一种反射式星敏感器制造技术

一种反射式星敏感器，包括离轴三反射式光学系统、遮光罩、探测器、信息处理器，光学系统为带有中间像光栏和里奥光栏的离轴三反射镜系统，探测器为固体成像器件，信息处理器为嵌入式类型的具有采集、存储探测器所成的光电数字图像并计算输出姿态信息的系统。本发明专利技术的星敏感器同时具备了现有技术所不能同时具备一系列优点，诸如无色差带来的星敏感器低频误差、采用接近零热膨胀系数的光机材料所带来的极小光轴热漂移、采用中间像光栏和里奥光栏带来的消杂光方便性等等。

A reflective star sensor

A reflection type of star sensor, including the off-axis three mirror system, hood, detector, information processor, optical system with intermediate like off-axis three mirror optical system and optical Leo bar bar, the detector is a solid imaging device, information processor for embedded type system with photoelectric digital image acquisition and storage the detector and calculate the output attitude information. The star sensor of the present invention has the existing technology can have a series of advantages such as low frequency at the same time, no star sensor error and chromatic aberration brought by near zero thermal expansion coefficient of the material machine caused by thermal drift, the minimum axis intermediate like light bar and Ferdinand light bar bring stray light convenience and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种反射式星敏感器
本专利技术涉及一种反射式星敏感器，可应用于航天器姿态测量和旋转角速率测量领域。
技术介绍
目前对于航天器的姿态测量经常使用星敏感器，这种敏感器的主要原理是：利用恒星位置相对于惯性空间基本不动的规律，通过对一个天区的恒星光电成像获取星图，再星图进行处理和识别得到测量敏感器光轴在惯性空间指向，经过星敏感器在航天器安装坐标系与航天器姿态坐标系的转换即可得到航天器的三轴姿态。现有技术中，星敏感器硬件包括遮光罩、光学系统(镜头)、电子学系统、电器和结构接口。电子学系统有包括探测器成像组件、信息处理单元、电源模块、内部外部电连接。星敏感器的主要技术指标包括三轴测角精度、数据更新率、杂光抑制能力等，星敏感器的数据更新率指标是每秒钟能够输出的姿态信息的更新次数，一般目前大多数星敏感器的数据更新率是10Hz左右。以往技术中，星敏感器光学系统一般都采用透射式光学系统，在透射式光学系统中也有采用折射衍射的设计方案的。折反射或者反射式光学系统虽然有学者研究，但是真正应用到星敏感器产品中的却很少。现有技术主要存在的不足如下：(1)透射式光学系统普遍存在色差，其倍率色差引起的星敏感器低频误差是难以消除的，而低频误差是影响星敏感器实现甚高精度的主要误差。(2)受到色差校正能力和星点尺寸大小的限制，现有透射式星敏感器所采用的透射式光学系统的工作谱段不能太宽，太宽的工作谱段会引起较大的倍率色差和星点像斑尺寸的增大，不能满足星敏感器设计要求，此外工作谱段的缩小导致星敏感器灵敏度降低、探测器的量子效率不能得到充分发挥、恒星星表的光谱型范围受到限制。(3)现有透射式星敏感器的遮光罩尺寸重量较大，消杂光能力受到一定限制，镜头内部消杂光手段有限。(4)现有透射式星敏感器光学系统由于透镜的热光学特性受到温度场的变化难以消除，通过光机结构热补偿的手段有限，在工作环境温度场变化时会引起成像星点的位置漂移，导致星敏感器光轴指向漂移。
