一种强度关联星敏感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种强度关联星敏感器，包括第一遮光罩、第二遮光罩、第一光学望远镜、第二光学望远镜、扫描式传感器、单光子传感器、电子学读出设备、视频处理设备、星载时频装置、星载数据处理设备、以及接口。利用两路光学探测系统的探测信号，通过星载时频装置对获得的两路电信号进行了时间同步，并在星载数据处理设备中对两路电信号进行强度关联信号处理。因此在保持原星敏感器的光学系统、整体外观形状不变的基础上进行内部结构的局部调整即可，在工程实现上比较容易。利用量子成像技术中的强度关联方法对星空进行成像，使用扫描式传感器对星空进行搜索，另一路使用单光子传感器，更容易探测到较暗的星体，探测灵敏度大大提高。
【专利说明】一种强度关联星敏感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于量子成像技术的星敏感器，属于星敏感器领域。
【背景技术】
[0002]星敏感器最早在上个世纪五十年代研制成功，主要应用于飞机和导弹导航。至今经历过三个阶段的发展，已广泛应用于导弹、飞机、宇宙飞船、卫星等航天航空器件，涉及多个测量领域。比较几种常用的传感器，星敏感器具有精度高、重量轻、功耗低、无漂移和工作方式多等优点。早期的星敏感器使用析像管作为探测器件，这种构造装置较为简单，主要应用于大型天文望远镜和导弹制导等地面仪器，但由于析像管自身模拟稳定性的限制，不能满足高精度的要求。
[0003]1974年，美国喷气实验室(JPL)开始研制开发第二代星敏感器------C⑶星敏感器，较第一阶段的星敏感器，CCD星敏感器具有高分辨率、抗辐射性、几何光学线性强等优势，但其相对视场小，虽然单星测量精度高，但是，单星识别和姿态计算太过复杂，同时星敏感器的质量和体积也比较大；到上世纪九十年代，为了满足航天器件的严格要求，基于光学、精密机械、电子学及计算机技术的大幅度提高，第二代CCD星敏感器开始出现，新一代的星敏感器具有视场大、星表小等优势，更有自主导航的功能。现阶段国内国际上应用较多的还是CXD星敏感器，但无论第一代还是第二代星敏感器，CXD星敏感器都基于CXD相机的发展水平，受限于CXD的像元数等参数。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种强度关联星敏感器。本发明基于量子成像这种全新的光场探测方式，提出了一种新型的强度关联星敏感器。此方案可通过单星的两套光电探测装置成像，又可发展应用到多星编队的整体导航。比较现在常用的CCD星敏感器，强度星关联敏感器突破了衍射成像的限制，探测暗星能力高，同时利用强度关联算法及适当的信号处理算法可极大地抑制背景噪声，具有广阔的应用前景。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]—种强度关联星敏感器,包括第一遮光罩、第二遮光罩、第一光学望远镜、第二光学望远镜、扫描式传感器、单光子传感器、电子学读出设备、视频处理设备、星载时频装置、星载数据处理设备、以及姿态控制接口，其中，第一遮光罩、第二遮光罩分别安装在第一光学望远镜、第二光学望远镜前，用于遮挡来自太阳、月球、地球等非目标星体的杂散光，以大幅降低进入光学望远镜的噪声；第一光学望远镜和第二光学望远镜用于汇聚来自目标星体的光线，完成星空的光学成像，将星空成像在自身的光学焦平面上；扫描式传感器和单光子传感器分别置于第一光学望远镜和第二光学望远镜的光学焦平面上，分别将第一光学望远镜和第二光学望远镜汇聚得到的星空图像经光电转换为电信号输出，其中，由扫描式传感器输出的第一电信号送入视频处理设备，由视频处理设备读出该第一电信号；由单光子传感器输出的第二电信号送入电子学读出设备，由该电子学读出设备读出该第二电信号；星载时频装置为视频处理设备和电子学读出设备提供绝对时间标准，同时对视频处理设备和电子学读出设备进行时间同步；星载数据处理设备对来自视频处理设备的第一电信号和来自电子学读出设备的第二电信号进行二阶强度关联算法得到目标星体的图像，并通过星点提取和星识别获得目标星体在星空中的准确位置，再经过姿态计算，得到卫星的姿态位置信息；由星载数据处理设备处理得到的卫星姿态位置信息通过姿态控制接口传输给下游的控制系统。
