专利名称：双光谱的自主导航敏感器及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种双光谱的自主导航敏感器及其设计方法。
背景技术：
星敏感器是感受恒星的辐射并测量飞行器相对于该恒星方位的一种光学姿态敏感器。由于恒星的张角非常小，且星光在惯性坐标系中的方向是精确已知的，所以星敏感器的测量精度很高。但是由于星光非常微弱，所以信号检测比较困难，其成像需要使用高灵敏度的图像传感器，比如析像管或电荷稱合器件(CCD,Charge Coupled Device)。天空中恒星数量很多，它一方面带来可供选择的目标恒星较多和应用方便的优点，但也带来了对检测到的恒星进行识别的困难，因而需要配备数据存储和处理能力较强的星载数字计算机。为了减小外界杂散光的影响，常常在星敏感器的镜头前加一个遮光罩。来自恒星的平行光经 过光学系统后在像面阵上聚焦成像，按能量中心法可确定星像的中心位置(其精度可达角秒)。根据聚焦几何关系进一步求出星光矢量在星敏感器坐标系中的方向，再由星敏感器安装矩阵求得星光矢量在卫星本体坐标系中的观测矢量。星敏感器虽然输出数据精度高，但是纯采用星敏感器仅仅能输出飞行器相对于惯性坐标系下的姿态角，而对于飞行器控制系统而言，除了需要飞行器的姿态信息以外，还必须提供飞行器的位置信息，因此纯粹采用星敏感器来为飞行器控制系统提供测量数据，不能完成飞行器控制系统的控制任务。红外地球敏感器(infrared earth sensor),通过测量地球与天空的红外福射的差别而获取飞行器器姿态信息的一种光学测量仪器。大多利用14 16 μ m波段的CO2的吸收带来测量地球大气辐射圈所形成的地平圆来克服季节变化、地球表面以及地表辐射差异对地平圆的影响。红外地球敏感器通常用于测量飞行器的俯仰姿态角和滚动姿态角。从星敏感器和红外地球敏感器的工作原理可以看出，不管是纯粹采用星敏感器还是纯粹采用红外地球敏感器，都只能给飞行器提供姿态信息。因此当前利用星敏感器和红外地平仪进行飞行器自主导航，该方法利用星敏感器观测一组恒星，可算得星光在飞行器本体坐标系的方向，利用飞行器上红外地球敏感器观测地球，并通过红外地平仪的安装矩阵求得地心方向矢量在飞行器本体坐标系下的投影和地球视半径，这样可以得到观测量星光角距。以星光角距和地球视半径作为观测量，结合卫星轨道动力学模型和滤波技术可以而确定飞行器的位置信息。然而典型的红外地球敏感器虽然工件在稳定的红外波段，但其对背景噪音敏感，尺寸大，较重，价格较高。红外波段探测器需要进行致冷，而且由于地球辐射的红外波段特性不稳定，这就降低了红外地球敏感器测量地球视半径的精度，由于地球视半径精度的降低，导致确定飞行器的位置信息精度降低。相比较，地球边沿辐射的紫外波段，无论在白天或夜间均存在适应于探测的紫外临边辐射的特征，这些特征中的临边辐射极值高度具有稳定的特点，随经纬度和季节变化很小，随观测方位角变化也很小。这一特征以足够精度来为图像传感器的建立提供信号基础。
因此可以采用探测地球紫外波段来得到观测量地球半径和星敏感器得到星光角距作为观测量，结合卫星轨道动力学模型和滤波技术确定飞行器的位置信息。当前采用探测地球紫外波段和恒星在紫外波段的图像为飞行器提供导航信息，其基本结构如
图1，从图I可以看出，传统的地球紫外波段和恒星紫外波段导航敏感器要观测的范围是地球表面到地球表面10°以上。该敏感器的光学系统为双视场，因此要组合利用一个反射式视场压缩器和一个球透镜构成一个非常规的光学系统，球透镜馋为光学系统的物镜，在球透镜的球心设置通光光阑，光阑的中心与球透镜的两个对称半球同心，每个反射镜的接缝处有一定视场范誉的模糊区或叫做盲区，因此拍摄的图像会出现暗环(如图2)，这是敏感器的固有缺陷。由于光学系统视场大，杂光干扰扰是不可避免的，此外由于视场大，给加工工艺带来了困难，而且恒星信息和地球的信息都经过了多次反射，这样也降低了为飞行器提供导航信息的精度。此外，由于该敏感器采用恒星的紫外波段信息进行自主导航，而在紫外波段能量很强的恒星的数量较少，大约才几百颗，这样就不能满足全天球的导航要求。
