高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳敏感器姿态测量技术领域，特别涉及一种高精度、大视场不同孔 径太阳敏感器光线引入器设计方法。
【背景技术】
[0002] 太阳敏感器是空间飞行器姿态与轨道控制系统的重要组成部分，通过测量太阳光 线与太阳敏感器坐标系的夹角实现空间飞行器的对日定向。太阳敏感器主要分为模拟式与 数字式，模拟式太阳敏感器结构简单，但精度较低且易受杂散光的影响，不适用于高精度的 姿态确定与控制系统。相对于模拟式太阳敏感器，数字式太阳敏感器具有较高的测量精度， 其光学系统可消除杂散光影响，美国JPL实验室于2002年提出基于MEMS工艺光学掩膜和 APS CMOS图像传感器的数字式太阳敏感器，实现了数字式太阳敏感器小型化，从此微型数 字式太阳敏感器得到广泛研宄，尤其在大视场角、高精度、高分辨率以及质心提取算法等方 面。
[0003] 在提高数字式太阳敏感器视场角及分辨率方面，有许多方法被提出并得到应用， 主要有：透镜法、多探测器组合法、拱形/金字塔形光线引入器法，但以上方法使系统结构 复杂、增大体积和功耗。邢飞等人于2013年提出了基于MEMS平面光线引入器的图像探测 器复用技术，可在不增加系统复杂度的情况下同时获得大视场角及高分辨率。但对于基于 小孔成像原理设计的多孔光线引入器，由于小孔衍射作用，相邻小孔间衍射成像产生干涉， 在大视场情况下尤为明显，影响图像质心提取精度。为解决小孔阵列由于衍射产生的图像 交叠问题，郑志敏、魏新国等人对等间距相同孔径小孔阵列光学系统进行了衍射仿真，并根 据仿真结果设计了统一的小孔尺寸及间距，但对于基于图像探测器复用技术的数字式太阳 敏感器，不同分视场对应不同的小孔阵列，因此需对不同分视场的小孔尺寸进行仿真设计。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0005] 为此，本发明的目的在于提出一种高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入 器设计方法，该方法可同时提高太阳敏感器视场角范围、分辨率和太阳入射角提取精度。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种高精度、大视场不同孔径太阳敏 感器光线引入器设计方法，包括以下步骤：S1 :设置太阳敏感器的视场角F0V以及所述光线 引入器到图像传感器的间距；S2 :根据所述太阳敏感器视场角F0V得到所述光线引入器单 轴边缘入射孔最小间距；S3 :根据"惠更斯-菲涅尔"衍射积分公式对不同入射角不同尺寸 小孔衍射特性进行仿真分析，以确定不同入射角光线引入器入射孔径尺寸；S4 :根据衍射 光仿真图像，确定最大仿真入射角小孔衍射光斑直径及光线引入器入射孔组边缘间距，其 中，所述最大仿真入射角根据所述太阳敏感器的视场角F0V得到；S5 :分别设置光线引入器 入射孔组在X轴、Y轴方向的安全间隙值，并据此计算入射孔组的中心间距；S6 :计算每组 入射孔组可测量分视场范围以及为实现所述视场角F0V的测量的两轴向所需入射孔组数； S7 :判断光线引入器两轴向边缘入射孔间距是否满足步骤S2中的设计需求，如果是，则执 行步骤S8,否则执行步骤S3 ;S8 :根据所述不同入射角光线引入器的入射孔径尺寸与所述 每组入射孔组可测量分视场范围，得到不同入射孔组的孔径尺寸；S9 :对各入射孔组中小 孔间距进行唯一编码，并根据编码即孔径尺寸设计结果通过微纳加工工艺加工制造得到光 线引入器。
[0007] 根据本发明实施例的高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法， 根据"惠更斯-菲涅尔"衍射积分公式对不同入射角不同尺寸小孔衍射特性进行了仿真分 析，确定不同分视场光线引入器小孔孔径尺寸，解决了太阳敏感器边缘视场相邻小孔衍射 成像模糊以及由于干涉效应导致图像交叠影响质心提取这一问题，从而提高了太阳敏感器 视场角范围和太阳入射角提取精度，为数字太阳敏感器高精度光学系统设计提供了一种有 实际应用价值的设计方案。
[0008] 另外，根据本发明上述实施例的高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器 设计方法还可以具有如下附加的技术特征：
[0009] 在一些示例中，还包括：根据所述制造得到的光线引入器对太阳敏感器进行标定， 以验证所述太阳传感器是否满足设计要求。
[0010] 在一些示例中，所述太阳敏感器视场角FOV的计算公式如下：
【主权项】