[0007]进一步地，视频处理设备和电子学读出设备还分别对第一电信号和第二电信号进行降噪预处理，分别记录两个电信号的到达时间，之后由星载时频装置对两个电信号进行打标，得到光子到达时间序列信息。
[0008]进一步地，星载时频装置包括星载原子钟、GPS接收机和时间同步设备，其中，星载原子钟和GPS接收机用于为视频处理设备和电子学读出设备提供绝对时间标准，时间同步设备用于对视频处理设备和电子学读出设备进行时间同步。
[0009]与现有技术相比，根据本发明的强度关联星敏感器的优点包括:
[0010]1、在工程实现上比较容易
[0011]本发明在现有CCD星敏感器的基础上进行了改进，其中利用了两路光学探测系统的探测信号，通过星载时频装置对获得的两路电信号进行了时间同步，并在星载数据处理设备中对两路电信号进行强度关联信号处理。因此在保持原星敏感器的光学系统、整体外观形状不变的基础上进行内部结构的局部调整即可，在工程实现上比较容易。
[0012]2、探测灵敏度更高
[0013]本发明利用量子成像技术中的强度关联方法对星空进行成像，使用扫描式传感器对星空进行搜索，同时另一路使用单光子传感器，因此更容易探测到较暗的星体，探测灵敏度大大提闻。
[0014]3、探测速度较快
[0015]由于本发明对暗星的探测能力有了大幅提高，因此只需扫描较窄的视场就可以获得可用于导航的星体数目，因此探测速度得以提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的星敏感器的整体结构示意图；
[0017]图2为本发明的星敏感器的工作流程图。
【具体实施方式】
[0018]下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的强度关联星敏感器做进一步详细的说明。
[0019]如图1所示，根据本发明的强度关联星敏感器包括第一遮光罩、第二遮光罩、第一光学望远镜、第二光学望远镜、扫描式传感器、单光子传感器、电子学读出设备、视频处理设备、星载时频装置、星载数据处理设备、以及姿态控制接口。
[0020]第一遮光罩、第二遮光罩分别安装在第一光学望远镜、第二光学望远镜前,用于遮挡来自非目标星体(例如，太阳、月亮、地球)的杂散光，以大幅降低进入光学望远镜的噪声；第一光学望远镜和第二光学望远镜用于汇聚来自目标星体的光线，完成星空的光学成像，将星空成像在自身的光学焦平面上。第一光学望远镜和第二光学望远镜均由光学透镜组和机械支架组成。其具体结构设计可根据实际情况进行调整。
[0021]扫描式传感器和单光子传感器分别置于第一光学望远镜和第二光学望远镜的光学焦平面上，分别将第一光学望远镜和第二光学望远镜汇聚得到的星空图像经光电转换为电信号输出，其中，由扫描式传感器输出的第一电信号送入视频处理设备，由视频处理设备读出该第一电信号；由单光子传感器输出的第二电信号送入电子学读出设备，由该电子学读出设备读出该第二电信号。通常，扫描式传感器和单光子传感器会配备驱动电路和冷却装置，用于使扫描式传感器和单光子传感器能够实时地获得光学望远镜汇聚得到的图像。
[0022]视频处理设备和电子学读出设备还分别对第一电信号和第二电信号进行降噪预处理，分别记录两个电信号的到达时间，之后由星载时频装置对两个电信号进行打标，得到光子到达时间序列信息。
[0023]星载时频装置为视频处理设备和电子学读出设备提供绝对时间标准，同时对视频处理设备和电子学读出设备进行时间同步。星载时频装置包括星载原子钟、GPS接收机和时间同步设备，其中，星载原子钟和GPS接收机用于为视频处理设备和电子学读出设备提供绝对时间标准，时间同步设备用于对视频处理设备和电子学读出设备进行时间同步。具体地，时间同步设备可以采用时间同步控制电路来实现。
[0024]星载数据处理设备对来自视频处理设备的第一电信号和来自电子学读出设备的第二电信号采用二阶强度关联算法进行计算，即可得到目标星体的图像，并通过星点提取和星识别获得目标星体在星空中的准确位置，再经过姿态计算，得到卫星的姿态位置信息；由星载数据处理设备处理得到的卫星姿态位置信息通过姿态控制接口传输给下游的控制系统。