发明内容
基于以上不足之处，本发明提出一种双光谱的自主导航敏感器及其设计方法，主要利用地球的紫外波段信息和恒星的可见光波段信息来实现飞行器的自主导航。本发明采用的技术如下一种双光谱的自主导航敏感器，包括恒星的可见光波段镜头、地球紫外波段成像镜头和CCD传感器，恒星的可见光波段镜头只成像恒星可见光波段信息，地球紫外波段成像镜头只成像地球紫外波段信息，并且成像地球紫外波段镜头的光轴中心与成像恒星可见光波段镜头的光轴中心垂直，紫外波段镜头所成的像通过45°反射镜反射到CCD传感器上，两个视场镜头的机械结构采用一体化设计，两个镜头成像在同一个CCD传感器内，为了避免两个视场在CCD图像传感器内出现重叠区域，CCD传感器内的一部分区域为地球的紫外波段成像，CCD传感器内的另外一部分给恒星的可见光波段成像。本发明还具有如下特点I、所述的恒星的可见光波段镜头的视场角为24°、焦距为23. 29mm和入瞳直径为
2.5cm02、所述的地球紫外波段成像镜头的视场至少为17. 4°和入瞳直径为6mm。3、所述的CXD传感器为E2V公司的(XD48-20图像传感器。4、一种双光谱的自主导航敏感器的设计方法，方法如下(一 )恒星的可见光波段镜头的设计方法为⑴视场对应于高于某一星等的星数有如下公式TV(Mv) = 6.5e1107^(I)其中Mv为恒星星等，N(Mv)为全天球高于该星等的恒星数；因此，优于6等星的所有恒星数量为4983颗恒星；按照在任何时刻视场中能够观测到6颗星的概率优于95%的要求，需要视场内观测恒星的数量为18颗星，则视场可由空间角计算如下
权利要求
1.一种双光谱的自主导航敏感器，包括恒星的可见光波段镜头、地球紫外波段成像镜头和CXD传感器，其特征在于恒星的可见光波段镜头只成像恒星可见光波段信息，地球紫外波段成像镜头只成像地球紫外波段信息，并且成像地球紫外波段镜头的光轴中心与成像恒星可见光波段镜头的光轴中心垂直，紫外波段镜头所成的像通过45°反射镜反射到CXD传感器上，两个镜头成像在同一个CCD传感器内，为了避免两个视场在CCD图像传感器内出现重叠区域，CXD传感器内的一部分区域为地球的紫外波段成像，CXD传感器内的另外一部分给恒星的可见光波段成像。
2.根据权利要求I所述的一种双光谱的自主导航敏感器，其特征在于所述的恒星的可见光波段镜头的视场角为24°、焦距为23. 29mm和入瞳直径为2. 5cm。
3.根据权利要求I所述的一种双光谱的自主导航敏感器，其特征在于所述的地球紫外波段成像镜头的视场至少为17. 4°和入瞳直径为6_。
4.根据权利要求I所述的一种双光谱的自主导航敏感器，其特征在于所述的CCD传感器为E2V公司的(XD48-20图像传感器。
5.一种双光谱的自主导航敏感器的设计方法，其特征在于，方法如下 (一)恒星的可见光波段镜头的设计方法为 (1)视场 对应于高于某一星等的星数有如下公式
全文摘要
本发明涉及一种双光谱的自主导航敏感器及其设计方法，敏感器包括恒星的可见光波段镜头、地球紫外波段成像镜头和CCD传感器，恒星的可见光波段镜头只成像恒星可见光波段信息，地球紫外波段成像镜头只成像地球紫外波段信息，并且成像地球紫外波段镜头的光轴中心与成像恒星可见光波段镜头的光轴中心垂直，紫外波段镜头所成的像通过45°反射镜反射到CCD传感器上，两个镜头成像在同一个CCD传感器内；设计方法包括恒星的可见光波段镜头的设计、地球紫外波段成像镜头和CCD器件的选择。本装置具有低功耗、导航精度高、误差小、利用的恒星数量能够覆盖全天球的优点。
文档编号G01C21/02GK102927982SQ20121039054
公开日2013年2月13日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者李葆华, 赖文杰, 王常虹, 陈才敏, 陈希军 申请人:哈尔滨工业大学