CN111901032B - 一种一体化星载光学传感器*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种一体化星载光学传感器***，包括可见光子***、激光通信子***以及控制中心。其中，可见光子***与激光通信子***共用传感器镜头。同时，可见光子***与控制中心的星敏探测模块以及空间目标探测模块可通信地连接，以实现星敏定姿以及空间目标态势感知，激光通信子***与控制中心的跟瞄控制模块以及激光通信模块可通信地连接，根据可见光子***的输出信息，实现激光通信组网。

Description

一种一体化星载光学传感器***
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种一体化星载光学传感器***。
背景技术
随着卫星技术水平的飞速提升，商业航天及微小卫星的应用越来越广泛，同时，为了实现一些特定的空间任务，往往还需要将一群卫星按一定规律布置，以形成卫星星座。低轨小星座组网应用成为目前微小卫星的发展趋势。
对于卫星星座而言，其组网采用的卫星***需要满足网络化、智能化以及低成本集成化的要求。这就要求卫星所搭载的传感器及其它设备也向着小型化、集成化发展。
高精度的姿态测量以及星座间的通信是卫星星座完成任务的基础。卫星姿态测量最常用的一种传感器为星敏感器，而激光通信由于其通信频带宽、抗电磁干扰能力强的优点也成为了星间通信的热门研究领域。但是现有的高精度星敏感器及激光通信装置的体积、重量较大，难以满足小型化、低成本化的要求。
发明内容
针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种一体化星载光学传感器***，包括：
共用光路单元，包括传感器镜头以及分光光路单元；
可见光子***，包括CMOS探测器，所述可见光子***用于接收经由所述分光光路单元进入的可见光，并将可见光信号转换为数字图像；
激光通信子***，包括跟瞄***以及激光器，所述跟瞄***与所述激光器可通信地连接，用于控制所述激光器的角度，所述激光器用于发射激光；以及
控制中心，包括：
星敏探测模块，内置恒星星表图，且所述星敏探测模块与所述可见光子***可通信地连接，用于确定卫星姿态；
空间目标探测模块，与所述可见光子***及星敏探测模块可通信地连接，用于空间目标探测并测定所述空间目标的相对方位；
跟瞄控制模块，与所述星敏探测模块、所述空间目标探测模块以及所述跟瞄***可通信地连接，用于根据所述卫星姿态、相对方位信息，计算激光发射角度信息，并将所述角度信息发送给所述跟
瞄***；
激光通信模块，用于对激光信号的处理，进而实现激光通信组网。
进一步地，所述控制中心为集成芯片。
进一步地，所述可见光子***还包括第一光路单元，所述第一光路单元位于所述共用光路单元与所述CMOS探测器之间，用于将经由所述共用光路单元进入的可见光聚焦于所述CMOS探测器的靶面上。
进一步地，所述可见光子***采用凝视成像模式，以实现对大范围的空间目标以及空间碎片探测。
进一步地，所述激光通信模块包括通信接收装置、通信发射装置以及标定装置，其中：
通信接收装置接收对方通信端机发射来的调制通信信号；
通信发射装置对要传递的信息进行调制编码，形成通信光；以及
标定装置对发射通道和接收通道的方向一致性进行校准，使二者一致。
本发明提供的一种一体化星载光学传感器***，利用小型化结构融合了被动可见光成像技术和主动激光通信技术。其包括可见光子***，所述可见光子***通过在轨暗弱运动目标高时相关联探测技术，可以实现较低的信噪比下空间碎片的实时探测，根据数值计算和地面验证，所述UK额监管子***可以在信噪比为5dB条件下探测空间目标，从而将探测星等值提升至10等星@30ms曝光时间，获得视场内空间目标信息，具备视场内空间目标态势感知能力，且所述***的控制中心内置有恒星星表图，能够实现星敏功能，进行卫星姿态的确定，同时，所述***还包括激光通信子***，其能够根据所述可见光子***获得的卫星姿态信息以及目标星的相关方位信息，实现星间激光通信组网，进行精准跟瞄与通信。在结构方面，所述可见光子***以及激光通信子***共用传感器镜头，实现了多星载光学设备的融合，有效降低了卫星载荷的体积及重量，实现了卫星传感器的高集成化。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出本发明一个实施例的一种一体化星载光学传感器***的示意图；
图2示出本发明一个实施例的一种一体化星载光学传感器***的结构示意图；
图3示出本发明一个实施例的一种一体化星载光学传感器***的结构框图；以及
图4示出本发明一个实施例的一种一体化星载光学传感器***的工作流程示意图。
具体实施方式
