CN109141472B - 用于评估星敏感器热稳定性的观星测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评估星敏感器热稳定性的观星测试装置，包含：一体式支架，轴对称结构，其上多个安装面两两间的法线夹角相等，各安装面上对应设置相同的星敏感器；精密控温仪，包含电加热片和热敏电阻，粘贴在各星敏感器遮光罩的外侧面和底面安装面，进行温度采集和闭环控制；防风保护罩，罩设在安装有多个星敏感器的一体式支架的外部，并安装在外场观星试验平台上；测试工控机，与一体式支架间隔设置，与各星敏感器通过电缆连接。本发明还提供一种评估星敏感器热稳定性的观星测试方法。本发明通过共安装基准、主动控温、隔热防风等技术手段，利用相同星敏感器的热稳定特性一致的特点，提供准确有效的星敏感器热稳定性的量化评估方法。

Description

用于评估星敏感器热稳定性的观星测试装置和方法

技术领域

本发明涉及一种评估星敏感器热稳定性的装置和方法，具体是指一种用于评估星敏感器热稳定性的观星测试装置和方法，属于空间光电敏感器的地面试验技术领域。

背景技术

星敏感器是一种高精度的航天器姿态测量单机，其以恒星为探测目标，经内部光学***、电子学组件及软件处理，输出三轴姿态信息。由于受到外热流和深冷空间背景的影响，星敏感器的温度场一般呈现轨道周期的波动，并因热变形产生轨道周期的低频误差。一般以星敏感器的安装面温度作为参考温度，以测量温度随安装面温度的变化量，评估星敏感器的热稳定性。同时，考虑到星敏感器遮光罩的温度波动范围较大，还需另外考核星敏感器的热稳定性受遮光罩温度的影响情况。

现有技术中，对星敏感器热稳定性的研究，侧重于从控温出发，即采用一系列热控手段，从而减小温度的波动范围，实现热变形的抑制。但是，对于热稳定性进行直接评估的研究较少，目前国内也尚无成熟应用的热稳定性测量***。

目前，可供参考的热稳定性评估方法有两种：一种是借助其他光学测量仪器，如自准直仪、立方镜等，对变温环境下的结构的变形进行测量。该方法的缺点是，结构的变形不能与光学测量仪器的测量结果的变化等效。另一种是使用星敏感器在轨数据，对轨道周期内的低频误差进行分析，但是在此过程中，仍然无法剥离卫星平台稳定性和其他安装结构热变形的影响。因此，以上两种方法均无法直接有效的评估星敏感器的热稳定性。

基于上述，本发明提出一种评估星敏感器热稳定性的观星测试装置和方法，从而解决现有技术中存在的缺点和限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于评估星敏感器热稳定性的观星测试装置和方法，通过共安装基准、主动控温、隔热防风等技术手段，利用相同星敏感器的热稳定特性一致的特点，提供了一种准确有效的星敏感器热稳定性量化评估的方法。

为实现上述目的，本发明提供一种用于评估星敏感器热稳定性的观星测试装置，包含：一体式支架，为轴对称结构，其上设置有多个安装面，且安装面两两之间的法线夹角相等，在各个安装面上对应设置多个相同的星敏感器；精密控温仪，包含多个电加热片和多个热敏电阻，粘贴设置在各个星敏感器的遮光罩的外侧面和底面安装面，对星敏感器进行温度采集和闭环控制；防风保护罩，罩设在安装有多个星敏感器的一体式支架的外部，并安装在外场观星试验平台上；测试工控机，与安装有多个星敏感器的一体式支架间隔距离设置，且与各个星敏感器通过电缆连接。

优选的，所述的一体式支架上的安装面两两之间的法线夹角为0～60°。

优选的，所述的一体式支架采用殷钢制成，其线膨胀系数小于1×10^-7/℃。

优选的，所述的一体式支架上的每个安装面上设置有预留槽。

优选的，所述的精密控温仪还包含：控温仪主机，与安装有多个星敏感器的一体式支架间隔距离设置；多个所述的电加热片分别粘贴在各个星敏感器的遮光罩的外侧面和底面安装面，每个电加热片均与控温仪主机通过电缆连接；多个所述的热敏电阻分别粘贴设置在各个星敏感器的遮光罩的外侧面和底面安装面，并且位于每个电加热片的一侧，每个热敏电阻均与控温仪主机通过电缆连接。