技术实现思路
本技术专利技术解决的问题是：克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种反射式星敏感器，保证了整机热稳定性和光轴漂移最小化；采用全反射式光学系统，消除由于色差导致的星敏感器低频误差，使得星表恒星可选范围扩大，使得探测灵敏度提高，利用中间像场光栏和实出瞳处里奥光栏以及内部消杂光光栏，消除太阳等外部杂光对成像干扰本专利技术的技术解决方案是：一种反射式星敏感器，包括孔径光栏、主反射镜、次反射镜、第三反射镜、光电探测器、中间像光栏、信息处理器、第一段遮光罩、第二段遮光罩、第三段遮光罩、第四段遮光罩、支撑结构、里奥光栏；恒星目标光线从孔径光栏进入，经过第一段遮光罩，进入主反射镜，经过主反射镜反射后的光线经过第二段遮光罩，到达次反射镜；由次反射镜反射后的光线依次经过中间像光栏和第三段遮光罩，到达第三反射镜，中间像光栏位于第三段遮光罩前端入口处；由第三反射镜反射后的光线经过里奥光栏和第四段遮光罩到达光电探测器，在光电探测器的感光面上成像，里奥光栏位于第四段遮光罩中部实出瞳位置处；信息处理器采集并储存光电探测器输出的数字图像；孔径光栏、主反射镜、次反射镜、第三反射镜、光电探测器、信息处理器、第一段遮光罩、第二段遮光罩、第三段遮光罩、第四段遮光罩安装在支撑结构上。所述第一段遮光罩、第二段遮光罩、第三段遮光罩、第三段遮光罩的内部表面喷消光黑漆，吸光系数不小于97％。所述主反射镜为凹面的非球面反射镜，非球面的次数等于或高于二次。所述的次反射镜为凸面反射镜，为非球面或球面，当是非球面时，非球面的次数等于或高于二次。所述的第三反射镜为凹面非球面反射镜，非球面的次数等于或高于二次。所述主反射镜、次反射镜或第三反射镜的材料为微晶玻璃、熔石英、德国ULE、SiC或殷钢。所述支撑结构的材料为殷钢、钛合金或铝基SiC。还包括像增强器，像增强器位于里奥光栏、光电探测器之间，像增强器的成像荧光屏与光电探测器光敏面重合。还包括光纤光锥，光纤光锥位于里奥光栏、光电探测器之间；光纤光锥的前端面与光线经过里奥光栏之后的成像面重合，后端面与光电探测器光敏面重合。还包括光纤光锥、像增强器，光纤光锥、像增强器位于里奥光栏、光电探测器之间；光纤光锥的前端面与光线经过里奥光栏之后的成像面重合，后端面与像增强器的光电阴极感光面重合；像增强器的成像荧光屏与光电探测器光敏面重合。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术克服现有技术中星敏感器透射式光学系统存在倍率色差所导致的星点质心位置光谱变化，从而消除由于色差导致的星敏感器低频误差，星敏感器的低频误差是星敏感器测量中存在的短周期误差，主要由于探测器的离散性和各个光谱型恒星在不同视场或同一视场的星点位置不确定性误差引起，是很难消除的一种误差，反射式星敏感器不存在色差，所以不同光谱的恒星在同一视场成像形状是一样的，因此可以消除这种光谱导致的不确定性误差，有利于低频误差的减小。(2)本专利技术克服现有技术中所摄取恒星的光谱范围受到光学系统光谱透过的限制，可充分利用探测器的光谱响应区域，使得星表恒星可选光谱型范围扩大，使得探测灵敏度提高。(3)本专利技术克服现有技术中遮光罩较大的问题，利用中间像场光栏和实出瞳处里奥光栏以及内部消杂光光栏，消除太阳等外部杂光对成像干扰。克服透射式镜头对于温度场变化的耐受能力低的问题，采用全反射式光学系统，由于纯反射系统的反射镜片采用近零热膨胀系数的材料，所以镜面面型随着温度场变化很小，能保证星敏感器具有热稳定性，同时采用SiC基的结构材料，使得镜片和镜头据有相近热膨胀系数，且都很小，保证了整机热稳定性和光轴漂移最小化。附图说明图1为本专利技术反射式星敏感器的结构示意图；图2为本专利技术反射式星敏感器的光学系统平面结构型式图；图3为本专利技术反射式星敏感器的光学系统三维空间结构型式图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术进行进一步说明。如图1、图2、图3所示，一种反射式星敏感器，包括孔径光栏1、主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、光电探测器5、探测器电路6、信息处理器电路7、中间像光栏8、信息处理器9、第一段遮光罩10、第二段遮光罩11、第三段遮光罩12、第四段遮光罩13、支撑结构14、里奥光栏15。