CN106679695B - 一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法 - Google Patents

一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法，包含如下步骤：S1，将静态光星模拟器安装在星敏感器上，并将静态光星模拟器和星敏感器一同置于真空罐中；S2，对星敏感器的焦平面施加温度变化激励，采集星敏感器所输出的姿态测量曲线，得出焦平面热变形对姿态输出误差。

Description

一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法
技术领域
本发明特别涉及一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法。
背景技术
随着我国航天事业的迅猛发展，高分辨率对地观测卫星的研制需求日益迫切，其姿态的精确测量采用的是星敏感器，由此星敏感器是目前航天器姿态测量的重要部件。要实现高精度姿态测量，就要对其各个环节进行把控。星敏感器通常由光学及精密结构***、光电探测器及信号处理电路和软件等三部分组成。在轨运行期间，空间环境恶劣，会遇到各种复杂的温度工况，因此特别考验光电探测***的热稳定性。基于星敏感器技术，光电探测器拍摄视轴指向星空的图像，图像经过信号处理电路提取出星点的位置和亮度信息，通过星图识别算法在导航星库中找到观测星的对应匹配，利用这些匹配星对的方向矢量信息计算出星敏感器三轴姿态信息，从而确定航天器的空间姿态。
星敏感器所得到精确的三轴姿态信息离不开光电探测器的基本保证。光电探测器置于光学***的焦面位置，用于拍摄视轴指向的星空图像，得以确定星点的准确位置(包括X方向坐标、Y方向坐标、星点灰度信息等)，主要用于恒星位置的精确定位。从在轨飞行数据和地面热真空试验可见，环境温度的变化对星敏感器所输出的姿态角测量精度具有一定影响，由此可知光电探测器在温度变化的过程中存在形变，以致星点的二维平面坐标发生变动，在星点质心解算过程中引入误差，所求解的姿态转移矩阵及最终所输出的姿态精度亦带入偏差。因此有必要分析焦平面热变形因素对姿态计算精度的影响，为获取高精度姿态提供基本依据。
目前，基于焦平面热变形的测试领域还属空白，尚未提及该方面的测试与研究。本发明给出了一种星敏感器焦平面热变形的测试方法，针对焦平面热变形对星敏感器姿态精度的影响进行简洁有效的测试。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法，测量星敏感器在周期性温变激励下输出的姿态测量精度曲线的变化量，进而为修正由于探测器形变带来的测量误差提供理论依据和实际参考。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法，其特点是，包含如下步骤：
S1，将静态光星模拟器安装在星敏感器上，并将静态光星模拟器和星敏感器一同置于真空罐中；
S2，对星敏感器的焦平面施加温度变化激励，采集星敏感器所输出的姿态测量曲线，得出焦平面热变形对姿态输出误差。
所述的步骤S1中星敏感器通过适配环固定静态光星模拟器，当温度变化时，所述星敏感器的焦平面的形变高于适配环和静态光星模拟器的形变。
所述的静态光星模拟器模拟生成天区中一幅静态星图，星敏感器对准静态星图拍摄，数据处理***会解算出该静态星图所在天区的赤经、赤纬。
所述的步骤S2中在得出焦平面热变形对姿态输出误差之前需要扣除由于环境温度变化导致的星敏感器光轴指向变化趋势项。
所述的得出焦平面热变形对姿态输出误差具体包含：
取波动周期内的温度波动、赤经波动和赤纬波动数据；
计算赤经角波动周期最大值及赤纬角波动周期最大值，并得出焦平面热变形对姿态输出误差。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过测量星敏感器在周期性温变激励下输出的姿态测量精度曲线的变化量，进而为修正由于探测器形变带来的测量误差提供理论依据和实际参考。
附图说明
图1为本发明一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试***的结构图；
图2为本发明一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法流程图；
图3为星敏感器热真空试验时光轴指向与温度变化曲线；
图4为星敏感器热真空试验时光轴指向与温度变化曲线(扣除趋势项)。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
在真空罐中对星敏感器施加温度变化激励，探测器像面产生形变，星点位置信息发生改变，从而所输出的姿态曲线产生变化。该变化量的具体计算如下所述。
设探测器所拍实测星点的位置坐标为(x，y)，为描述星点在空间的位置，将探测器像平面坐标系转换成像空间坐标系，坐标原点在星敏感器的光心位置，z轴与星敏感器的光轴重合，x、y与探测器面的边缘平行，星点在星敏感器本体坐标系下的位置为[x y z]t。星点为焦距在探测器靶面上的垂足，(x′，y′)为畸变校正后的星点质心，均由标定结果可知。因此星光方向矢量在星敏感器本体坐标系下的坐标如公式(1)：
Figure GDA0002696279290000031
式中f为星敏感器焦距。基于J2000.0坐标系对应在天球坐标系下的坐标如公式(2)，则星光方向矢量在天球坐标系下的坐标为：
Figure GDA0002696279290000032
w＝Tv (3)
T为姿态转移矩阵。通过Quest算法，即可求出星敏感器所拍星图的姿态计算结果。此时如果光电探测器形变所致星点位置信息变化为(Δx,Δy)，则实际观测星矢量与理想的星矢量存在偏差，由上述公式可知，所输出的姿态计算结果亦随之改变，因此焦平面热变形对星敏感器输出的测量姿态引入误差。
截取-50℃低温保持数据段进行探测器温变激励。在-50℃低温保持过程中控制致冷器至一定温度，观测星敏感器输出姿态曲线的变化。开致冷器后的数据曲线图，再与其之前保存的数据曲线进行对比即是焦平面由于周期温变激励产生形变对星点位置变化的影响。取该波动周期内的数据进行评估，从而求出焦平面组件热变形造成的测量误差。
为此，如图1、2所示，本发明提供了一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法，包含如下步骤：
S1，将静态光星模拟器1安装在星敏感器2上，并将静态光星模拟器1和星敏感器2一同置于真空罐3中；其中星敏感器与数据处理***4相连。使用轻量化的适配环套在星敏感器遮光罩上，在其上安放匹配好的静态光星模模拟器。本实施例中，采用的星敏感器和静态光星模模拟器均采用无热设计的方法处理温度对产品的成像质量的影响，即通过一定的补偿技术，使光学***在一个较大的温变环境下保持焦距不变或变化微小。避免由于温差对空间光学***的精度带入的巨大影响。
S2，真空罐内开始抽真空，使之真空度保持在1.3×103pa，然后开始升降温至±50℃循环，致冷器对星敏感器的焦平面施加温度变化激励，采集星敏感器所输出的姿态测量曲线，得出焦平面热变形对姿态输出误差。
上述的静态光星模拟器模拟生成天区中一幅静态星图，星敏感器对准静态星图拍摄数据处理***会解算出该星图所在天区的赤经、赤纬。
上述的步骤S1中星敏感器通过适配环固定静态光星模拟器，当温度变化时，所述星敏感器的焦平面的形变高于适配环和静态光星模拟器的形变。
上述的步骤S2中在得出焦平面热变形对姿态输出误差之前需要扣除由于环境温度变化导致的星敏感器光轴指向变化趋势项，该趋势项通过7阶多项式拟合求出，如图3。扣除后赤经、赤纬的波动仅与致冷器施加的温变激励相关，由此可以考核焦平面温度形变引入的测量误差。
上述的得出焦平面热变形对姿态输出误差具体包含：
通过数据处理***可得出温度波动曲线、姿态(赤经、赤纬)波动曲线，取波动周期内的温度波动、赤经波动和赤纬波动数据；
由数据处理***扣除趋势项后所得姿态曲线如图4，取赤经角波动周期最大值与赤纬角波动周期最大值，可得出焦平面热变形对姿态输出误差，设赤经角波动周期最大值为a，赤纬角波动周期最大值为b，焦平面温度变化导致的光轴漂移量可估算为
Figure GDA0002696279290000051
温度变化量为N℃，则焦平面热变形造成的测量误差约为M/N(arcsec/℃)。
综上所述，本发明一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法，测量星敏感器在周期性温变激励下输出的姿态测量精度曲线的变化量，进而为修正由于探测器形变带来的测量误差提供理论依据和实际参考。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (1)

