CN107367275A - 一种高轨卫星自主导航敏感器 - Google Patents

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Abstract

一种高轨卫星自主导航敏感器，包括恒星视场遮光罩、地球视场遮光罩、光学***、探测电路、处理电路。光学***为可见光/紫外光双谱段共像面光学***，其具有恒星视场与地球视场两个互相垂直的视场通道，将恒星视场通道入射的可见光与地球视场通道入射的紫外光叠加汇聚成像到同一个像面上，并对地球紫外光进行衰减实现地球与恒星成像能量匹配。光学***出射光照到探测电路的CMOS图像传感器上，由探测电路将光信号转换为数字图像并将图像传输给处理电路。处理电路对图像进行处理计算得到地心矢量与三轴惯性姿态用于卫星自主导航。本发明兼具地球敏感器与星敏感器的功能，且具有实现简单、功耗低、重量轻、测量精度高的特点。

Description

一种高轨卫星自主导航敏感器
技术领域
本发明涉及一种卫星自主导航敏感器，尤其涉及一种高轨卫星自主导航敏感器，属于卫星自主导航技术领域。
背景技术
航天器自主导航是航天器控制技术发展的趋势,它在减轻地面测控负担、降低航天器运行费用、提高航天器生存能力等方面具有重要意义。应用和研究较多的光学导航为红外地球敏感器加星敏感器的导航方法。但传统的红外地球敏感器测量精度低，直接影响了航天器定轨精度。另外，两个敏感器之间还存在结构变形、安装偏差等带来的对测量精度的影响。
目前，在现有技术中，有些敏感器采用环形视场对地球边缘区域成像，其环形视场又分成多个子视场分段对地球边缘探测。且该敏感器地球与恒星分别成像到探测器上不同区域，只适用于中低轨道卫星，不适用于高轨道卫星。
另外，利用地球紫外谱段与恒星可见光谱段的导航敏感器，该敏感器地球视场与恒星视场分别采用了两个独立的光学镜头，采用了CCD图像传感器作为探测器，且地球与恒星分别成像到探测器上不同区域，此种导航敏感器采用两个光学镜头分别对地球与恒星成像，并采用CCD图像传感器作为探测器，不利于产品的小型化、低功耗设计。
还有一些敏感器采用单谱段单光学镜头同时探测恒星和地球，同时也提到了可采用双谱段双光学镜头分别探测恒星和地球。采用双谱段双光学镜头方案不利于产品小型化设计。如果采用单紫外谱段光学镜头同时对地球和恒星成像，由于图像传感器在紫外谱段量子效率低，而恒星能量又很弱，给设计带来了难度。如果采用单可见光谱段光学镜头同时对地球和恒星成像，由于地球大气的影响，会造成地球测量精度的降低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高轨卫星自主导航敏感器，其可同时探测地球紫外光与恒星可见光，输出地心矢量与三轴惯性姿态，兼具地球敏感器与星敏感器的功能，且实现简单、功耗低、精度高。
本发明的技术解决方案是：一种高轨卫星自主导航敏感器，包括：恒星视场遮光罩、地球视场遮光罩、光学***、探测电路、处理电路；光学***为可见光/紫外光双谱段共像面光学***，具有恒星视场与地球视场两个互相垂直的视场通道，光学***对地球紫外光进行衰减实现地球与恒星成像能量匹配，并将恒星视场通道入射的可见光与地球视场通道入射的紫外光叠加汇聚成像到同一个像面上，光学***出射的光照到探测电路上；探测电路接收光学***出射的光信号，探测电路将光信号转换为数字图像并将数字图像传输给处理电路；处理电路对探测电路传输的数字图像进行处理计算，得到敏感器的地心矢量与三轴惯性姿态用于卫星自主导航；所述恒星视场遮光罩、地球视场遮光罩分别安装于光学***恒星视场、光学***地球视场通道上，用于抑制太阳、月亮的杂散光线进入光学***。
所述光学***包括紫外滤光片与衰减片、分光镜、汇聚透镜；紫外滤光片与衰减片位于光学***地球视场入口端，与地球视场光轴垂直，滤除地球紫外波段外的其他光线，并对紫外光进行能量衰减；分光镜位于紫外滤光片与衰减片后方，与地球视场光轴夹角呈°；汇聚透镜位于分光镜后端，与恒星视场光轴垂直；恒星发出的光线经分光镜透射后进入汇聚透镜，分光镜同时滤除恒星可见光之外的其他光线；地球发出的光线经紫外滤光片与衰减片后照射到分光镜上，由分光镜反射后进入汇聚透镜；恒星可见光与地球紫外光经汇聚透镜后叠加成像到同一个像面上。
