CN105352514B - 一种空间导航探测器地面标定的对准纠偏装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间导航探测器地面标定的对准纠偏装置及方法。使用本发明能够实现X射线源和探测器之间的精确对准，实现平行对准误差小于0.02°、中心对准误差小于1mm。本发明包括前车光学测量平台和后车光学测量平台，探测器固定安装在前车光学测量平台上，X射线源固定安装在后车光学测量平台上，前、后车光学测量平台分别位于真空束线通道的前、后两端，首先进行平行度对准，通过调节前或后车光学测量平台的姿态，使得激光光斑的成像位于平行度测量CCD相机的成像中心，然后进行高度、水平位移对准，通过调节前或后车光学测量平台的姿态，使得激光光斑的成像位于位移测量CCD相机的成像中心，最终实现X射线源与探测器的对准。

Description

一种空间导航探测器地面标定的对准纠偏装置及方法

技术领域

本发明涉及空间探测器技术领域，具体涉及一种空间导航探测器地面标定的对准纠偏装置及方法。

背景技术

空间导航探测器一般都需要先在地面完成标定，但目前国内还没有为空间导航探测器做标定的专门机构和试验装置，尚处于探索阶段。

513所依托总装二代导航重大专项课题“脉冲星导航地面试验***”，研制完成了国内最大、功能最齐全、调姿精度最高的大型真空试验设备——真空束线通道。真空束线通道外径达2.1米、总长度17米，为实现探测器的地面高精度对准纠偏提供真空工作环境。

当前的探测器与激光器对准方法或装置校准精度较低，不适用于空间导航探测器的校准纠偏。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空间导航探测器地面标定的对准纠偏装置，能够实现X射线源和探测器之间的精确对准，实现平行对准误差小于0.02°、中心对准误差小于1mm，特别适合于视场范围小、对准精度高的空间导航探测器的标定。

本发明的空间导航探测器地面标定的对准纠偏装置，包括：前车光学测量平台和后车光学测量平台，***设备为X射线源、探测器和真空束线通道；

其中，前、后车光学测量平台分别位于真空束线通道的前、后两端，探测器固定安装在前车光学测量平台上，X射线源固定安装在后车光学测量平台上；前、后车光学测量平台上均安装有伺服机构；

其中，前车光学测量平台上还固定安装有如下测量仪器：位移测量CCD相机、第一半反半透平面镜和第一成像屏幕毛玻璃片；其中，位移测量CCD相机的成像平面与探测器的成像平面位于同一平面，且中心点相对于测量平台的高度相等；第一成像屏幕毛玻璃片位于位移测量CCD相机的焦平面上；第一半反半透平面镜与位移测量CCD相机分别位于第一成像屏幕毛玻璃片的两侧；第一半反半透平面镜镜面与第一成像屏幕毛玻璃片镜面平行；

后车光学测量平台上还固定安装有如下测量仪器：激光器、第二半反半透平面镜、第二成像屏幕毛玻璃片和平行度测量CCD相机；其中，激光器的出射面与X射线源的出射面位于同一平面，且中心点相对于测量平台的高度相等；激光器与X射线源之间的距离与位移测量CCD相机与探测器之间的距离相等；第二半反半透平面镜位于激光器的光路上，并与激光器的光路成45°角；平行度测量CCD相机位于激光照射在第二半反半透平面镜上的一次反射光线的反向延长线上；第二成像屏幕毛玻璃片位于平行度测量CCD相机的焦平面上。

进一步地，前车光学测量平台上还固定安装有第一辅助灯，第一辅助灯位于位移测量CCD相机和第一成像屏幕毛玻璃片之间，避开位移测量CCD相机的成像光路，照射在第一成像屏幕毛玻璃片上；后车光学测量平台上还固定安装有第二辅助灯，第二辅助灯位于平行度测量CCD相机和第二成像屏幕毛玻璃片之间，避开平行度测量CCD相机的成像光路，照射在第二成像屏幕毛玻璃片上。

