一种低成本超小型化星敏感器及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种超小型化星敏感器及其设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：能够从五个维度调节角度和/或位移的多维度调节机构（103）以设置在物镜组合单元（140）的非焦点平面的方式接收所述物镜组合单元（140）输出的星光，并且基于至少一个所述星光生成星场图像。通过对物镜组合单元的具体结构进行改进，进一步降低星敏感器整机的重量和尺寸。通过设置星图相机为光电传感器阵列，减少星探测单元的尺寸和重量，降低功率，有利于进一步减轻星敏感器的体积和重量。通过光阑单元的设置，消除含有杂光辐射的星场图像，更有利于准确的确定相机姿态，提高航天器姿态的精确判断。

【技术实现步骤摘要】
一种低成本超小型化星敏感器及其设计方法
本专利技术涉及航天航空
，尤其涉及一种超小型化星敏感器及其设计方法，尤其是一种低成本超小型化星敏感器及其设计方法。
技术介绍
当前的航空航天器确定姿态的常规系统包括星敏感器和陀螺仪，其分别单独用于获取姿态信息，并且将姿态信息输送至航天器的飞行计算机。仅采用星敏感器来确定姿态是存在缺陷的。在航天器摆率很高的情况下，即移动速度太快或翻滚，则星敏感器中的恒星相机的视场可能会由于变化太快而无法聚焦，恒星的位置和零度会变得模糊，无法由恒星相机充分解析，进而无法与已知星型的恒星目录正确比较。如果恒星相机不具有航天器姿态的先验知识，则它必须依赖“空间迷失”算法的应用，由于缺少有关先前航天器姿态的基本信息，因此恒星识别过程在计算上会更加密集。这会导致较差的分辨率，使得恒星相机视场中的星型与星型目录中的星型无法正确匹配。仅采用陀螺仪确定航天器姿态也存在缺陷。与陀螺仪相关的固有误差包括陀螺仪“偏移”，偏置和比例因子误差，会影响陀螺仪输出数据的精度。现有技术普遍采用电荷耦合器件成像装置（CCD）和陀螺仪来进行航天器的姿态确定。CCD的尺寸，重量，控制电子器件和功率要求禁止在小型航空航天器应用中使用。同时，CCD也容易受到辐射的损害，并且传统的陀螺仪还具有较大的尺寸和重量，存在对振动的敏感性以及对辐射的敏感性较差的缺陷。中国专利CN103148853B公开了一种基于星敏感器的航空航天器姿态确定方法，其特征在于，包括以下步骤：通过多个星敏感器和陀螺仪采集多个航空航天器姿态信息，其中，所述每个星敏感器和陀螺仪组合成一个采集单位采集对应的航空航天器姿态信息；从所述多个航空航天器姿态信息中选择有效的航空航天器姿态信息，并通过卡尔曼滤波器对所述有效的航空航天器姿态信息进行局部状态估计以获得多个局部最优状态估计；分别计算每个局部最优状态估计的融合权值；分别将每个融合权值和对应的局部最优状态估计进行加权融合以得到全局最优估计；以及根据所述全局最优估计确定航空航天器的姿态。该专利通过改变算法来提高鲁棒性和可重构型，而不是将陀螺仪和星敏感器从降低体积和质量方面进行改进。对于少于十公斤的航天器，由于陀螺仪和星敏感器合在一起的质量和体积较大，其根本无法适用传统的陀螺仪和星敏感器。因此，如何通过一种低质量，小体积、高清晰度星型图像和高精准陀螺仪数据来确定航天器的姿态是还未解决的技术问题，这是仅通过改变算法无法实现的。此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于专利技术人做出本专利技术时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本专利技术不具备这些现有技术的特征，相反本专利技术已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在
技术介绍
中增加相关现有技术之权利。
技术实现思路
针对现有技术之不足，本专利技术提供一种超小型化星敏感器，其特征在于，所述星敏感器的星探测单元至少包括物镜组合单元和多维度探测单元，能够从五个维度调节角度和/或位移的多维度探测单元设置在物镜组合单元的非焦点平面并且与所述物镜组合单元的焦点相距具有一定距离，所述多维度探测单元以基于五个维度调节角度和/或位移的方式进行接收角度的调节并接收所述物镜组合单元输出的星光，基于至少一个所述星光生成星场图像。现有技术中，探测器直接设置在物镜组合单元的焦平面，残留辐射可能会通过直接设置在星物镜组合单元的焦平面中的探测装置扩散而照亮。本专利技术与现有技术相反，将光阑单元设置在所述物镜组合单元和所述多维度探测单元之间，其中，所述光阑单元中的至少一个光阑设置在所述物镜组合单元的焦平面上，所述多维度探测单元通过光阑单元接收所述物镜组合单元输出的星光。光阑单元包括同光轴排列的视场光阑和孔径光阑，所述孔径光阑设置于所述物镜组合单元的焦平面上，所述物镜组合单元输出的星光依次通过所述孔径光阑和所述视场光阑传输至所述多维度探测单元。通过光阑单元的设置，使得多维度探测单元不是直接设置在物镜组合单元的焦平面上，而是与物镜组合单元的焦点相距一定距离，并且视场光阑位于星物镜组合单元的焦平面上。能够衰减由星物镜组合单元中的主物镜的镜壁所散射的残留辐射，不含有杂光辐射的星场图像，更有利于准确的确定相机姿态。根据一个优选实施方式，所述多维度探测单元以通过中继光学组件衰减残余辐射的方式来接收所述光阑单元输出的星光。为了避免多维度探测单元受力学振动或温度变化引起位置变化导致的质心位置漂移不同，影响相机成像的精度。本专利技术将多维度探测单元设置为能够在五个调节维度的平移或转动。多维度探测单元包括星图相机和安装所述星图相机的调节框，所述调节框在四个维度移动和/或转动从而使得所述星图相机在四个维度调节星光接收角度以重新定位光轴，所述星图相机内的用于成像的光电感应阵列基于光轴方向的维度平移，从而所述光电感应阵列与所述星图相机内的接收星光的透镜之间的焦平面重新定位并进行聚焦调节。通过多维度探测单元中的星图相机能够在五个维度移动调节，能有利于调整接收图像的焦点，使得光电传感阵列形成的相机与透镜能够实现自动对焦，具有聚焦能力。在输入的星光为完全准直的情况下，可以通过调节聚焦来实现光学图像的重新聚焦。多维度探测单元的多维度调节，能够有利于将需要的目标星光通过调节聚焦点来输入星图相机中，从而获得更准确的相机姿态，以结合角速率确定精准的航天器的姿态。多维度探测单元中的星图相机为光电传感器阵列，与传统的成像装置CCD相比，可以大大减少星探测单元的尺寸和重量，降低功率，有利于进一步减轻星敏感器的体积和重量。同样地，为了避免探测器在像平面受力学振动或温度变化引起位置变化导致的质心位置漂移不同，影响相机成像的精度。本专利技术的物镜组合单元包括沿星光入射方向同光轴依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的组合为正光焦度，并满足关系：1.75φ≤φ123≤2.65φ，第四透镜、第五透镜以及第六透镜的组合为负光焦度，并满足关系：3.55φ≤|φ456|≤4.25φ；第七透镜的光焦度满足以下关系：1.55φ≤φ7≤2.25φ，其中φ123为第一透镜、第二透镜和第三透镜的组合光焦度，φ456为第四透镜、第五透镜和第六透镜的组合光焦度，φ7为第七透镜的光焦度，φ为光学系统整体光焦度。通过对物镜组合单元的具体结构进行改进，提高探测光谱宽度至550nm，扩大了入瞳直径φ12.85mm，在光路径长度等同的条件下，物镜组合单元的体积减小43.8％，并且进一步降低星敏感器整机的重量和尺寸。而且，视场的恒星点目标光信号经过七个透镜的透射，以像方远心的方式成像到像平面，主光线与光轴的夹角不超过0.5°，避免了多维度探测单元在像平面受力学振动或温度变化引起的位置变化导致的质心位置漂移，保证了高成像精度。现有技术中，相机姿态和陀螺仪姿态分别用单独的处理系统来进行确定，设备多，质量大，不利于星敏感器的小型化。本专利技术将所述多维度探测单元输出的星场图像数据和所述惯性探测单元输出的角速率数据按照以预定的模式同步集成且彼此隔离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超小型化星敏感器，其特征在于，所述星敏感器的星探测单元（100）至少包括物镜组合单元（140）和多维度探测单元（103），/n能够从五个维度调节角度和/或位移的多维度探测单元（103）设置在物镜组合单元（140）的非焦点平面并且与所述物镜组合单元（140）的焦点相距一定距离，/n所述多维度探测单元（103）以基于五个维度调节角度和/或位移的方式进行接收角度的调节并接收所述物镜组合单元（140）输出的星光，，基于至少一个所述星光生成星场图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种超小型化星敏感器，其特征在于，所述星敏感器的星探测单元（100）至少包括物镜组合单元（140）和多维度探测单元（103），
能够从五个维度调节角度和/或位移的多维度探测单元（103）设置在物镜组合单元（140）的非焦点平面并且与所述物镜组合单元（140）的焦点相距一定距离，
所述多维度探测单元（103）以基于五个维度调节角度和/或位移的方式进行接收角度的调节并接收所述物镜组合单元（140）输出的星光，，基于至少一个所述星光生成星场图像。