所述探测电路包括CMOS图像传感器与接口驱动模块，CMOS图像传感器位于光学***光出射端的像面上，将光信号转换为数字图像并发送至接口驱动模块；接口驱动模块将CMOS图像传感器发送的图像信号发送给处理电路。
所述处理电路包括FPGA模块、2个图像SRAM模块、处理器模块；FPGA模块接收探测电路输出的图像，并将图像同时存入两个图像SRAM模块中，FPGA模块读取其中一个图像SRAM模块中的图像数据传输至外部设备；处理器模块读取另一个图像SRAM模块中的图像数据进行处理，获得敏感器的地心矢量和三轴惯性姿态。
所述光学***恒星视场的取值范围为30°～40°。
所述光学***恒星视场的恒星探测谱段采用500nm～800nm的可见光谱段。
所述光学***地球视场的取值范围为30°～40°。
所述光学***地球视场的地球探测谱段采用350nm～360nm的紫外谱段。
所述紫外滤光片与衰减片对地球紫外谱段光能量的衰减为98.5％～99.5％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明提出的自主导航敏感器可同时输出地心矢量与三轴惯性姿态，兼具地球敏感器与星敏感器的功能，相比传统的地球敏感器加星敏感器的导航方式，重量轻、功耗低、精度高。
(2)本发明采用了一种新型的双视场双谱段共像面光学***，实现了单光学***对地球与恒星目标的同时成像，该实现方式结构简单、有利于产品小型化。
(3)本发明选择探测地球紫外谱段与恒星可见光谱段，由于地球紫外谱段边缘稳定，有利于提高测量精度，而图像传感器在可见光谱段量子效率高，有利于提高暗弱恒星的探测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的组成原理框图；
图2为本发明的电路原理框图及信息流图；
图3为本发明的图像处理流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种高轨卫星自主导航敏感器，包括恒星视场遮光罩1、地球视场遮光罩2、光学***3、探测电路4、处理电路5。光学***3为可见光/紫外光双谱段共像面光学***，其具有恒星视场与地球视场两个互相垂直的视场通道，光学***3将恒星视场通道入射的可见光与地球视场通道入射的紫外光叠加汇聚成像到同一个像面上，并对地球紫外光进行衰减实现地球与恒星成像能量匹配。光学***3出射的光照到探测电路4的CMOS图像传感器上，由探测电路4将光信号转换为数字图像并将图像传输给处理电路5。处理电路5对图像进行处理计算得到敏感器的地心矢量与三轴惯性姿态用于卫星自主导航。恒星视场遮光罩1安装于光学***3恒星视场通道上，地球视场遮光罩2安装于光学***3地球视场通道上，用于抑制太阳、月亮的杂散光线进入光学***3。
高轨卫星自主导航敏感器恒星视场与地球视场大小取30°～40°，典型值取38°；恒星探测谱段采用500nm～800nm的可见光谱段，地球探测谱段采用350nm～360nm的紫外谱段。地球紫外谱段光能量衰减98.5％～99.5％。
光学***3包括紫外滤光片与衰减片6、分光镜7、汇聚透镜8，其中紫外滤光片与衰减片6位于光学***3地球视场入口端，与地球视场光轴垂直，可滤除地球紫外波段外的其他光线，并对紫外光进行能量衰减。分光镜7位于紫外滤光片与衰减片6后方，与地球视场光轴夹角为45°安装。汇聚透镜8位于分光镜7后端，与恒星视场光轴垂直。恒星发出的光线经分光镜7透射后进入汇聚透镜8，分光镜7同时可滤除恒星可见光之外的其他光线。地球发出的光线经紫外滤光片与衰减片6后照射到分光镜7上，由分光镜7反射后进入汇聚透镜8。恒星可见光与地球紫外光经汇聚透镜8后叠加成像到同一个像面上。
如图2所示，探测电路4包括CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器与接口驱动模块，其中CMOS图像传感器位于光学***3光出射端的像面上，将光信号转换为数字图像，接口驱动模块将图像信号发送给处理电路5。处理电路5包括FPGA模块、图像SRAM_a模块(SRAM表示静态随机存取储存器)、图像SRAM_b模块、处理器模块，FPGA模块接收探测电路4输出的图像，将图像同时存入图像SRAM_a模块与图像SRAM_b模块中，图像存储完成后，处理器读出图像SRAM_a模块中的图像进行处理，FPGA模块读出图像SRAM_b模块中的图像进行下传。