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
为了满足卫星小型化的发展需求，本发明提供一种一体化星载光学传感器***，其通过一体化设计，利用小型化结构融合了被动可见光成像技术和主动激光通信技术，同时具备星敏恒星探测定姿功能、空间目标探测空间碎片预报功能以及卫星之间激光通信组网功能于一体。下面结合实施例附图，对本发明的技术方案做进一步描述。
一种一体化星载光学传感器***，如图1所示，包括传感器镜头001以及传感器主体002，其中，所述传感器镜头001用于捕获光线，所述传感器主体002内布置有可见光子***、激光通信子***以及控制中心，用于捕获的光线进行处理，进而实现星敏定姿、碎片探测以及激光通信等功能。
如图2所示，所述传感器镜头001包括主镜101以及次镜102，通过计算，选择符合要求的主镜及次镜，根据计算所得的安装参数组装成传感器镜头，所述传感器镜头001用于捕获包括可见光及激光在内的光线，并传输给传感器主体。
所述传感器主体002内布置有分光光路单元201、激光通信子***202、可见光子***203以及控制中心204。
所述分光光路单元201与所述传感器镜头001组成共用光路单元，光线经由所述传感器镜头001进入传感器主体002后，通过所述分光光路单元201分为两路，一路进入激光通信子***202，另一路进入所述可见光子***203。
如图3所示，所述可见光子***203包括探测器2031，所述可见光子***203用于接收经由所述分光光路单元201进入的可见光，并将所述可见光信号进行光电转换，转换为数字图像；在本发明的一个实施例中，所述可见光子***203还包括第一光路单元2032，所述第一光路单元2032位于所述分光光路单元201与所述探测器2031之间，所述第一光路单元2032将经由所述分光光路单元201进入的可见光聚焦于所述探测器2031的靶面上。在本发明的一个实施例中，所述探测器2031采用CMOS探测器。在本发明的一个实施例中，所述可见光子***203采用凝视成像模式，以实现对大范围的空间目标以及空间碎片探测，其探测星等值能够达到10等星@30ms曝光时间，满足星敏定位的需求。
所述激光通信子***202包括跟瞄***2021以及激光器2022，所述跟瞄***2021与所述激光器2022可通信地连接，所述跟瞄***2021接收所述控制中心发送的指令，控制所述激光器2022的角度，所述激光器2022接收所述控制中心计算所得的参数，形成符合要求的激光，构成通信发射装置。
所述控制中心204，包括星敏探测模块2041、空间目标探测模块2042、跟瞄控制模块2043以及激光通信模块2044，在本发明的一个实施例中，所述控制中心204为集成芯片，布置于所述传感器主体内，与所述激光通信子***202以及可见光子***203可通信地连接。
所述星敏探测模块2041及所述空间目标探测模块2042与所述可见光子***可通信地连接，能够接收所述可见光子***通过光电转换所得到的数字图像。
所述星敏探测模块2041内置恒星星表图，其首先对所述数字图像进行初步处理，以提取图像星目标，然后读取星目标位置，结合标定参数计算星光观测矢量，运行星图匹配算法进行恒星匹配，并最终确定星光惯性矢量，根据观测矢量和惯性矢量极端惯性姿态矩阵，转化为姿态四元数，实现卫星姿态的确定。
所述空间目标探测模块2042同时与所述星敏探测模块2041可通信地连接，能够接收所述星敏探测模块2041的卫星姿态参数，以及恒星匹配结果，结合所述数字图像中星目标信息，一方面能够实时感知视场内空间碎片态势，另一方面能够确定待通信的目标星的相对方位，在本发明的一个实施例中，所述相对方位包括卫星与目目标星的相对角度。
所述跟瞄控制模块2043以及激光通信模块2044与所述激光通信子***202可通信地连接，共同实现激光通信组网功能。
所述跟瞄控制模块2043与所述星敏探测模块2041、所述空间目标探测模块2042以及所述跟瞄***2021可通信地连接，其接收所述星敏探测模块2041计算得到的卫星姿态信息，以及所述空间目标探测模块2042计算得到的与待通信的目标星的相对方位信息，计算激光发射角度信息，并将所述角度信息发送给所述跟瞄***2021；在本发明的一个实施例中，所述角度信息包括俯仰角以及方位角。
所述激光通信模块2044用于对激光信号的处理，进而实现激光通信组网。在本发明的一个实施例中，所述激光通信模块2044包括通信接收装置、通信发射装置以及标定装置，其中：
通信接收装置对接收到的对方通信端机发射来的调制通信信号进行解调，获取传递的信息；
通信发射装置对要传递的信息进行调制编码，并发送给所述激光器2022，以形成通信光；以及
标定装置对发射通道和接收通道的方向一致性进行校准，使二者一致。
