一种动态太阳模拟器及其动态模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种动态太阳模拟器及其动态模拟方法，属于航天器地面测试设备模 拟器技术领域。
【背景技术】
[0002] 在航天领域，通常会采用太阳敏感器来完成对太阳的捕获，进而获取航天器的姿 态信息。因此，太阳模拟器在航天器地面测试阶段，是一种应用非常广泛的模拟测试设备。 对于太阳模拟器的研究，现有大部分文献都是基于光学系统的研究，即如何设计合适的光 学系统，对太阳光的准直、均匀等特性进行模拟。如《太阳模拟器辐照均匀性分析》、《AAA级 太阳模拟器的设计与研制》、《KFTA太阳模拟器研制》、《太阳模拟器及其运转方法》等。这类 模拟器都属于静态太阳模拟器，其主要特点对太阳光的模拟，并没有考虑太阳在航天器实 际环境中照射方向的模拟。一般用于被测产品的静态性能测试。
[0003] 近年来，随着航天器地面测试要求的提高，一些动态太阳模拟器的研制在工程应 用上受到了重视。其主要方式是利用电机转动机构，带动原来静态模拟器转动。如中科院 长春光学精密机械与物理研究所就分别提出了《高度角人工可调的太阳光照模拟装置及方 法》、《方位角自动调整的太阳光照模拟装置和方法》。在这些动态太阳模拟器设计中，其目 的是为了克服传统手持静态太阳模拟器带来使用不方便问题，其测试目的也仅针对太阳敏 感器的功能性能的开环测试，并没有实现太阳光源的真正动态模拟（运动轨迹模拟）。另 外，以往传统模拟器在使用前，需利用外界标定设备（经炜仪等）对模拟器安装精度进行标 定校准，调节难度、耗费的人力、物力大。
[0004] 嫦娥三号巡视器GNC太阳敏感器在分系统测试过程中，除对部件的接口进行测试 外，还需完成敏感器功能、性能的充分性测试（不同太阳强度、不同角度的光照激励，如视 场内、外等），为此需要将太阳敏感器部件引入闭环测试，真实地将敏感器（包括将光学敏 感头部，不止通过敏感器地检接口）引入，现有技术中的太阳模拟器不能满足嫦娥三号巡 视器GNC太阳敏感器动态测试的需求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种动态太阳模拟器 及其动态模拟方法。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] -种动态太阳模拟器，该动态太阳模拟器包括控制计算机、转台驱动器、机械台 体、安装支架和光学系统；
[0008] 所述的光学系统包括电源驱动器、冷却系统、短弧氣灯、親合透镜和导光光纤和出 光装置；
[0009] 所述的出光装置包括匀光准直器、消杂光光阑和光谱滤波器；
[0010] 所述的机械台体包括双轴转台和基座，双轴转台包括水平电机、垂直电机、第一配 重块、第二配重块、转接板、悬臂和安装支架；双轴转台与基座固定连接；
[0011] 所述的转接板包括一体成型为L型的水平板和竖直板；水平电机固定安装在基座 上，水平电机的输出轴与转接板的水平板固定连接，带动转接板水平转动；水平电机的输出 轴的中心有通孔；
[0012] 垂直电机固定安装在转接板的竖直板上，垂直电机的输出轴与悬臂固定连接，垂 直电机带动悬臂在垂直方向上转动；
[0013] 悬臂的一端固定安装有第二配重块，另一端安装光学系统的出光装置；
[0014] 转接板水平板一端的上面固定安装有第一配重块；
[0015] 基座上固定安装有一个小圆柱，小圆柱穿过水平电机输出轴的中心孔后与安装支 架固定连接，当水平电机的输出轴转动时，小圆柱不转动；安装支架上固定安装被测设备；
[0016] 所述的电源驱动器驱动短弧氙灯发出光束，光束通过耦合透镜耦合后通过导光光 纤输入到出光装置中，光束首先经过出光装置中的匀光准直器进行准直，然后经过消杂光 光阑进行消光，最后经过光谱滤波器进行滤波后输出照射到被测设备上；短弧氙灯通过冷 却系统进行冷却；