本发明的空间导航探测器地面标定的对准纠偏方法，包括如下步骤：

步骤1，打开真空束线通道的舱门，开启激光器、平行度测量CCD相机和位移测量CCD相机；激光器发射的激光束经第二半反半透平面镜到达第一半反半透平面镜，其中，激光束与第二半反半透平面镜的交点定义为B点，激光束与第一半反半透平面镜的交点定义为C点，C点的一部分光透射至第一成像屏幕毛玻璃片上，由位移测量CCD相机拍照成像，另一部分反射到第二半反半透平面镜上，并经第二半反半透平面镜反射到第二成像屏幕毛玻璃片上，由平行度测量CCD相机拍照成像；其中，将激光反射光与第二半反半透平面镜的交点定义为D点，将激光反射光与第二成像屏幕毛玻璃片的交点定义为E点；

步骤2，粗调：

步骤2.1，通过伺服机构调整前车光学测量平台或后车光学测量平台的位移及姿态，使得第二半反半透平面镜上的光点D与光点B目测重合；

步骤2.2，进行平行度纠正：观察E点在平行度测量CCD相机中的成像是否位于平行度测量CCD相机的成像中心，如果是，则平行度对准，转入步骤2.3，否则，通过伺服机构调整前车或后车光学测量平台，使得E点在平行度测量CCD相机中的成像位于平行度测量CCD相机的成像中心，完成平行度纠正，转入步骤2.3；

步骤2.3，进行高度和水平位移纠正：观察第一成像屏幕毛玻璃片上的光斑在位移测量CCD相机中的成像是否位于位移测量CCD相机的成像中心，如果是，则高度和水平位移对准，转入步骤3，否则，通过伺服机构调整前车或后车光学测量平台，使得第一成像屏幕毛玻璃片上的光斑在位移测量CCD相机中的成像位于位移测量CCD相机的成像中心，完成高度和水平位移对准，转入步骤3；

步骤3，关闭真空束线通道的舱门，进行抽真空，当真空束线通道的真空度达到真空度要求后，首先进行平行度纠正，使得平行度测量CCD相机拍摄的激光光斑位于其成像中心；然后进行高度和水平位移纠正，使得位移测量CCD相机拍摄的激光光斑位于其成像中心，完成探测器与X射线源之间的对准。

有益效果：

(1)该装置能够实现探测器和X射线源的精确对准，平行度对准误差小于0.02°、高度对准误差小于1mm，满足空间导航探测器标定需求；

(2)该装置操作灵活，即便是探测器和X射线源因位置变化而出现偏差，也能够自动或手动纠正回来；

(3)该装置还可以为聚焦型探测器、天文观测卫星有效载荷的标定提供准确的视场对准功能。

附图说明

图1为本发明对准纠偏装置的光学原理图。

图2为平行度对准纠偏示意图。

图3为高度和水平位移对准纠偏示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种空间导航探测器地面标定的对准纠偏装置，如图1所示，包括前车光学测量平台和后车光学测量平台，其中，探测器固定安装在前车光学测量平台上，X射线源固定安装在后车光学测量平台上，前、后车光学测量平台分别位于真空束线通道的前、后两端，测量平台上装有位移、姿态伺服机构，能够实现测量平台的水平平移、高度升降，并能实现沿其3维坐标轴均可旋转。前、后车光学测量平台分别构建在各自的刚性基座上，这两个刚性基座分别与前、后车的基准平板(即探测器和X射线源的安装平板)又构成刚性连接。因此，前、后车基准平板的相对位置变化，就能够经与它们刚性连接的前、后车光学测量平台上观测出来，进而反映出探测器和X射线源的对准情况。