优选的，粘贴在各个星敏感器的遮光罩的外侧面上的电加热片，其粘贴面积不超过圆周面积的1/2；并且，所述的电加热片和热敏电阻在各个星敏感器的遮光罩的外侧面上的粘贴位置相同，以及位于同一位置的各个电加热片的阻值偏差不大于1％。

优选的，通过将粘贴在各个星敏感器底面安装面上的电加热片对应设置在一体式支架的预留槽内，将各个星敏感器对应设置在一体式支架的各个安装面上。

优选的，在粘贴有多个电加热片的各个星敏感器的遮光罩的外侧面上，分别包覆设置隔热多层组件。

所述的防风保护罩采用透明有机玻璃制成；该防风保护罩的顶面根据星敏感器的视场大小，预设有观测孔洞。

本发明还提供一种用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，采用上述的观星测试装置实现，具体包含以下步骤：

S1、观星测试装置和待测星敏感器安装完成后，星敏感器上电直至进入稳定跟踪状态，基于真实星空输出姿态四元数数据；

S2、设置星敏感器的底面安装面的第一目标温度；

S3、通过精密控温仪闭环控制各个星敏感器的温度达到第一目标温度且稳定后，测试工控机采集不少于10min的各个星敏感器输出的姿态四元数数据，并计算两两星敏感器之间的光轴指向夹角；

S4、调整设置星敏感器的底面安装面的第二目标温度，重复执行S3，以光轴指向的角度变化量与底面安装面的温度变化量的比值，评估星敏感器的热稳定性；

S5、保持星敏感器的底面安装面的第二目标温度，设置星敏感器的遮光罩的不同目标温度，通过精密控温仪闭环控制各个星敏感器的温度达到对应遮光罩的目标温度且稳定后，测试工控机采集不少于10min的各个星敏感器输出的姿态四元数数据，并计算对应目标温度下的两两星敏感器之间的光轴指向夹角；以光轴指向的角度变化量与遮光罩的温度变化量的比值，评估遮光罩温度变化对星敏感器的热稳定性的影响。

综上所述，本发明所提供的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试装置和方法，通过一体式支架(微热变形以及共安装基准)、隔热多层组件、防风保护罩的设计，使得环境温度、风荷载对测量结果的影响可忽略不计；同时利用相同星敏感器各子样热稳定特性一致的特点，通过精密控温仪对各个星敏感器主动闭环控温，结合光轴指向夹角随温度的变化关系，从而准确有效的评估星敏感器的热稳定性。

附图说明

图1为本发明中的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试装置的结构示意图；

图2a和图2b为本发明中的电加热片和热敏电阻的粘贴位置示意图；

图3为本发明中的一体式支架的结构示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图3，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

如图1所示，为本发明提供的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试装置，包含：一体式支架1，为轴对称结构，其上设置有多个安装面，且安装面两两之间的法线夹角相等，在各个安装面上对应设置多个相同的星敏感器 6；精密控温仪2，包含多个电加热片21和多个热敏电阻22，粘贴设置在各个星敏感器6的遮光罩的外侧面和底面安装面，对星敏感器进行温度采集和闭环控制；防风保护罩4，罩设在安装有多个星敏感器6的一体式支架1的外部，并安装在外场观星试验平台上；测试工控机，与安装有多个星敏感器 6的一体式支架1间隔一段距离设置，且与各个星敏感器6通过电缆连接。

所述的一体式支架1上的安装面两两之间的法线夹角为0～60°。

所述的一体式支架1采用殷钢制成，其线膨胀系数小于1×10^-7/℃，比星敏感器的光机结构材料低两个数量级，因此可忽略该一体式支架1的热变形对测试结果的影响。

如图3所示，所述的一体式支架1上的每个安装面上设置有预留槽11，用于避开光学探头安装面上粘贴的电加热器和热敏电阻。

在本发明的一个优选实施例中，所述的一体式支架1上设置有3个安装面，安装面两两之间的法线夹角为60°。每个安装面上设置有预留槽11，用以分别对应安装3个相同的星敏感器6。