高轨卫星自主导航敏感器所得到的图像为包含地球面目标与恒星点目标的混合图像，部分星点落到了地球目标上，该部分星点为无效星点。图像处理时，先进行地球边缘点提取，由地球边缘点拟合计算得到敏感器的地心矢量。由图像中地球最上、最下、最左、最右边缘点确定地球所占区域，对图像中地球之外的区域进行星点提取、星图识别、姿态解算得到敏感器的三轴惯性姿态。图像处理流程，如图3所示。
高轨卫星自主导航敏感器实现对地球目标以及5.5星等以上恒星的探测，惯性姿态测量精度为8″，地心矢量测量精度为0.02°，自主导航定轨精度优于5km。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种高轨卫星自主导航敏感器，其特征在于，包括：恒星视场遮光罩(1)、地球视场遮光罩(2)、光学***(3)、探测电路(4)、处理电路(5)；光学***(3)为可见光/紫外光双谱段共像面光学***，具有恒星视场与地球视场两个互相垂直的视场通道，光学***(3)对地球紫外光进行衰减实现地球与恒星成像能量匹配，并将恒星视场通道入射的可见光与地球视场通道入射的紫外光叠加汇聚成像到同一个像面上，光学***(3)出射的光照到探测电路(4)上；探测电路(4)接收光学***(3)出射的光信号，探测电路(4)将光信号转换为数字图像并将数字图像传输给处理电路(5)；处理电路(5)对探测电路(4)传输的数字图像进行处理计算，得到敏感器的地心矢量与三轴惯性姿态用于卫星自主导航；所述恒星视场遮光罩(1)、地球视场遮光罩(2)分别安装于光学***(3)恒星视场、光学***(3)地球视场通道上，用于抑制太阳、月亮的杂散光线进入光学***(3)。
2.根据权利要求1所述的一种高轨卫星自主导航敏感器，其特征在于：所述光学***(3)包括紫外滤光片与衰减片(6)、分光镜(7)、汇聚透镜(8)；紫外滤光片与衰减片(6)位于光学***(3)地球视场入口端，与地球视场光轴垂直，滤除地球紫外波段外的其他光线，并对紫外光进行能量衰减；分光镜(7)位于紫外滤光片与衰减片(6)后方，与地球视场光轴夹角呈45°；汇聚透镜(8)位于分光镜(7)后端，与恒星视场光轴垂直；恒星发出的光线经分光镜(7)透射后进入汇聚透镜(8)，分光镜(7)同时滤除恒星可见光之外的其他光线；地球发出的光线经紫外滤光片与衰减片(6)后照射到分光镜(7)上，由分光镜(7)反射后进入汇聚透镜(8)；恒星可见光与地球紫外光经汇聚透镜(8)后叠加成像到同一个像面上。
3.根据权利要求1或2所述一种高轨卫星自主导航敏感器，其特征在于：所述探测电路(4)包括CMOS图像传感器与接口驱动模块，CMOS图像传感器位于光学***(3)光出射端的像面上，将光信号转换为数字图像并发送至接口驱动模块；接口驱动模块将CMOS图像传感器发送的图像信号发送给处理电路(5)。
4.根据权利要求3所述一种高轨卫星自主导航敏感器，其特征在于：所述处理电路(5)包括FPGA模块、2个图像SRAM模块、处理器模块；FPGA模块接收探测电路(4)输出的图像，并将图像同时存入两个图像SRAM模块中，FPGA模块读取其中一个图像SRAM模块中的图像数据传输至外部设备；处理器模块读取另一个图像SRAM模块中的图像数据进行处理，获得敏感器的地心矢量和三轴惯性姿态。
5.根据权利要求1或2所述一种高轨卫星自主导航敏感器，其特征在于：所述光学***(3)恒星视场的取值范围为30°～40°。
6.根据权利要求5所述一种高轨卫星自主导航敏感器，其特征在于：所述光学***(3)恒星视场的恒星探测谱段采用500nm～800nm的可见光谱段。
7.根据权利要求6所述一种高轨卫星自主导航敏感器，其特征在于：所述光学***(3)地球视场的取值范围为30°～40°。
8.根据权利要求6或7所述一种高轨卫星自主导航敏感器，其特征在于：所述光学***(3)地球视场的地球探测谱段采用350nm～360nm的紫外谱段。
9.根据权利要求2所述一种高轨卫星自主导航敏感器，其特征在于：所述紫外滤光片与衰减片(6)对地球紫外谱段光能量的衰减为98.5％～99.5％。
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