[實用新型]基于二維光柵的雙軸干涉星敏感器裝置

有效

• 申請號: 201721084130.3
• 申請日: 2017-08-28
• 公開（公告）號: CN207600470U
• 公開（公告）日: 2018-07-10
• 發明（設計）人: 杜娟;白劍;黃瀟;羅宇杰;羅宇鵬
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本實用新型公開了一種基于二維光柵的雙軸干涉星敏感器裝置，該裝置在傳統光學系統前加入泰伯干涉組件，該干涉組件為兩塊二維光柵及楔形鏡組陣列組成。第二二維光柵設置于第一二維光柵的某一泰伯距離處，且第二二維光柵相對于第一二維光柵沿光軸旋轉一定角度使得在通光孔徑內僅得到一個莫爾條紋。楔形鏡組陣列由四塊相同的方形光楔組成，將光分為四個方向，最終在CCD上形成四個星點，通過探測四個星點的相對強度分布，可獲得入射星光的角度變化。相對于傳統的星敏感器，本實用新型可探測的理論精度優于0.2角秒。由于采用二維光柵，可同時探測兩個方向上的角度變化，結構緊湊，體量輕巧，適用于航空航天等領域。

技術領域

本實用新型涉及一種用于跟蹤定位的星敏感器系統，尤其涉及一種基于二維光柵的雙軸干涉星敏感器裝置。

背景技術

星敏感器以恒星為參考基準，具有精度高、自主性強、不受軌道影響的特點，是目前所有姿態敏感器中精度最高的敏感器，可以達到角秒級。與其它姿態敏感器相比，星敏感器具有精度高、重量輕、功耗低、無漂移和工作方式多種多樣等優點，新一代的星敏感器與慣性陀螺一樣具有自主導航的能力，是一種優良的和有前途的姿態測量設備。星敏感器的姿態信息來自于恒星星光的方向矢量在慣性參考坐標系的指向和恒星星光方向矢量在星敏感器測量坐標系的指向。由于恒星的張角很小，經過幾百年的天文觀測，它們在地心慣性參考系中的方位是精確已知的。星敏感器可以提供其測量坐標系中的高精度恒星位置測量，所以測算得出的星敏感器的姿態角精度可以精確到角秒級。目前對星敏感器的研究和應用非常活躍，并已廣泛應用于地球遙感、地球測繪、深空探測、行星測繪、星際通訊和洲際導彈等航空航天領域。

傳統的星敏感器光學系統通過探測星點在像面上彌散圓的位置，利用光學系統的焦距計算得到星點相對于光學系統的光線入射角度，其入射光線的定位精度主要取決于光學系統的視場、探測器的陣列數，以及判斷彌散圓質心的算法精度。當探測器陣列數一定時，恒星位置的測量精度與視場角大小之間是矛盾的：小的視場角可得到較高的測量精度，但視場中可捕獲的導航星數量比較少，導致星敏感器星探測能力的降低，不利于星圖識別和飛行器的動態性能；而大的視場角會導致測量精度變差。這種矛盾在高動態飛行的航天器中更加突出：高精度姿態確定要求采用較小的星敏感器視場角，但由于航天器的飛行動態范圍大，不能保證在每一時刻視場中都能同時拍到足夠的導航星。這樣會限制星敏感器的星探測能力和造成姿態確定精度的下降。以全視場20度、探測器陣列數為1K×1K，判斷彌散圓質心1/20像元精度為例，入射光線定位精度最高可達到2.5角秒。提高探測器的陣列數固然可以提高探測精度，但這種提升是有限的，并且會帶來額外的花費。

當用單色平行光垂直照射一維光柵，在光柵后周期性距離處會出現光柵的像，這種光柵的自成像效應被稱為泰伯效應。在第一塊光柵的某一泰伯距離處放置第二塊相同的一維光柵，并令其沿光軸旋轉某個微小角度，則第二塊光柵會與第一塊光柵的自成像疊柵而形成一維莫爾條紋。當入射光線角度變化時，莫爾條紋會發生移動，通過測量莫爾條紋的移動可探測入射角度的變化。在光學系統前放置兩個Ronchi光柵可構成干涉型星敏感器，利用莫爾條紋的移動高精度探測入射角度。然而該方法僅能探測一個軸上的角度變化，若要實現雙軸探測，需要將兩個單軸光柵耦合，使整體的體積重量增大。與一維光柵相同,二維光柵也存在著自成像效應，其中振幅型光柵獲得整數泰伯效應,相位型光柵獲得分數泰伯效應。由于相位型光柵對光強幾乎沒有衰減，比振幅型光柵具有更高的光利用效率，所以在光柵剪切成像系統中，多選用相位型。

實用新型內容

本實用新型的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于二維光柵的雙軸干涉星敏感器裝置，可以在不犧牲探測視場的前提下大大提升星敏感器的雙軸探測精度。該裝置通過在傳統光學系統前加入干涉組件，利用莫爾圖案的移動來探測入射角度的變化，采用二維相位光柵，不需耦合兩個單軸星敏感器，即可同時測探兩個方向的角度的高精密變化，體積輕巧。