[發(fā)明專利]低軌道航天器的近紅外光成像式自主導航敏感器系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710091004.5
• 申請日: 2007-03-29
• 公開（公告）號: CN101275846A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發(fā)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(chǎn)權代理事務所（普通合伙）
• 代理人: 陳代遠

技術領域

本發(fā)明涉及一種應用于航天器自主導航姿態(tài)和軌道測量系統(tǒng)的技術，具體地說是涉及一種低軌道航天器的近紅外光成像式自主導航敏感器系統(tǒng)。

背景技術

在航天器自主導航領域，存在多種自主導航姿態(tài)和位置信息測量系統(tǒng)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EP0589387A1公開了名稱為“Method?and?System?for?Determining?3?AxisSpacecraft?Attitude”，即“三軸航天器姿態(tài)確定方法與系統(tǒng)”。采用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(tài)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(tài)信息。系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tài)信息。該方案雖然解決了三軸姿態(tài)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(tǒng)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。

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(tài)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(tǒng)仿真學報”2005年3月Vol.17，No3，P529發(fā)表的文章“組合大視場星敏感器星光折射衛(wèi)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(tǒng)，同時觀測地球邊緣的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個星敏感器，成本較高，使得3個星敏感器的光軸相交調(diào)整高精度實現(xiàn)困難。

美國Microcosm公司研制了一種自主導航系統(tǒng)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(lián)合確定三軸姿態(tài)和位置，所以精度很高。但是系統(tǒng)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(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種低軌道航天器的近紅外光成像式自主導航敏感器系統(tǒng)，其主要解決低軌道航天器不依賴于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的三軸姿態(tài)和軌道高度一體化高精度實時測量問題。該敏感器不采用半球透鏡和像轉換器，而采用大視場平場近紅外透鏡或者反射式大視場鏡頭設計與折轉反射鏡組合技術克服了美國紫外敏感器存在的紫外光學系統(tǒng)復雜和成本高的缺點，消除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(tǒng)帶來的成本高、由單一光學敏感器與三軸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缺陷。

本發(fā)明的目的是通過下述技術方案來實現(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航敏感器系統(tǒng)包括包括光學測量成像組件、紅外光探測器焦平面組件、慣性測量組件、信息處理與誤差校正處理單元組件；其中所述的光學測量成像組件包括成像鏡頭，恒星成像的折轉反射鏡和地球成像折轉反射鏡。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(tǒng)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于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(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各個敏感器信息進行處理，然后將星敏感器測量信息用于MEMS陀螺的零漂移校正。最后由標準數(shù)據(jù)通訊接口輸出近實時高精度三軸姿態(tài)信息和軌道高度信息。本發(fā)明星敏感器譜段選擇盡可能寬，例如可以采用從可見光到近紅外譜段，在這一譜段的恒星數(shù)量足夠供識別之用。

地球近紅外譜段選為中心波長大于1000nm，譜段寬度小于20nm的光譜。這樣可以保證全天時的測量功能。