其中，前车光学测量平台上固定安装如下测量仪器：位移测量CCD相机、第一半反半透平面镜60mm×60mm×2mm、第一成像屏幕毛玻璃片60mm×60mm×2mm和第一辅助灯。其中，位移测量CCD相机的成像平面与探测器的成像平面在同一平面上，且中心点相对于前车光学测量平台的高度相等。第一成像屏幕毛玻璃片的中心位于位移测量CCD相机的成像焦点上，镜面与位移测量CCD相机的中心轴线相垂直。第一半反半透平面镜与位移测量CCD相机分别位于第一成像屏幕毛玻璃片的两侧；第一半反半透平面镜镜面与第一成像屏幕毛玻璃片镜面平行，且两镜面中心高度相等；第一半反半透平面镜可以贴在第一成像屏幕毛玻璃片上，采用毛玻璃片可以使得激光光斑的亮度均匀，避免光斑强度不均带来的测量误差。第一辅助灯位于位移测量CCD相机和第一成像屏幕毛玻璃片之间，避开位移测量CCD相机的成像光路，照射在第一成像屏幕毛玻璃片上，用于提供辅助光，避免光线过暗照成位移测量CCD相机成像模糊。

后车光学测量平台上固定安装如下测量仪器：高精度激光器(出射光直径20mm)、第二半反半透平面镜100mm×100mm×2mm、第二成像屏幕毛玻璃片110mm×100mm×2mm、平行度测量CCD相机和第二辅助灯。其中，高精度激光器的出射面与X射线源的出射面在同一平面上，且中心点相对于后车光学测量平台的高度相等，并且，高精度激光器与X射线源之间的距离与位移测量CCD相机与探测器之间的距离相等，因此，X射线源与探测器之间的对准情况等同于高精度激光器与位移测量CCD相机之间的对准情况，能够通过调节高精度激光器与位移测量CCD相机之间的对准，实现X射线源与探测器的对准。

其中，选用高精度激光器能够实现激光光斑尽可能的小，减小由于光斑扩散带来的***误差。

其中，第二半反半透平面镜位于高精度激光器的光路上，并与高精度激光器的光路成45°角；平行度测量CCD相机位于高精度激光器激光照射在第二半反半透平面镜上的一次反射光线的反向延长线上；第二成像屏幕毛玻璃片位于第二半反半透平面镜与平行度测量CCD相机之间，且第二成像屏幕毛玻璃片的中心位于平行度测量CCD相机的焦点上，镜面与平行度测量CCD相机的中心轴线相垂直。第二辅助灯位于平行度测量CCD相机和第二成像屏幕毛玻璃片之间，避开平行度测量CCD相机的成像光路，照射在第二成像屏幕毛玻璃片上，用于提供辅助光，避免光线过暗照成平行度测量CCD相机成像模糊。

光学测量原理如下：如果X射线源与探测器处于对准状态，则本发明的对准纠偏装置的光路如图1所示，高精度激光器发射激光束自A点射出，经第二半反半透平面镜的B点到达第一半反半透平面镜的C点，C点的一部分光透射至第一成像屏幕毛玻璃片上，由位移测量CCD相机拍照成像，另一部分反射到第二半反半透平面镜的D点(此时，B点和D点重合)，并经第二半反半透平面镜反射到第二成像屏幕毛玻璃片的E点，由平行度测量CCD相机拍照成像。此时，高精度激光器与位移测量CCD相机之间的高度、水平位移对准情况(即X射线源与探测器之间的高度、水平位移对准情况)由位移测量CCD相机拍摄，第一成像屏幕毛玻璃片上的光斑位于位移测量CCD相机的成像中心；高精度激光器与位移测量CCD相机之间的平行度对准情况(即X射线源与探测器之间的平行度对准情况)由平行度测量CCD相机拍摄，第二成像屏幕毛玻璃片上的光斑E点位于平行度测量CCD相机的成像中心。两台CCD相机拍摄的光斑，经光斑中心实时化处理和图像二值化算法处理，成像在计算机屏幕上。