[0025]如图2所示，本发明的星敏感器的具体工作流程为:
[0026](I)利用航天器上冗余的星敏感器，设置两个共面的星敏感器单元，并将这两个单元通过链路连接，根据本发明的星敏感器的结构对其进行结构调整；
[0027](2)调整两个遮光罩和光学望远镜的姿态，使它们同时对准同一天区的导航星；
[0028](3)通过遮光罩和光学望远镜将视场内的可见光汇聚在焦平面上，实现星空的光学成像；
[0029](4)利用扫描式传感器和单光子传感器对星空的光学图像进行扫描，并将光信号转换为电信号输出；
[0030](5)视频处理设备对电信号进行降噪处理、偏置、增益调节，最后进行A/D转换，输出星空数字图像至星载数据处理设备进行互相关处理；
[0031](6)单光子传感器利用光子计数器探测天体辐射的可见光信号，并将可见光信号转化为电信号，输出至星载数据处理设备进行互相关处理；
[0032](7)星载时频装置对两个电信号进行打标，得到光子到达时间序列信息，输出至星载数据处理设备进行互相关处理；
[0033](8)星载数据处理设备利用二阶强度关联算法、导航星识别算法和姿态滤波算法等，进行判星、单星定位、星识别、星敏感器姿态角和航天器姿态角计算处理；确定星敏感器光轴相对于惯性坐标系的指向，给出航天器在惯性坐标系下的姿态四元素；
[0034](9)通过姿态控制接口将航天器姿态角信息输出至航天器姿态控制系统，进行姿态控制。
[0035]在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。
[0036]以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种强度关联星敏感器，其特征在于，包括第一遮光罩、第二遮光罩、第一光学望远镜、第二光学望远镜、扫描式传感器、单光子传感器、电子学读出设备、视频处理设备、星载时频装置、星载数据处理设备、以及姿态控制接口，其中第一遮光罩、第二遮光罩分别安装在第一光学望远镜、第二光学望远镜前，用于遮挡来自非目标星体的杂散光，以大幅降低进入光学望远镜的噪声；第一光学望远镜和第二光学望远镜用于汇聚来自目标星体的光线，完成星空的光学成像，将星空成像在自身的光学焦平面上； 扫描式传感器和单光子传感器分别置于第一光学望远镜和第二光学望远镜的光学焦平面上，分别将第一光学望远镜和第二光学望远镜汇聚得到的星空图像经光电转换为电信号输出，其中，由扫描式传感器输出的第一电信号送入视频处理设备，由视频处理设备读出该第一电信号；由单光子传感器输出的第二电信号送入电子学读出设备，由该电子学读出设备读出该第二电信号； 星载时频装置为视频处理设备和电子学读出设备提供绝对时间标准，同时对视频处理设备和电子学读出设备进行时间同步； 星载数据处理设备对来自视频处理设备的第一电信号和来自电子学读出设备的第二电信号进行二阶强度关联算法得到目标星体的图像，并通过星点提取和星识别获得目标星体在星空中的准确位置，再经过姿态计算，得到卫星的姿态位置信息；由星载数据处理设备处理得到的卫星姿态位置信息通过姿态控制接口传输给下游的控制系统。
2.根据权利要求1所述的强度关联星敏感器，其特征在于， 视频处理设备和电子学读出设备还分别对第一电信号和第二电信号进行降噪预处理，分别记录两个电信号的到达时间；之后由星载时频装置对两个电信号进行打标，得到光子到达时间序列信息。
3.根据权利要求1所述的强度关联星敏感器，其特征在于，星载时频装置包括星载原子钟、GPS接收机和时间同步设备，其中，星载原子钟和GPS接收机用于为视频处理设备和电子学读出设备提供绝对时间标准，时间同步设备用于对视频处理设备和电子学读出设备进行时间同步。
【文档编号】G01C21/02GK104316046SQ201410532389
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】杨然, 王增斌, 杨文良, 王俊, 张安宁 申请人:北京航天控制仪器研究所