[0017] 所述的控制计算机发出转台控制信号和光源强度控制信号，控制计算机还采集被 测设备的输出信号、水平电机的角度输出信号和垂直电机的角度输出信号，控制计算机根 据采集到的信号对机械台体坐标系〇MXMYMZM与被测设备坐标系0SXSYSZS之间的旋转矩阵R;
[0018] 所述的坐标原点0M位于水平电机的输出轴顶端中心位置，XM轴朝上，YM轴朝右，ZM 轴朝纸面向里；
[0019] 所述的坐标原点os位于被测设备成像面的中心位置，朝向垂直电机的输出 轴，Ys轴朝上，zs轴朝向光束出射点；
[0020] 所述的转台驱动器接收控制计算机发出的转台控制信号，根据控制信号驱动水平 电机、垂直电机转动；
[0021] 所述的短弧氙灯根据控制计算机发出的光源强度控制信号，输出需要强度的光 束；
[0022] 垂直电机带动悬臂在垂直方向上转动角度为-70°到+70°。
[0023] 水平电机的输出轴带动转接板水平转动角度为-70°到+70°。
[0024] 所述的控制计算机包括参数设置模块、光源控制模块、转台控制模块、接口模块和 标定t吴块；
[0025] 参数设置模块用于对水平电机的转动角度、垂直电机的转动角度、光学系统的光 强度进行设定；
[0026] 光源控制模块根据设定的光学参数对光学系统的光照强度进行控制；
[0027] 转台控制模块控制水平电机和垂直电机，使得双轴转台在水平和垂直方向运动；
[0028] 接口模块用于采集被测设备的输出信号、水平电机的角度输出信号和垂直电机的 角度输出信号；
[0029] 标定模块根据参数设置模块设定的参数以及接口模块接收到的参数对机械台体 坐标系0ΜΧΜΥΜΖΜ与被测设备本体坐标系0SXSYSZS之间的旋转矩阵R进行标定。
[0030] -种动态太阳模拟器的动态模拟方法，步骤为：
[0031] (1)将被测设备固定在安装支架上；
[0032] (2)通过控制计算机的参数设定模块设定光学系统的光强度、η组水平电机和垂 直电机的转动角度；η为自然数，η大于等于3;
[0033] (3)光学系统发射步骤⑵中设定强度的光束；
[0034] (4)转台驱动器驱动水平电机和垂直电机按照步骤（2)中设定的角度开始转动；
[0035] (5)每次水平电机和垂直电机转动到设定角度后，控制计算机的接口模块采集被 测设备的输出信号，直至η组转动角度结束，即得到η组输出信号；
[0036] (6)控制计算机的标定模块根据步骤（2)中的η组转动角度和步骤（5)中的η组 输出信号得到机械台体坐标系〇ΜΧΜΥΜΖΜ与被测设备坐标系0SXSYSZS之间的旋转矩阵R;
[0037] (7)根据被测设备的期望值和步骤（6)得到的旋转矩阵R，得到太阳模拟器中水平 电机和垂直电机的转动角度，然后对光束进行角度测量，得到太阳矢量。
[0038] 本发明与现有技术相比的优点：
[0039] (1)本发明采用双轴转台控制，实现太阳俯仰角与方位角两个方向的实时动态模 拟；
[0040] (2)本发明的动态太阳模拟器在使用前，可以自主完成机械台体与被测设备之间 的坐标转换矩阵的标定；
[0041] (3)本发明的动态太阳模拟器在水平电机中采用中空的电机转动轴，使得被测设 备在水平转动平面内不随水平电机转动，可以固定在基座上；
[0042] (4)本发明电机直接和运动执行部件刚性连接，没有中间的机械传动环节，精度 高、反应速度快、线性度好、工作可靠且维护方便；
[0043](5)本发明在与水平电机输出轴连接的转接板、与垂直电机输出轴连接的悬臂上 设计有配重块，用于调节水平电机与垂直电机转动惯量的平衡；
[0044] (6)本发明在水平电机的输出轴和