[發明專利]中高軌道航天器的近紅外光成像式自主導航敏感器系統

無效

• 申請號: 200710087000.X
• 申請日: 2007-03-29
• 公開（公告）號: CN101275842A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: 郝云彩
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24;G01C21/18;G01S3/786;B64G1/36
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產權代理事務所（普通合伙）
• 代理人: 陳代遠

技術領域

本發明涉及一種應用于航天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航天器的近紅外光成像式自主導航敏感器系統。

背景技術

在航天器自主導航領域，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公司于1993年9月20日申請的歐洲專利公開號EP0589?387?A1公開了名稱為“Method?and?System?for?Determining?3?AxisSpacecraft?Attitude”，即“三軸航天器姿態確定方法與系統”。該系統僅適用于低軌道航天器，采用波長大于280nm～300nm譜段的紫外光探測地球大氣邊緣紫外輻射輪廓，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于光軸方向的恒星矢量方向來確定偏航姿態信息。系統采用折轉反射鏡壓縮視場，采用雙半球加光纖轉像器對大視場曲面像面進行成像。采用數據處理器對采集到的地球和恒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，采用紫外譜段的光學系統材料較少，采用半球結構透鏡和光纖傳像過于復雜，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。該系統也不適用于高軌道航天器的姿態確定。

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)，采用星敏感器和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，但是在垂直于光軸的方向上精度下降近1個量級，因此對于該方向的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.17，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”所述敏感器采用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顆恒星，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于采用了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公司研制了一種自主導航系統MANS(MicrocosmAutonomous?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，由于是多敏感器聯合確定三軸姿態和位置，所以精度很高。但是系統過于復雜，而且采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近紅外光成像式自主導航敏感器系統，其通過采用近紅外光譜段探測可以使用近紅外透鏡、反射系統或者二者結合進行設計，降低了紫外光學系統的研制難度，采用近紅外探測器件探測地球近紅外輻射成像和至近紅外恒星成像，去掉了光纖轉換器和像增強器減小了儀器的復雜性，采用一次成像探測保證了探測精度。因恒星和地球探測均為近紅外譜段，恒星也可以采用從可見光到近紅外寬光譜成像，由于光學材料和探測器均可覆蓋從可見光到近紅外譜段，所以可以共用一個光學系統和探測器，降低了成本。恒星成像通道和地球成像通道光軸可以一致，也可以通過鍍有近紅外分光膜的分光板十二者分成一定的夾角，由于探測恒星和地球的近紅外譜段成像，確定了地心矢量和恒星矢量，同時通過地球視角半徑的測量確定軌道高度，雙矢量確定三軸姿態精度均可達到高精度，因此可以使MEMS陀螺三軸的飄移同精度校正，從而輸出MEMS陀螺的三軸角速度和三軸姿態，作為備份和快速機動情況下姿態控制和位置導航輸入信息。

本發明所提出的中高軌道航天器的近紅外光成像式自主導航敏感器系統，主要解決中高軌道航天器不依賴于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。該敏感器采用近紅外光探測譜段克服了美國紫外敏感器存在的紫外光學系統復雜和成本高的缺點，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復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微機電系統陀螺(Micro-electromechanical?SystemsGyro，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。