一种双折射太阳敏感器及其载体三轴姿态的测量方法与流程

技术特征：

1.一种双折射太阳敏感器，包括：光线过滤模块、单轴晶体镜头、图像传感器和数据处理模块；其特征在于，所述光线过滤模块将光线进行集束，形成较细的入射光线；所述单轴晶体镜头将入射光线进行双折射，形成两条折射光线；所述图像传感器对两束折射光线进行成像；所述数据处理模块用于提取像点中心，并根据两条折射光线计算入射光线的矢量信息，由此计算出载体的三轴姿态信息。

2.根据权利要求1所述的双折射太阳敏感器，其特征在于，所述单轴晶体镜头的材质为方解石。

3.根据权利要求1或2所述的双折射太阳敏感器，其特征在于，所述光线过滤模块为在单轴晶体镜头的表面设置透光孔；所述透光孔置于单轴晶体镜头外表面的中心位置，所述透光孔的直径不大于0.1mm。

4.根据权利要求1或2所述的双折射太阳敏感器，其特征在于，所述光线过滤模块为在单轴晶体镜头上设置黑色原点；所述黑色原点置于单轴晶体镜头外表面的中心位置，所述黑色原点的直径不大于0.1mm。

5.根据权利要求1或2所述的双折射太阳敏感器，其特征在于，所述光线过滤模块为在单轴晶体镜头前设置凸透镜片；所述凸透镜片设置在单轴晶体镜头之前，其中心与单轴晶体镜头前表面的距离为所述凸透镜片的焦距。

6.一种载体三轴姿态的测量方法，通过在载体上安装权利要求1-5之一所述的双折射太阳敏感器实现，所述方法包括：

步骤1)所述光线过滤模块对太阳光线进行过滤；

步骤2)过滤后的入射光线通过单轴晶体镜头成为双折射光线：o光和e光；

步骤3)利用图像传感器对o光和e光所形成的光斑进行成像；

步骤4)提取o光和e光的光斑质心；

步骤5)利用两束折射光线计算入射光线的矢量信息；

步骤6)根据入射光线和两条折射光线计算载体的三维姿态信息。

7.根据权利要求6所述的载体三轴姿态的测量方法，其特征在于，所述步骤5)的具体实现过程为：

平面波在折射时满足n₁·r＝n₂·r，r为分界面任意矢量，n₁和n₂为光线折射前后的介质折射率，波矢量仍然在入射平面内；

对于o光，波矢量方向与折射光线重合，即

θ_o＝θ₂＝arcsin(n₁sinθ₁/n_o) (1)

式中，θ₁为入射光线入射角，θ_o和θ₂为折射光o光与单轴晶体镜头表面法线的夹角；

n_o分别为o光在单轴晶体镜头中的折射率；

对于e光，n₂表示为：

$n_2=\frac{n_o{n}_e}{\sqrt{n_o^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}+n_e^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}}}---\left(2\right)$

θ_kp为光波矢量与光轴的夹角，所以有：

$n_1{\mathrm{sin\θ}}_1=\frac{n_o{n}_e}{\sqrt{n_o^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}+n_e^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}}}{\mathrm{sin\θ}}_k---\left(3\right)$

θ_k为e光波矢量e_k与单轴晶体镜头表面法线的夹角，e光波矢量e_k仍然在入射平面内，表示为：

e_k＝cosθ_ke_z+sinθ_ke_x (4)

其中，e_z、e_x为三轴分量单位矢量；故得到：

cosθ_kp＝e_k·e_p＝cosθ_kcosθ_p+sinθ_ksinθ_pcosφ_p (5)

θ_p为单轴晶体镜头光轴与z轴的夹角，φ_p为光轴在单轴晶体表面的投影线与x轴夹角，e_p为光轴单位矢量，e光波矢量确定后，e光线单位矢量e_r与光轴的夹角θ_rp由下式确定：

${\tan \mathrm{\θ}}_{\mathrm{rp}}=(n_o^e/n_e^2){\tan \mathrm{\θ}}_{\mathrm{kp}}---\left(6\right)$

由于e光光线、e光波矢量与光轴三者共面，设三者满足：

e_r＝αe_k+βe_p (7)

α和β为待定系数，经过各矢量之间的约束关系得到：

$\mathrm{\α}=\frac{n_o^2}{n_e^2}\frac{{\mathrm{cos\θ}}_{rp}}{{\mathrm{cos\θ}}_{kp}}=\frac{n_o^2}{n_e^2}\frac{1}{\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}+(n_o^4/n_e^4){\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}}}---\left(8\right)$

$\mathrm{\β}=\left(1-n_o^e/n_e^2\right){\mathrm{cos\θ}}_{rp}=\left(1-n_o^e/n_e^2\right)\frac{{\mathrm{cos\θ}}_{kp}}{\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}+\left(n_o^4/n_e^4\right){\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}}}---\left(9\right)$

进而得到：

e_r＝(αsinθ_k+βsinθ_pcosφ_p)e_x+βsinθ_psinφ_pe_y (10)

+(αcosθ_k+βcosθ_p)e_z

通过选定单轴晶体镜头，利用公式(1)确定o光的入射光θ₁与折射光的关系，利用公式(10)确定e光线单位矢量e_r与θ_p、θ_k的关系，再由公式(3)确定θ_k与θ₁之间的关系，这样联合公式(1)、(3)和(10)确定了入射光与两束折射光之间的关系，通过测量得到两束折射光线，则入射光线矢量也就唯一确定了。

8.根据权利要求7所述的载体三轴姿态的测量方法，其特征在于，所述步骤6)的具体实现过程为：

载体的姿态信息包含俯仰角、偏航角和滚动角；直接测量两束折射光在图像传感器上的二维坐标(x,y)，经过计算得到两束折射光的俯仰角θ和偏航角ψ的信息，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{y}{f}\right)\\ \mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{x}{f}\right)\end{array}\right.$

式中，f为凸透镜的焦距；

经过直接测量两束折射光光斑质心确定入射光的俯仰角θ_m和偏航角ψ_m，对两束折射光光斑质心进行连线，确定出入射光的旋转角度，即滚动角此时确定的三个姿态角均为太阳敏感器坐标系下的值，记为通过敏感器的转换矩阵T_bm，将姿态转化为飞行器本体坐标系下，即

为载体本体坐标系下的姿态信息。