如果X射线源与探测器之间存在偏差，则对其进行对准纠偏，过程如下：

1)平行度对准纠偏过程：

如图2所示，如果X射线源与探测器之间仅存在平行度偏差，则高精度激光器发出的激光束经A点、B点到达C点后，经第一半反半透平面镜反射至第二半反半透平面镜的D点处(此时，D点和B点不重合)，再经第二半反半透平面镜反射至第二成像屏幕毛玻璃片的E点，由平行度测量CCD相机拍照并传送到计算机上。由于X射线源与探测器之间存在平行度偏差，E点成像会偏离平行度测量CCD相机的成像中心，如图2中的图(d)所示，平行度测量CCD相机采集到的光斑会偏离其成像十字线中心。此时，前、后车光学测量平台中其中一个保持不动，调整另一个的姿态，使得E点位于平行度测量CCD相机成像的十字线中心。考虑到探测器体积、重量较大，可使前车光学测量平台保持不动，调整后车光学测量平台，使其沿垂直轴旋转直至E点成像回到平行度测量CCD相机成像的十字线中心，完成平行度对准纠偏。

2)高度、水平位移对准纠偏过程：

如图3所示，如果X射线源与探测器之间仅存在高度和水平位移偏差，则高精度激光器发出的激光束经A点、B点到达C点后，经第一半反半透平面镜透射至第一成像屏幕毛玻璃片上，由位移测量CCD相机拍照并传送至计算机。当X射线源与探测器高度和水平位移未对准时，第一成像屏幕毛玻璃片上的光斑会偏离位移测量CCD相机的成像中心，如图3中的图(e)所示，位移测量CCD相机采集到的光斑会偏离其成像十字线中心。此时，前、后车光学测量平台中其中一个保持不动，调整另一个的高度和水平位移，使得第一成像屏幕毛玻璃片上的光斑位于位移测量CCD相机的成像中心。例如，可以使后车光学测量平台保持不动，调整前车光学测量平台，使其沿垂直轴上下移动或水平左右移动直至成像回到十字线中心，完成高度对准纠偏。

3)高度与水平位移、平行度综合误差的修正

一般情况下，X射线源与探测器之间同时存在平行度误差和高度与水平位移误差，考虑到前、后车光学测量平台间的相对平行度及相对平移运动都会造成位移测量CCD相机中光斑的移动，因此，首先进行平行度偏差修正，在修正了前、后车光学测量平台间的不平行的情况下，位移测量CCD相机成像中光斑的相对于刻线中心的位置就直接反映的是前后车光学测量平台的纯高度和水平位移的偏差了。然后再修正高度和水平位移偏差，使得X射线源与探测器对准。

在进行具体的X射线源与探测器地面对准纠偏操作时，可按照如下步骤进行：

步骤一，打开真空束线通道的舱门，将安装了探测器、X射线源以及各测量仪器的前车光学测量平台和后车光学测量平台分别放置于真空束线通道的前、后两端，调整前车光学测量平台和后车光学测量平台，使得高精度激光器发出的激光束经C点的反射光在第二半反半透平面镜上的光点D与光点B目测重合，完成探测器、X射线源之间平行度的粗调，然后继续调整前车或后车光学测量平台，使得第二成像屏幕毛玻璃片上的光斑E点位于平行度测量CCD相机的成像中心，然后继续调整前车或后车光学测量平台，使得第一成像屏幕毛玻璃片上的光斑位于位移测量CCD相机的成像中心。

步骤二，关闭真空束线通道的舱门，进行抽真空，真空束线通道达到真空度要求后，通过平行度测量CCD相机和位移测量CCD相机观察其各自拍摄的激光光斑是否位于其成像中心，如果激光光斑偏离其成像中心，则调整前车或后车光学测量平台，按先进行平行度偏差修正、后进行高度和水平位移偏差修正的方式，完成探测器、X射线源的对准。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种空间导航探测器地面标定的对准纠偏装置，其特征在于，包括：前车光学测量平台和后车光学测量平台，***设备为X射线源、探测器和真空束线通道；

其中，前、后车光学测量平台分别位于真空束线通道的前、后两端，探测器固定安装在前车光学测量平台上，X射线源固定安装在后车光学测量平台上；前、后车光学测量平台上均安装有伺服机构；

