[發(fā)明專利]多視場分離的地球敏感器

有效

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• 申請日: 2013-08-07
• 公開（公告）號: CN103398711A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尤政;邢飛;王洪劍;李濱;樊佩榮
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及天文導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多視場分離的地球敏感器。

背景技術(shù)

紅外地球敏感器作為一種重要的天文導(dǎo)航敏感器，廣泛運用于衛(wèi)星的姿態(tài)確定等方面。紅外地球敏感器是一種熱敏裝置，通過探測地球邊14-16μm波段的CO₂吸收帶，來測量地球大氣輻射圈所形成的地平圓，從而克服季節(jié)變化、地球表面以及地表輻射差異對地平圓的影響。目前，紅外地球敏感器雖然有精度較低的缺點，卻因為其對空間射線具有更強的容忍度，已經(jīng)成為地球軌道衛(wèi)星定姿的一種主要方式。

紅外地球敏感器按照工作原理可以分為靜態(tài)紅外地平儀和動態(tài)掃描式紅外地平儀兩種。動態(tài)地球敏感器技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，但由于存在機械運動部件，重量和能耗都比較大，壽命也有限，發(fā)展受到各方面的限制；而靜態(tài)地球敏感器由于其無機械掃描運動，在質(zhì)量、功耗、精度與使用壽命等方面都比動態(tài)地球敏感器存在優(yōu)勢，因此靜態(tài)紅外敏感器已經(jīng)逐漸成為各國研究的重點。目前，地球敏感器主要運用于衛(wèi)星的姿態(tài)測量，軌道高度為500km及以上，并且大多數(shù)地球敏感器是單視場，不適用于低軌道尤其是70km～100km的飛行器。

因此，設(shè)計一種能夠適用于航空器的、高精度地球敏感系統(tǒng)很有必要。它不僅能夠為飛行器提供高精度的姿態(tài)和高度信息，還可以配合其他敏感器實現(xiàn)飛行器的自主天文導(dǎo)航。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的第一個目的在于提出一種既能提供精確的飛行器的高度和姿態(tài)信息，又可以與其他敏感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)飛行器的自主導(dǎo)航的多視場分離的地球敏感器。

本發(fā)明的多視場分離的地球敏感器，包括：線陣紅外探測器，所述線陣紅外探測器用于敏感地球CO₂紅外吸收帶的厚度；多視場系統(tǒng)，所述多視場系統(tǒng)用于探測地球紅外輻射與真空的邊緣，來測量地球大氣輻射圈所形成的地平圓，進(jìn)而獲得地心矢量；以及測量單元，所述測量單元用于根據(jù)已知的地球的半徑和CO₂紅外吸收帶的厚度來測算飛行器姿態(tài)和高度。

在本發(fā)明的一個示例中，所述多視場系統(tǒng)包括由n個投影在水平面上互成的視場組成。

在本發(fā)明的一個示例中，所述的線陣紅外探測器敏感的是波長為14～16μm的CO₂紅外吸收帶。

在本發(fā)明的一個示例中，所述的測量單元通過所述線陣紅外探測器，即線陣紅外CCD，直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。

在本發(fā)明的一個示例中，所述的測量單元是針對飛行高度在70km～100km的飛行器。

在本發(fā)明的一個示例中，所述測量單元中，建立地球敏感器觀測地球模型，通過敏感地平圓來獲得地心方向，根據(jù)以下算法計算所述飛行器的姿態(tài)和高度信息：

（1）根據(jù)所述觀測地球模型，有幾何關(guān)系其中，θ表示地心矢量與入射光線所夾的銳角，為所述多視場分離的地球敏感器的安裝角，R為地球半徑，r為CO₂紅外吸收帶厚度；

（2）假設(shè)飛行器初始坐標(biāo)系為X₁Y₁Z₁，飛行器依次繞Z軸、X軸、Y軸轉(zhuǎn)動α、β、γ的角度，轉(zhuǎn)動后的本體坐標(biāo)系為X₂Y₂Z₂，由于所述多視場地球敏感器關(guān)于Z軸旋轉(zhuǎn)對稱，且所述觀測地球模型也關(guān)于Z周旋轉(zhuǎn)對稱，因此繞Z軸的轉(zhuǎn)動對于觀測結(jié)果沒有影響，故取α=0，根據(jù)歐拉角旋轉(zhuǎn)矩陣獲得飛行器初始坐標(biāo)系到新坐標(biāo)系的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣：