专利名称：基于三点反射合作的卫星指向与姿态测量方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于测量测试领域中角度測量技术，主要涉及ー种小卫星编队技术中，通过角度測量来间接获得待测小卫星相对于基准小卫星位置和距离的測量方法和装置。
背景技术：
随着科学技术的迅猛发展，小卫星编队飞行技术受到各国的高度重视。小卫星编队飞行是指ー小卫星群以某一点为基准，保持ー个特定形状，以相同的轨道周期绕地球飞行。编队飞行的各颗小卫星相互协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务。编队飞行的小卫星群不仅可以以较低的成本、较高的可靠性和生存能力替代单颗相同功能的传统大卫星，还可以突破传统大卫星的尺寸限制，扩展大卫星的应用领域和性能，包括对地观测、立体成像、精确定位、大气探測、天文观测和地球物理观测等，具有巨大的军用价值和民用价值。
虽然小卫星编队飞行技术具有广阔的应用前景，但却面临着超高技术难度的挑战。由于编队飞行的小卫星的优越性是通过高精度的星间基线測量与编队卫星队形的精确控制来实现的，并且对基线的测量精度要求达到厘米量级，甚至毫米量级，指向精度和姿态測量精度都要求达到角秒量级，因此，体现小卫星编队飞行的优越性，首先就要对编队小卫星状态进行高精度測量。状态量包括每颗小卫星的飞行速度、高度和转动角度，状态量的測量又分为绝对状态测量和相对状态測量。同绝对状态测量相比，相对状态測量队实现小卫星编队自主飞行、队形保持与控制等具有更重要的意义，在众多相对状态量中，待测小卫星相对基准小卫星的位置，包括角度和距离，是保持卫星通信的基础。在航天交会领域，如2008年I月，宇航学报第29卷第I号发表文章《基于双目视觉的航天器间相对位置和姿态的测量方法》，又如2010年3月，光学技术第36卷第2号发表《基于单目视觉的航天器间相对位姿測量算法》等文章，均广泛采用的ー种方法是分别根据基准小卫星的姿态和待测小卫星的姿态，建立基准小卫星的三维坐标和待测小卫星的三维坐标，并且对待测小卫星三维坐标进行旋转和平移即可同基准小卫星三维坐标重合，并且旋转量和平移量可以通过矩阵运算得到。这种方法是为了解决航天交会领域中的对接技术而提出的，虽然可以精确測量待测小卫星相对于基准小卫星所处方向和姿态，但是这种方法的缺点是无法测量待测小卫星与基准小卫星之间的距离。在激光测距领域，如中国专利公开号CN101349757A，
公开日2009年I月21日，发明《有源协作式相位激光测距方法与装置》，公开了ー种激光测距方法，该方法利用双光束单程协作测量模式，使測量系统回光能量的衰减形式为二次方衰减函数，因此可以在很大程度上增大系统回光能量及信噪比，适合远程测距。将这种方法应用到编队小卫星相对状态测量，可以精确获得两颗小卫星之间的距离，然而这种方法最大的缺点是无法测量待测小卫星相对基准小卫星的角度。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，设计了ー种仅通过角度測量，即可同时获得待测小卫星相对于基准小卫星的指向与空间姿态的測量方法与装置。本发明的目的是这样实现的基于三点反射合作的卫星指向与姿态测量方法，包括以下步骤a、第一时刻，激光器发射的激光束经分光棱镜透射，再由第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜反射后，沿原路返回，第二次经过分光棱镜反射后经望远镜成像，并由图像传感器采集，并将图像数据输送给计算机进行处理；通过数学运算，得到在不考虑望远 镜放大率的情况下的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离Cl1和第二角锥棱镜与第三角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d2 ；b、根据基准小卫星的轨道半径ri、待测小卫星的轨道半径r2、待测小卫星上第一
角锥棱镜与第二角锥棱镜之间的距离I1，利用第a步得到的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜
在与激光束垂直方向上的投影距离Cl1，用计算式
7rx -r2 cosa〗1V +ビ—2^ cos α求得基准小卫星转动半径与待测小卫星转动半径的夹角α ；C、根据基准小卫星的轨道半径A、待测小卫星的轨道半径r2、待测小卫星上第二角锥棱镜与第三角锥棱镜之间的距离I2，利用第a步得到的第二角锥棱镜与第三角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d2，以及第b步得到的基准小卫星转动半径与待测小卫星转动半径的夹角α，并且设基准小卫星的坐标为Ov 0，O)，用计算式
K]h Φ2 α2 Φι +,2 ム丨r2cosa
cL求得基准小卫星所在转动平面与待测小卫星所在转动平面的距离h，待测小卫星的坐标为 Cr2 cos a , r2 sin α , h)；d、第二时刻，激光器发射的激光束经分光棱镜透射，再由第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜反射后，沿原路返回，第二次经过分光棱镜反射后经望远镜成像并由图像传感器采集，并将图像数据输送给计算机进行处理；通过数学运算，得到第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离CT 1;e、根据基准小卫星的轨道半径Γι、待测小卫星的轨道半径r2、待测小卫星上第一角锥棱镜与第二角锥棱之间的距离I1，第二角锥棱与第三角锥棱之间的距离I2，利用第a步得到的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离Cl1，第b步得到的基准小卫星转动半径与待测小卫星转动半径的夹角α，第d步得到的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d' i，用计算式
. UdAn - K cos α). η -n cos orβ = arcsin-r -— ニ,· .ニ.· — arcsin-p='」—=
I2Cil y/r'2 + Tj - 2rxr2 cos a^Jrl2 + rj — 2r,r2 cos a求得相对第一时刻，基准小卫星和待测小卫星所转过的角度，并且得到此时基准小卫星的坐标为(Γι cos β , T1 sin@ ,0)、待测小卫星的坐标为(r2 cos(a + β ), r2
sin( a + β ), h)；
f、根据基准小卫星的轨道半径Γι，待测小卫星的轨道半径r2，利用第b步得到的基准小卫星转动半径与待测小卫星转动半径的夹角α，以及第c步得到的基准小卫星所在转动平面与待测小卫星所在转动平面的距离h，用计算式d
权利要求
1.基于三点反射合作的卫星指向与姿态测量方法，其特征在于包括以下步骤 a、第一时刻，激光器发射的激光束经分光棱镜透射，再由第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜反射后，沿原路返回，第二次经过分光棱镜反射后经望远镜成像，并由图像传感器采集，并将图像数据输送给计算机进行处理；通过数学运算，得到在不考虑望远镜放大率的情况下的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离Cl1和第二角锥棱镜与第三角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离d2 ； b、根据基准小卫星的轨道半径A、待测小卫星的轨道半径r2、待测小卫星上第一角锥棱镜与第二角锥棱镜之间的距离I1，利用第a步得到的第一角锥棱镜与第二角锥棱镜在与激光束垂直方向上的投影距离Cl1，用计算式
2.基于三点反射合作的卫星指向与姿态测量装置，包括在基准小卫星上配置激光器(I)、分光棱镜⑵、望远镜(3)、图像传感器⑷和计算机(5)，分光棱镜⑵位于激光器(I)的出射光路上，望远镜⑶和图像传感器⑷位于分光棱镜⑵的反射光路上，计算机(5)与图像传感器(4)连通；在待测小卫星上配置第一角锥棱镜(6)、第二角锥棱镜(7)、第三角锥棱镜(8)，基准小卫星的激光器(I)发射的激光束经分光棱镜(2)透射，再由第一角锥棱镜(6)、第二角锥棱镜(7)、第三角锥棱镜(8)反射后，沿原路返回，第二次经过分光棱镜(2)反射后经望远镜(3)成像并由图像传感器(4)采集，并将图像数据输送给计算机(5)进行处理；其特征在于第一角锥棱镜￠)、第二角锥棱镜(7)、第三角锥棱镜(8)在待测小卫星上成直角三角形配置，其中第二角锥棱镜(7)位于直角顶点处，第一角锥棱镜(6)和第二角锥棱镜(7)所在直线与第二角锥棱镜(7)和第三角锥棱镜(8)所在直线互相垂直；第一角锥棱镜(6)、第二角锥棱镜(7)和第三角锥棱镜⑶所在平面的法向量方向不变；基准小卫星上的激光器(I)发射的激光束经分光棱镜(2)透射，透射光束的方向指向待测小卫星第一角锥棱镜(6)和第三角锥棱镜(8)连线的中点。
全文摘要
基于三点反射合作的卫星指向与姿态测量方法与装置属于测量测试领域中角度测量技术；该装置在待测小卫星上配置了三个角锥棱镜，此三个角锥棱镜在平面内构成法向量不随待测小卫星转动而发生改变的直角三角形，基准小卫星的激光器正对着三个角锥棱镜构成的直角三角形斜边中点位置，建立待测小卫星上处于直角边上的两个角锥棱镜间的距离与它们在基准小卫星上的投影距离的数学关系，该方法利用这种数学关系对待测小卫星相对基准小卫星的基线偏转角和空间姿态角进行测量；该装置和方法仅通过对待测小卫星相对基准小卫星的角度进行测量就可以间接获得待测小卫星相对于基准小卫星的指向和空间姿态，测量装置简单，测量结果准确。
文档编号G01C1/00GK102679945SQ20121018093
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月5日 优先权日2012年6月5日
发明者侯滨可, 崔继文, 胡鹏程, 谭久彬, 赵烟桥 申请人:哈尔滨工业大学