(diǎn)，但也帶來了對(duì)檢測到的恒星進(jìn)行識(shí)別的困難，因而需要配備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力較強(qiáng)的星載數(shù)字計(jì)算機(jī)。為了減小外界雜散光的影響，常常在星敏感器的鏡頭前加一個(gè)遮光罩。來自恒星的平行光經(jīng) 過光學(xué)系統(tǒng)后在像面陣上聚焦成像，按能量中心法可確定星像的中心位置(其精度可達(dá)角秒)。根據(jù)聚焦幾何關(guān)系進(jìn)一步求出星光矢量在星敏感器坐標(biāo)系中的方向，再由星敏感器安裝矩陣求得星光矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中的觀測矢量。星敏感器雖然輸出數(shù)據(jù)精度高，但是純采用星敏感器僅僅能輸出飛行器相對(duì)于慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)角，而對(duì)于飛行器控制系統(tǒng)而言，除了需要飛行器的姿態(tài)信息以外，還必須提供飛行器的位置信息，因此純粹采用星敏感器來為飛行器控制系統(tǒng)提供測量數(shù)據(jù)，不能完成飛行器控制系統(tǒng)的控制任務(wù)。紅外地球敏感器(infrared earth sensor),通過測量地球與天空的紅外福射的差別而獲取飛行器器姿態(tài)信息的一種光學(xué)測量儀器。大多利用14 16 μ m波段的CO2的吸收帶來測量地球大氣輻射圈所形成的地平圓來克服季節(jié)變化、地球表面以及地表輻射差異對(duì)地平圓的影響。紅外地球敏感器通常用于測量飛行器的俯仰姿態(tài)角和滾動(dòng)姿態(tài)角。從星敏感器和紅外地球敏感器的工作原理可以看出，不管是純粹采用星敏感器還是純粹采用紅外地球敏感器，都只能給飛行器提供姿態(tài)信息。因此當(dāng)前利用星敏感器和紅外地平儀進(jìn)行飛行器自主導(dǎo)航，該方法利用星敏感器觀測一組恒星，可算得星光在飛行器本體坐標(biāo)系的方向，利用飛行器上紅外地球敏感器觀測地球，并通過紅外地平儀的安裝矩陣求得地心方向矢量在飛行器本體坐標(biāo)系下的投影和地球視半徑，這樣可以得到觀測量星光角距。以星光角距和地球視半徑作為觀測量，結(jié)合衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)模型和濾波技術(shù)可以而確定飛行器的位置信息。然而典型的紅外地球敏感器雖然工件在穩(wěn)定的紅外波段，但其對(duì)背景噪音敏感，尺寸大，較重，價(jià)格較高。紅外波段探測器需要進(jìn)行致冷，而且由于地球輻射的紅外波段特性不穩(wěn)定，這就降低了紅外地球敏感器測量地球視半徑的精度，由于地球視半徑精度的降低，導(dǎo)致確定飛行器的位置信息精度降低。相比較，地球邊沿輻射的紫外波段，無論在白天或夜間均存在適應(yīng)于探測的紫外臨邊輻射的特征，這些特征中的臨邊輻射極值高度具有穩(wěn)定的特點(diǎn)，隨經(jīng)緯度和季節(jié)變化很小，隨觀測方位角變化也很小。這一特征以足夠精度來為圖像傳感器的建立提供信號(hào)基礎(chǔ)。
因此可以采用探測地球紫外波段來得到觀測量地球半徑和星敏感器得到星光角距作為觀測量，結(jié)合衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)模型和濾波技術(shù)確定飛行器的位置信息。當(dāng)前采用探測地球紫外波段和恒星在紫外波段的圖像為飛行器提供導(dǎo)航信息，其基本結(jié)構(gòu)如

圖1，從圖I可以看出，傳統(tǒng)的地球紫外波段和恒星紫外波段導(dǎo)航敏感器要觀測的范圍是地球表面到地球表面10°以上。該敏感器的光學(xué)系統(tǒng)為雙視場，因此要組合利用一個(gè)反射式視場壓縮器和一個(gè)球透鏡構(gòu)成一個(gè)非常規(guī)的光學(xué)系統(tǒng)，球透鏡饞為光學(xué)系統(tǒng)的物鏡，在球透鏡的球心設(shè)置通光光闌，光闌的中心與球透鏡的兩個(gè)對(duì)稱半球同心，每個(gè)反射鏡的接縫處有一定視場范譽(yù)的模糊區(qū)或叫做盲區(qū)，因此拍攝的圖像會(huì)出現(xiàn)暗環(huán)(如圖2)，這是敏感器的固有缺陷。由于光學(xué)系統(tǒng)視場大，雜光干擾擾是不可避免的，此外由于視場大，給加工工藝帶來了困難，而且恒星信息和地球的信息都經(jīng)過了多次反射，這樣也降低了為飛行器提供導(dǎo)航信息的精度。此外，由于該敏感器采用恒星的紫外波段信息進(jìn)行自主導(dǎo)航，而在紫外波段能量很強(qiáng)的恒星的數(shù)量較少，大約才幾百顆，這樣就不能滿足全天球的導(dǎo)航要求。

發(fā)明內(nèi)容