2.根据权利要求1所述的超小型化星敏感器，其特征在于，所述星敏感器还包括光阑单元（110），
所述光阑单元（110）设置在所述物镜组合单元（140）和所述多维度探测单元（103）之间，其中，
所述光阑单元（110）中的至少一个光阑设置在所述物镜组合单元（140）的焦平面上，所述多维度探测单元（103）通过光阑单元（110）接收所述物镜组合单元（140）输出的星光。


3.根据权利要求2所述的超小型化星敏感器，其特征在于，所述光阑单元（110）包括同光轴排列的视场光阑（107）和孔径光阑（109），
所述孔径光阑（109）设置于所述物镜组合单元（140）的焦平面上，
所述物镜组合单元（140）输出的星光依次通过所述孔径光阑（109）和所述视场光阑（107）传输至所述多维度探测单元（103）。


4.根据前述权利要求之一所述的超小型化星敏感器，其特征在于，
所述多维度探测单元（103）以通过中继光学组件（111）衰减残余辐射的方式来接收所述光阑单元（110）输出的星光。


5.根据前述权利要求之一所述的超小型化星敏感器，其特征在于，
所述多维度探测单元（103）包括星图相机（117）和安装所述星图相机（117）的调节框（115），
所述调节框（115）在四个维度移动和/或转动从而使得所述星图相机（117）在四个维度调节星光接收角度以重新定位光轴，
所述星图相机（117）内的用于成像的光电感应阵列（112）基于光轴方向的维度平移，从而所述光电感应阵列（112）与所述星图相机（117）内的接收星光的透镜（114）之间的焦平面重新定位并进行聚焦调节。


6.根据前述权利要求之一所述的超小型化星敏感器，其特征在于，所述物镜组合单元（140）包括沿星...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑晓茹，刘惟芳，杨峰，任维佳，
申请(专利权)人：长沙天仪空间科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43