恒星目标光线首先通过如图1的孔径光栏1，再经过第一段遮光罩10，进入主反射镜2，再经过第二段遮光罩11，到达次反射镜3，再依次经过中间像光栏8和第三段遮光罩12，到达第三反射镜4，再经过第三段遮光罩12到达第三反射镜4，再经过里奥光栏15和第四段遮光罩13到达系统实出瞳光电探测器5，在光电探测器5的感光面上恒星成像，信息处理器电路7对光电探测器5的恒星图像进行采集、存储、处理，再将星敏感器软件处理结果通过信息处理器电路盒上的通讯接口传输到上位机，主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、电路盒等均固定在支撑结构14上，主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4可先组合成一体，再安装在支撑结构14上。星敏感器通用软件在信息处理器中运行，光电探测器5和信息处理器电路7采用现有技术完成。探测器电路6驱动光电探测器5并通过信息处理器9采集光电探测器5输出的数字图像；信息处理器电路7对光电探测器5的恒星图像进行采集、存储、处理，对恒星图像进行去噪、图像分割、星图提取、星图识别、敏感器姿态确定，并将敏感器姿态信息和角速率信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反射式星敏感器，其特征在于，包括孔径光栏(1)、主反射镜(2)、次反射镜(3)、第三反射镜(4)、光电探测器(5)、中间像光栏(8)、信息处理器(9)、第一段遮光罩(10)、第二段遮光罩(11)、第三段遮光罩(12)、第四段遮光罩(13)、支撑结构(14)、里奥光栏(15)；恒星目标光线从孔径光栏(1)进入，经过第一段遮光罩(10)，进入主反射镜(2)，经过主反射镜(2)反射后的光线经过第二段遮光罩(11)，到达次反射镜(3)；由次反射镜(3)反射后的光线依次经过中间像光栏(8)和第三段遮光罩(12)，到达第三反射镜(4)，中间像光栏(8)位于第三段遮光罩(12)前端入口处；由第三反射镜(4)反射后的光线经过里奥光栏(15)和第四段遮光罩(13)到达光电探测器(5)，在光电探测器(5)的感光面上成像，里奥光栏(15)位于第四段遮光罩(13)中部实出瞳位置处；信息处理器(9)采集并储存光电探测器(5)输出的数字图像；孔径光栏(1)、主反射镜(2)、次反射镜(3)、第三反射镜(4)、光电探测器(5)、信息处理器(9)、第一段遮光罩(10)、第二段遮光罩(11)、第三段遮光罩(12)、第四段遮光罩(13)安装在支撑结构(14)上。...

【技术特征摘要】
1.一种反射式星敏感器，其特征在于，包括孔径光栏(1)、主反射镜(2)、次反射镜(3)、第三反射镜(4)、光电探测器(5)、中间像光栏(8)、信息处理器(9)、第一段遮光罩(10)、第二段遮光罩(11)、第三段遮光罩(12)、第四段遮光罩(13)、支撑结构(14)、里奥光栏(15)；恒星目标光线从孔径光栏(1)进入，经过第一段遮光罩(10)，进入主反射镜(2)，经过主反射镜(2)反射后的光线经过第二段遮光罩(11)，到达次反射镜(3)；由次反射镜(3)反射后的光线依次经过中间像光栏(8)和第三段遮光罩(12)，到达第三反射镜(4)，中间像光栏(8)位于第三段遮光罩(12)前端入口处；由第三反射镜(4)反射后的光线经过里奥光栏(15)和第四段遮光罩(13)到达光电探测器(5)，在光电探测器(5)的感光面上成像，里奥光栏(15)位于第四段遮光罩(13)中部实出瞳位置处；信息处理器(9)采集并储存光电探测器(5)输出的数字图像；孔径光栏(1)、主反射镜(2)、次反射镜(3)、第三反射镜(4)、光电探测器(5)、信息处理器(9)、第一段遮光罩(10)、第二段遮光罩(11)、第三段遮光罩(12)、第四段遮光罩(13)安装在支撑结构(14)上。2.根据权利要求1所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，所述第一段遮光罩(10)、第二段遮光罩(11)、第三段遮光罩(12)、第三段遮光罩(13)的内部表面喷消光黑漆，吸光系数不小于97％。3.根据权利要求1或2所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，所述主反射镜(2)为凹面的非球面反射镜，非球面的次数等...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝云彩，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11