图4给出了本发明提供的一种一体化星载光学传感器***的工作流程示意图，包括：
步骤401，光线捕获。所述传感器镜头001捕获空间目标发射或反射的光线，以实现对空间目标的成像，所述空间目标包括但不限于：恒星、卫星、空间碎片等；所述光线则包括了可见光以及激光，以及其他红外、紫外等光线；所述光线经由分光光路单元后，可见光部分进入到可见光子***203，激光则进入到所述激光通信子***202；
步骤402，获取图像信息。通过所述可见光子***203经由分光镜进入的可见光进行光电转换，以获取图像信息；
步骤403，卫星姿态确定。所述星敏探测模块2041根据内置的恒星星表图进行匹配，以确定卫星姿态；
步骤404，空间碎片态势感知以及确定目标性相对方位。所述空间目标探测模块2042根据所述星敏探测模块2041的恒星匹配结果，提取空间探测目标，实现空间碎片态势感知，同时，确定待通信的目标性的相对方位信息；
步骤405，确定激光器角度。所述跟瞄控制模块2043根据卫星姿态信息以及待通信的目标性的相对方位信息，计算激光器的俯仰及方位角度，并发送给跟瞄***2021，所述跟瞄***2021根据上述信息，控制激光器2022的角度；以及
步骤406，进行激光通信。所述激光通信模块2044对要传递的信息进行调制编码，形成通信光，通过所述激光器2022发射，同时，对经由分光光路单元进入的激光进行解码，接收信息，进而实现星间激光通信组网。
本发明提供的一体化星载光学传感器***，利用小型化结构融合了被动可见光成像技术和主动激光通信技术。其包括可见光子***，所述可见光子***通过在轨暗弱运动目标高时相关联探测技术，可以实现较低的信噪比下空间碎片的实时探测，根据数值计算和地面验证，所述UK额监管子***可以在信噪比为5dB条件下探测空间目标，从而将探测星等值提升至10等星@30ms曝光时间，获得视场内空间目标信息，具备视场内空间目标态势感知能力，且所述***的控制中心内置有恒星星表图，能够实现星敏功能，进行卫星姿态的确定，同时，所述***还包括激光通信子***，其能够根据所述可见光子***获得的卫星姿态信息以及目标星的相关方位信息，实现星间激光通信组网，进行精准跟瞄与通信。在结构方面，所述可见光子***以及激光通信子***共用传感器镜头，实现了多星载光学设备的融合，有效降低了卫星载荷的体积及重量，实现了卫星传感器的高集成化。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (6)

1.一种一体化星载光学传感器***，其特征在于，包括：
共用光路单元，包括传感器镜头以及分光光路单元，所述传感器镜头包括主镜以及次镜，且所述传感器镜头被配置为能够捕获可见光及激光，并传输至分光光路单元；
可见光子***，包括探测器，所述可见光子***被配置为能够接收经由所述分光光路单元进入的可见光，并将所述可见光转换为数字图像；
激光通信子***，包括跟瞄***以及激光器，所述跟瞄***与所述激光器可通信地连接，所述跟瞄***被配置为能够控制所述激光器的角度；以及
控制中心，包括：
星敏探测模块，内置恒星星表图，且所述星敏探测模块与所述可见光子***可通信地连接，所述星敏探测模块被配置为确定卫星姿态；
空间目标探测模块，与所述可见光子***及星敏探测模块可通信地连接，所述空间目标探测模块被配置为探测空间目标并测定所述空间目标的相对方位；
跟瞄控制模块，与所述星敏探测模块、所述空间目标探测模块以及所述跟瞄***可通信地连接，所述跟瞄控制模块被配置为根据所述卫星姿态以及相对方位，计算激光发射的角度信息，并将所述角度信息发送给所述跟瞄***；
激光通信模块，其被配置为能够处理激光信号的处理，进而实现激光通信组网。
2.如权利要求1所述的一体化星载光学传感器***，其特征在于，所述控制中心为集成芯片。
3.如权利要求1所述的一体化星载光学传感器***，其特征在于，所述探测器为CMOS探测器。
4.如权利要求1所述的一体化星载光学传感器***，其特征在于，所述可见光子***还包括第一光路单元，所述第一光路单元位于所述共用光路单元与所述探测器之间，所述第一光路单元被配置为将经由所述共用光路单元进入的可见光聚焦于所述探测器的靶面上。
5.如权利要求1所述的一体化星载光学传感器***，其特征在于，所述可见光子***采用凝视成像模式。
6.如权利要求1所述的一体化星载光学传感器***，其特征在于，所述激光通信模块包括通信接收装置、通信发射装置以及标定装置，其中：
通信接收装置接收对方通信端机发射来的调制通信信号；
通信发射装置对要传递的信息进行调制编码，形成通信光；以及
标定装置对发射通道和接收通道的方向一致性进行校准，使二者一致。
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