基于以上不足之處，本發(fā)明提出一種雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器及其設(shè)計(jì)方法，主要利用地球的紫外波段信息和恒星的可見光波段信息來實(shí)現(xiàn)飛行器的自主導(dǎo)航。本發(fā)明采用的技術(shù)如下一種雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器，包括恒星的可見光波段鏡頭、地球紫外波段成像鏡頭和CCD傳感器，恒星的可見光波段鏡頭只成像恒星可見光波段信息，地球紫外波段成像鏡頭只成像地球紫外波段信息，并且成像地球紫外波段鏡頭的光軸中心與成像恒星可見光波段鏡頭的光軸中心垂直，紫外波段鏡頭所成的像通過45°反射鏡反射到CCD傳感器上，兩個(gè)視場鏡頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)，兩個(gè)鏡頭成像在同一個(gè)CCD傳感器內(nèi)，為了避免兩個(gè)視場在CCD圖像傳感器內(nèi)出現(xiàn)重疊區(qū)域，CCD傳感器內(nèi)的一部分區(qū)域?yàn)榈厍虻淖贤獠ǘ纬上?，CCD傳感器內(nèi)的另外一部分給恒星的可見光波段成像。本發(fā)明還具有如下特點(diǎn)I、所述的恒星的可見光波段鏡頭的視場角為24°、焦距為23. 29mm和入瞳直徑為
2.5cm02、所述的地球紫外波段成像鏡頭的視場至少為17. 4°和入瞳直徑為6mm。3、所述的CXD傳感器為E2V公司的(XD48-20圖像傳感器。4、一種雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器的設(shè)計(jì)方法，方法如下(一 )恒星的可見光波段鏡頭的設(shè)計(jì)方法為⑴視場對(duì)應(yīng)于高于某一星等的星數(shù)有如下公式TV(Mv) = 6.5e1107^(I)其中Mv為恒星星等，N(Mv)為全天球高于該星等的恒星數(shù)；因此，優(yōu)于6等星的所有恒星數(shù)量為4983顆恒星；按照在任何時(shí)刻視場中能夠觀測到6顆星的概率優(yōu)于95%的要求，需要視場內(nèi)觀測恒星的數(shù)量為18顆星，則視場可由空間角計(jì)算如下
權(quán)利要求
1.一種雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器，包括恒星的可見光波段鏡頭、地球紫外波段成像鏡頭和CXD傳感器，其特征在于恒星的可見光波段鏡頭只成像恒星可見光波段信息，地球紫外波段成像鏡頭只成像地球紫外波段信息，并且成像地球紫外波段鏡頭的光軸中心與成像恒星可見光波段鏡頭的光軸中心垂直，紫外波段鏡頭所成的像通過45°反射鏡反射到CXD傳感器上，兩個(gè)鏡頭成像在同一個(gè)CCD傳感器內(nèi)，為了避免兩個(gè)視場在CCD圖像傳感器內(nèi)出現(xiàn)重疊區(qū)域，CXD傳感器內(nèi)的一部分區(qū)域?yàn)榈厍虻淖贤獠ǘ纬上瘢珻XD傳感器內(nèi)的另外一部分給恒星的可見光波段成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器，其特征在于所述的恒星的可見光波段鏡頭的視場角為24°、焦距為23. 29mm和入瞳直徑為2. 5cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器，其特征在于所述的地球紫外波段成像鏡頭的視場至少為17. 4°和入瞳直徑為6_。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器，其特征在于所述的CCD傳感器為E2V公司的(XD48-20圖像傳感器。
5.一種雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，方法如下 (一)恒星的可見光波段鏡頭的設(shè)計(jì)方法為 (1)視場 對(duì)應(yīng)于高于某一星等的星數(shù)有如下公式
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙光譜的自主導(dǎo)航敏感器及其設(shè)計(jì)方法，敏感器包括恒星的可見光波段鏡頭、地球紫外波段成像鏡頭和CCD傳感器，恒星的可見光波段鏡頭只成像恒星可見光波段信息，地球紫外波段成像鏡頭只成像地球紫外波段信息，并且成像地球紫外波段鏡頭的光軸中心與成像恒星可見光波段鏡頭的光軸中心垂直，紫外波段鏡頭所成的像通過45°反射鏡反射到CCD傳感器上，兩個(gè)鏡頭成像在同一個(gè)CCD傳感器內(nèi)；設(shè)計(jì)方法包括恒星的可見光波段鏡頭的設(shè)計(jì)、地球紫外波段成像鏡頭和CCD器件的選擇。本裝置具有低功耗、導(dǎo)航精度高、誤差小、利用的恒星數(shù)量能夠覆蓋全天球的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C21/02GK102927982SQ20121039054
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者李葆華, 賴文杰, 王常虹, 陳才敏, 陳希軍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)