如图2a和图2b所示，所述的精密控温仪2还包含：控温仪主机，与安装有多个星敏感器6的一体式支架1间隔一段距离设置；多个所述的电加热片21采用薄膜型电加热片，分别粘贴在各个星敏感器6的遮光罩的外侧面和底面安装面，每个电加热片21均与控温仪主机通过电缆连接；多个所述的热敏电阻22分别粘贴设置在各个星敏感器6的遮光罩的外侧面和底面安装面，并且位于每个电加热片21的一侧，每个热敏电阻22均与控温仪主机通过电缆连接。

其中，粘贴在各个星敏感器6的遮光罩的外侧面上的电加热片21，其粘贴面积不超过圆周面积的1/2；并且，所述的电加热片21和热敏电阻22在各个星敏感器6的遮光罩的外侧面上的粘贴位置相同，以及位于同一位置的各个电加热片21的阻值偏差不大于1％。

在本发明的一个优选实施例中，如图2a所示，在每个星敏感器6的遮光罩的外侧面上的相同位置处，分别设置3个电加热片21，且每个电加热片的粘贴面积不超过圆周面积的1/2，以及分别位于不同星敏感器6上同一位置处的各个电加热片21之间的阻值偏差不大于1％。同时，在每个电加热片21 的一侧，还粘贴设置一个热敏电阻22。如图2b所示，在每个星敏感器6的底面安装面上设置1个电加热片21，且在该电加热片21的一侧，还粘贴设置一个热敏电阻22。

如图1所示，通过将粘贴在各个星敏感器6底面安装面上的电加热片21 对应设置在一体式支架1的预留槽11内，以将各个星敏感器6对应设置在一体式支架1的各个安装面上。

进一步，在粘贴有多个电加热片21的各个星敏感器6的遮光罩的外侧面上，分别包覆设置隔热多层组件3，减少与外界环境的热交换。

所述的防风保护罩4采用透明有机玻璃制成，为长方体盒装；该防风保护罩4的侧面预设有电缆穿线孔，使各个星敏感器6可通过电缆与测试工控机连接，以及使各个电加热片21、热敏电阻22可通过电缆与控温仪主机连接；顶面根据星敏感器6的视场大小，预设有观测孔洞，从而不会对星敏感器6的视场产生遮挡。本发明中，设置防风保护罩4能够避免外场环境下的风荷载对星敏感器热稳定性测试的影响。

综上所述，本发明中，各个待测的星敏感器6、一体式支架1、电加热片 21、热敏电阻22、隔热多层组件3和防风保护罩4是设置在外场观星平台上的；但是测试工控机与控温仪主机则是与上述这些部件保持合适的距离设置，并且通过电缆连接。

本发明还提供一种用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，采用上述的观星测试装置实现，通过精密控温仪2对各个星敏感器6的温度同步拉偏，基于光轴夹角法，评估星敏感器6的热稳定性，具体包含以下步骤：

S1、观星测试装置和待测星敏感器6安装完成后，星敏感器6上电直至进入稳定跟踪状态，基于真实星空输出姿态四元数数据；

S2、设置星敏感器6的底面安装面的第一目标温度；

S3、通过精密控温仪2闭环控制各个星敏感器6的温度达到第一目标温度且稳定后，测试工控机采集不少于10min(分钟)的各个星敏感器6输出的姿态四元数数据，并计算两两星敏感器6之间的光轴指向夹角；

S4、调整设置星敏感器6的底面安装面的第二目标温度，重复执行S3，以光轴指向的角度变化量与底面安装面的温度变化量的比值，评估星敏感器 6的热稳定性；

S5、保持星敏感器6的底面安装面的第二目标温度，设置星敏感器6的遮光罩的不同目标温度，通过精密控温仪2闭环控制各个星敏感器6的温度达到对应目标温度且稳定后，测试工控机采集不少于10min的各个星敏感器 6输出的姿态四元数数据，并计算对应目标温度下的两两星敏感器6之间的光轴指向夹角；以光轴指向的角度变化量与遮光罩的温度变化量的比值，评估遮光罩温度变化对星敏感器6的热稳定性的影响。

以下结合图1～图3，通过一个具体实施例，详细说明本发明的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试装置及方法。