1. 一种高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法，其特征在于，包括w 下步骤： 51 ;设置太阳敏感器的视场角FOVW及所述光线引入器到图像传感器的间距； 52 ;根据所述太阳敏感器视场角FOV得到所述光线引入器单轴边缘入射孔最小间距； 53 ;根据"惠更斯-菲涅尔"衍射积分公式对不同入射角不同尺寸小孔衍射特性进行仿 真分析，W确定不同入射角光线引入器入射孔径尺寸； S4;根据衍射光仿真图像，确定最大仿真入射角小孔衍射光斑直径及光线引入器入射 孔组边缘间距，其中，所述最大仿真入射角根据所述太阳敏感器的视场角FOV得到； 55 ;分别设置光线引入器入射孔组在X轴、Y轴方向的安全间隙值，并据此计算入射孔 组的中屯、间距； 56 ;计算每组入射孔组可测量分视场范围W及为实现所述视场角FOV的测量的两轴向 所需入射孔组数； 57 ;判断光线引入器两轴向边缘入射孔间距是否满足步骤S2中的设计需求，如果是， 则执行步骤S8,否则执行步骤S3 ; 58 ;根据所述不同入射角光线引入器的入射孔径尺寸与所述每组入射孔组可测量分视 场范围，得到不同入射孔组的孔径尺寸； 59 ;对各入射孔组中小孔间距进行唯一编码，并根据编码及孔径尺寸设计结果通过微 纳加工工艺加工制造得到光线引入器。
2. 根据权利要求1所述的高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法， 其特征在于，还包括： 根据所述制造得到的光线引入器对太阳敏感器进行标定，W验证所述太阳敏感器是否 满足设计要求。
3. 根据权利要求1所述的高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法， 其特征在于，所述太阳敏感器视场角FOV的计算公式如下：
其中，Utet。为所述光线引入器单轴边缘入射孔最小间距，h为光线引入器到COMS图 像传感器的间距，IwMDt为图像传感器相应轴向长度。
4. 根据权利要求1所述的高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法， 其特征在于，光线引入器全部入射孔组边缘间距相同，且所述边缘间距为所述最大仿真入 射角小孔衍射光斑直径的=倍。
5. 根据权利要求1所述的高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法， 其特征在于，所述步骤S5进一步包括： X轴向入射孔组中屯、间距为： d= 1-D-1 . "mx sensorx ? Y轴向入射孔组中屯、间距为： dfliy 1 sensory Dy dmax， 其中，Dx、Dy分别为光线引入器入射孔组在X轴、Y轴方向的安全间隙值。
6. 根据权利要求1所述的高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法， 其特征在于，所述步骤S6进一步包括： 根据如下公式计算每组入射孔组可测量分视场范围W及为实现视场角FOV的测量的 两轴向所需入射孔组数：
其中，[FOV。，FOVi，F0V2…FOV。]为每组入射孔组可测量分视场范围，n为实现视场角FOV的测量单轴向所需入射孔组数。
7. 根据权利要求1所述的高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法， 其特征在于，所述步骤S7具体包括： 根据关系式化dm,判断光线引入器两轴向边缘入射孔间距是否满足步骤S2中 的设计需求； 若计算所得两轴向Ipatt。?均小于步骤S2设计1。。"。,。，则判定满足要求，继续执行步骤S8 ； 若计算所得两轴向其中一个轴向Ipatt。,。大于步骤S2设计1。。"。,。，则不满足要求，需返 回再次执行步骤S3。
8. 根据权利要求1所述的高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法， 其特征在于，所述图像传感器为CMOS图像传感器。
9. 根据权利要求1所述的高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法， 其特征在于，所述对各入射孔组中小孔间距进行唯一编码，进一步包括： 设左孔与中孔中屯、间距为Li，中孔与右孔间距为L2; 分别对各组定位孔中的Li和L2进行唯一编码。
【专利摘要】本发明提出一种高精度、大视场不同孔径太阳敏感器光线引入器设计方法，包括：S1：设置太阳敏感器的视场角及光线引入器到图像传感器的间距；S2：计算入射孔最小间距；S3：确定不同入射角光线引入器入射孔径尺寸；S4：确定最大入射角小孔衍射光斑直径及入射孔组边缘间距；S5：设置入射孔组的安全间隙值，计算其中心间距；S6：计算入射孔组可测量分视场范围及所需入射孔组数；S7：判断入射孔间距是否满足S2中需求，若是，执行S8，否则执行S3；S8：根据入射孔径尺寸与入射孔组可测量分视场范围得到不同入射孔组的孔径尺寸；S9：对小孔间距进行唯一编码，完成光线引入器设计。本发明可同时提高太阳敏感器视场角范围、分辨率及太阳入射角提取精度。
【IPC分类】G01C21-02
【公开号】CN104848853
【申请号】CN201510282773
【发明人】王赓, 邢飞, 卫旻嵩, 尤政
【申请人】清华大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月28日