1.一种基于星敏感器的焦平面热变形的测试方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1，将静态光星模拟器安装在星敏感器上，并将静态光星模拟器和星敏感器一同置于真空罐中；
S2，对星敏感器的焦平面施加温度变化激励，采集星敏感器所输出的姿态测量曲线，得出焦平面热变形对姿态输出误差；
所述的步骤S1中星敏感器通过适配环固定静态光星模拟器，当温度变化时，所述星敏感器的焦平面的形变高于适配环和静态光星模拟器的形变；所述的静态光星模拟器模拟生成天区中一幅静态星图，星敏感器对准静态星图拍摄，数据处理***会解算出该静态星图所在天区的赤经、赤纬；所述的步骤S2中在得出焦平面热变形对姿态输出误差之前需要扣除由于环境温度变化导致的星敏感器光轴指向变化趋势项；
所述的得出焦平面热变形对姿态输出误差具体包含：
取波动周期内的温度波动、赤经波动和赤纬波动数据；
计算赤经角波动周期最大值及赤纬角波动周期最大值，并得出焦平面热变形对姿态输出误差；
由数据处理***扣除趋势项后，取波动周期内赤经角最大值与赤纬角最大值，设波动周期内赤经角最大值为a，波动周期内赤纬角最大值为b，焦平面温度变化导致的光轴漂移量估算为
Figure FDA0002716975350000011
温度变化量为N，则焦平面热变形造成的测量误差为M/N。
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