S1、进行观星测试装置和待测星敏感器6的安装，星敏感器6上电直至进入稳定跟踪状态，基于真实星空输出姿态四元数数据。

其中，具体安装过程为：将精密控温仪2的薄膜式电加热片21粘贴在各个星敏感器6的遮光罩上的相同位置的外侧面，电加热片21的覆盖面积不大于圆周面积的1/2，并在每个电加热片21的一侧粘贴一个热敏电阻22，之后在星敏感器6的外侧包覆隔热多层组件3；

在各个星敏感器6的底面安装面粘贴电加热片21和热敏电阻22，电加热片21和热敏电阻22的粘贴位置不得超出一体式支架1上的预留槽11的区域；

将星敏感器的3个子样A、子样B和子样C对应安装至一体式支架1上，并放置在外场观星试验平台上，盖上防风保护罩4，电缆经防风保护罩4侧面的电缆穿线孔穿出，分别与间隔一段距离设置的控温仪主机和测试工控机连接。

S2、以环境温度10℃为例，设置星敏感器6的底面安装面的第一目标温度为15℃。

S3、开启精密控温仪2，通过控制电加热片21的加热，闭环控制各个星敏感器6的温度达到15℃，以1小时内各个热敏电阻22所采集温度的变化小于0.5℃视作温度达到稳定，测试工控机采集不少于10min的各个星敏感器6输出的姿态四元数数据，并基于姿态四元数计算两两星敏感器6之间的光轴指向夹角。

其中，具体的加热过程为：通过各个热敏电阻22采集当前温度并传输至控温仪主机，如果当前温度尚未达到目标温度，则控温仪主机继续向各个电加热片21供电进行加热，直至达到目标温度后，进而采用同样的闭环控制使得温度达到稳定。

其中，具体计算光轴指向夹角的过程为：

各个星敏感器6的四元数数据采用相同的时间基准，设测试时段星敏感器子样A的等时间间隔的四元数序列为

星敏感器子样B的等时间间隔的四元数序列为

时间间隔为姿态测量信息的采样周期T_c。对于星敏感器子样A和星敏感器子样B的每一时间点t_i的四元数

和

其光轴矢量v_A和v_B分别由下式表示：

因此，星敏感器子样A和星敏感器子样B的光轴指向夹角如下式所示：

进一步得到：S_AB＝{(t_i,α_i),i＝1,2,...,N}，从而求得星敏感器子样A和星敏感器子样B的光轴指向夹角的均值

根据上述，同理可求得星敏感器子样A和星敏感器子样C的光轴指向夹角的均值

以及星敏感器子样B和星敏感器子样C的光轴指向夹角的均值

S4、调整设置星敏感器6的底面安装面的第二目标温度为25℃，重复上述S3的步骤，即开启精密控温仪2，通过控制电加热片21的加热，闭环控制各个星敏感器6的温度达到25℃，以1小时内各个热敏电阻22所采集温度的变化小于0.5℃视作温度达到稳定，测试工控机采集不少于10min的各个星敏感器6输出的姿态四元数数据，并基于姿态四元数计算两两星敏感器 6之间的光轴指向夹角的均值

和

然后，以光轴指向的角度变化量与底面安装面的温度变化量的比值，评估星敏感器6的热稳定性TS：

其中，热稳定性TS是指单位温度变化引起的光轴指向的角度变化量；上述公式中符号“/”之前的部分表示按两两星敏感器之间的夹角变化取均值后得到的单台星敏感器6的光轴指向变化量，其单位是角度；25℃-15℃是目标温度的变化量。

S5、保持星敏感器6的底面安装面的温度为25℃，设置星敏感器6的遮光罩的不同目标温度，采用上述S3和S4相同的方法，评估遮光罩温度变化对星敏感器6的热稳定性的影响。即通过精密控温仪2闭环控制各个星敏感器6的温度达到对应遮光罩的目标温度且稳定后，测试工控机采集不少于 10min的各个星敏感器6输出的姿态四元数数据，并计算对应目标温度下的两两星敏感器6之间的光轴指向夹角；以光轴指向的角度变化量与遮光罩的温度变化量的比值，评估遮光罩温度变化对星敏感器6的热稳定性的影响。

综上所述，本发明所提供的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试装置和方法，通过在外场观星过程中，主动控制星敏感器的温度场，利用相同星敏感器的各个子样热稳定特性基本一致的特点，采用光轴夹角法，可有效评估星敏感器的热稳定性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、通过一体式支架(微热变形以及共安装基准)、隔热多层组件、防风保护罩的设计，使得环境温度、风荷载对测量结果的影响可忽略不计；