其中，前车光学测量平台上还固定安装有如下测量仪器：位移测量CCD相机、第一半反半透平面镜和第一成像屏幕毛玻璃片；其中，位移测量CCD相机的成像平面与探测器的成像平面位于同一平面，且中心点相对于测量平台的高度相等；第一成像屏幕毛玻璃片位于位移测量CCD相机的焦平面上；第一半反半透平面镜与位移测量CCD相机分别位于第一成像屏幕毛玻璃片的两侧；第一半反半透平面镜镜面与第一成像屏幕毛玻璃片镜面平行；

后车光学测量平台上还固定安装有如下测量仪器：激光器、第二半反半透平面镜、第二成像屏幕毛玻璃片和平行度测量CCD相机；其中，激光器的出射面与X射线源的出射面位于同一平面，且中心点相对于测量平台的高度相等；激光器与X射线源之间的距离与位移测量CCD相机与探测器之间的距离相等；第二半反半透平面镜位于激光器的光路上，并与激光器的光路成45°角；平行度测量CCD相机位于激光照射在第二半反半透平面镜上的第一次反射光线的反向延长线上；第二成像屏幕毛玻璃片位于平行度测量CCD相机的焦平面上。

2.如权利要求1所述的空间导航探测器地面标定的对准纠偏装置，其特征在于，前车光学测量平台上还固定安装有第一辅助灯，第一辅助灯位于位移测量CCD相机和第一成像屏幕毛玻璃片之间，避开位移测量CCD相机的成像光路，照射在第一成像屏幕毛玻璃片上；后车光学测量平台上还固定安装有第二辅助灯，第二辅助灯位于平行度测量CCD相机和第二成像屏幕毛玻璃片之间，避开平行度测量CCD相机的成像光路，照射在第二成像屏幕毛玻璃片上。

3.一种采用如权利要求1或2所述的空间导航探测器地面标定的对准纠偏装置的对准纠偏方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，打开真空束线通道的舱门，开启激光器、平行度测量CCD相机和位移测量CCD相机；激光器发射的激光束经第二半反半透平面镜到达第一半反半透平面镜，其中，激光束与第二半反半透平面镜的交点定义为B点，激光束与第一半反半透平面镜的交点定义为C点，C点的一部分光透射至第一成像屏幕毛玻璃片上，由位移测量CCD相机拍照成像，另一部分反射到第二半反半透平面镜上，并经第二半反半透平面镜反射到第二成像屏幕毛玻璃片上，由平行度测量CCD相机拍照成像；其中，将激光反射光与第二半反半透平面镜的交点定义为D点，将激光反射光与第二成像屏幕毛玻璃片的交点定义为E点；

步骤2，粗调：

步骤2.1，通过伺服机构调整前车光学测量平台或后车光学测量平台的位移及姿态，使得第二半反半透平面镜上的光点D与光点B目测重合；

步骤2.2，进行平行度纠正：观察E点在平行度测量CCD相机中的成像是否位于平行度测量CCD相机的成像中心，如果是，则平行度对准，转入步骤2.3，否则，通过伺服机构调整前车或后车光学测量平台，使得E点在平行度测量CCD相机中的成像位于平行度测量CCD相机的成像中心，完成平行度纠正，转入步骤2.3；

步骤2.3，进行高度和水平位移纠正：观察第一成像屏幕毛玻璃片上的光斑在位移测量CCD相机中的成像是否位于位移测量CCD相机的成像中心，如果是，则高度和水平位移对准，转入步骤3，否则，通过伺服机构调整前车或后车光学测量平台，使得第一成像屏幕毛玻璃片上的光斑在位移测量CCD相机中的成像位于位移测量CCD相机的成像中心，完成高度和水平位移对准，转入步骤3；

步骤3，关闭真空束线通道的舱门，进行抽真空，当真空束线通道的真空度达到真空度要求后，首先进行平行度纠正，使得平行度测量CCD相机拍摄的激光光斑位于其成像中心；然后进行高度和水平位移纠正，使得位移测量CCD相机拍摄的激光光斑位于其成像中心，完成探测器与X射线源之间的对准。