2、利用相同星敏感器各子样热稳定特性一致的特点，通过精密控温仪对各个星敏感器主动闭环控温，结合光轴指向夹角随温度的变化关系，从而准确有效的评估星敏感器的热稳定性。

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 (9)

1.一种用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，其特征在于，采用观星测试装置实现；其中，

所述的观星测试装置包含：

一体式支架，为轴对称结构，其上设置有多个安装面，且安装面两两之间的法线夹角相等，在各个安装面上对应设置多个相同的星敏感器；

精密控温仪，包含多个电加热片和多个热敏电阻，粘贴设置在各个星敏感器的遮光罩的外侧面和底面安装面，对星敏感器进行温度采集和闭环控制；

防风保护罩，罩设在安装有多个星敏感器的一体式支架的外部，并安装在外场观星试验平台上；

测试工控机，与安装有多个星敏感器的一体式支架间隔距离设置，且与各个星敏感器通过电缆连接；

所述的观星测试方法包含：

S1、观星测试装置和待测星敏感器安装完成后，星敏感器上电直至进入稳定跟踪状态，基于真实星空输出姿态四元数数据；

S2、设置星敏感器的底面安装面的第一目标温度；

S3、通过精密控温仪闭环控制各个星敏感器的温度达到第一目标温度且稳定后，测试工控机采集不少于10min的各个星敏感器输出的姿态四元数数据，并计算两两星敏感器之间的光轴指向夹角；

S4、调整设置星敏感器的底面安装面的第二目标温度，重复执行S3，以光轴指向的角度变化量与底面安装面的温度变化量的比值，评估星敏感器的热稳定性；

S5、保持星敏感器的底面安装面的第二目标温度，设置星敏感器的遮光罩的不同目标温度，通过精密控温仪闭环控制各个星敏感器的温度达到对应遮光罩的目标温度且稳定后，测试工控机采集不少于10min的各个星敏感器输出的姿态四元数数据，并计算对应目标温度下的两两星敏感器之间的光轴指向夹角；以光轴指向的角度变化量与遮光罩的温度变化量的比值，评估遮光罩温度变化对星敏感器的热稳定性的影响。

2.如权利要求1所述的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，其特征在于，所述的一体式支架上的安装面两两之间的法线夹角为0～60°。

3.如权利要求1所述的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，其特征在于，所述的一体式支架采用殷钢制成，其线膨胀系数小于1×10^-7/℃。

4.如权利要求1所述的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，其特征在于，所述的一体式支架上的每个安装面上设置有预留槽。

5.如权利要求4所述的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，其特征在于，所述的精密控温仪还包含：控温仪主机，与安装有多个星敏感器的一体式支架间隔距离设置；

多个所述的电加热片分别粘贴在各个星敏感器的遮光罩的外侧面和底面安装面，每个电加热片均与控温仪主机通过电缆连接；

多个所述的热敏电阻分别粘贴设置在各个星敏感器的遮光罩的外侧面和底面安装面，并且位于每个电加热片的一侧，每个热敏电阻均与控温仪主机通过电缆连接。

6.如权利要求5所述的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，其特征在于，粘贴在各个星敏感器的遮光罩的外侧面上的电加热片，其粘贴面积不超过圆周面积的1/2；

所述的电加热片和热敏电阻在各个星敏感器的遮光罩的外侧面上的粘贴位置相同，以及位于同一位置的各个电加热片的阻值偏差不大于1％。

7.如权利要求5所述的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，其特征在于，通过将粘贴在各个星敏感器底面安装面上的电加热片对应设置在一体式支架的预留槽内，将各个星敏感器对应设置在一体式支架的各个安装面上。

8.如权利要求5所述的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，其特征在于，在粘贴有多个电加热片的各个星敏感器的遮光罩的外侧面上，分别包覆设置隔热多层组件。

9.如权利要求1所述的用于评估星敏感器热稳定性的观星测试方法，其特征在于，所述的防风保护罩采用透明有机玻璃制成；该防风保护罩的顶面根据星敏感器的视场大小，预设有观测孔洞。

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