天文導(dǎo)航的天體敏感器

1、1天文與深空導(dǎo)航學(xué)主講：魏二虎 教授2第一章天文與深空導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)F第二章天文導(dǎo)航的天體敏感器 第三章高軌地球衛(wèi)星自主天文導(dǎo)航 第四章深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航原理與方法 第五章VLBI技術(shù)用于深空探測(cè)器導(dǎo)航的原理與方法 第六章USB技術(shù)用于深空探測(cè)器導(dǎo)航的原理與方法 第七章脈沖星測(cè)量技術(shù)用于深空探測(cè)器自主導(dǎo)航的原 理與方法第八章其他導(dǎo)航技術(shù)在深空探測(cè)中應(yīng)用與國(guó)內(nèi)外深空探測(cè)計(jì)劃 目錄目錄3F2.1引 言2.2天體敏感器分類2.3恒星敏感器42.1引引 言言(3-20) 航天器天文導(dǎo)航是利用天體敏感器測(cè)得的天體(月球、地球、太陽(yáng)、其他行星和恒星)方位信息進(jìn)行航天器位置計(jì)算的一種定位導(dǎo)航方法。 天

2、文導(dǎo)航系統(tǒng)由天體測(cè)量部分和導(dǎo)航解算部分天體測(cè)量部分和導(dǎo)航解算部分組成。 天體測(cè)量部分一般由天體敏感器和相應(yīng)的接口電路組成。 根據(jù)不同的任務(wù)和飛行區(qū)域，可以采用的天體敏感器有太陽(yáng)敏感器、地球敏感器、恒星敏感器、天文望遠(yuǎn)鏡及行星照相儀等。52.1引言根據(jù)不同的任務(wù)和飛行區(qū)域，可以采用的天體敏感器有太陽(yáng)敏感器、地球敏感器、恒星敏感器、天文望遠(yuǎn)鏡行星照相儀等。62.2天體敏感器分類 按不同的分類規(guī)則，天體敏感器可分為以下幾種類型。按敏感天體的不同分為：地球敏感器、太陽(yáng)敏感器、恒星敏感器、月球敏感器和行星敏感器等 72.2天體敏感器分類Date: 01 February 2007Satellite: L

3、ISA PathfinderDepicts: Digital Sun Sensor, including removable alignment cubeLocation: Galileo Avionica, ItalyCopyright: Galileo Avionica 82.2天體敏感器分類STD15S-mk2 Infrared Earth Sensor: Objectives92.2天體敏感器分類The Star Sensor KM 1301 provides inertial and relative attitude determination for small satellit

4、es. FeaturesStar Sensor body: 112 x 115 x 115 mm- Height: 105 mm (w/o baffle), 170 mm (w/baffle) Mass: 0.78 kg Power: typical 4.2 W 12 V DC Field of view: 21 x 31 Update frequency: 4 Hz Accuracy: +/- 0.02 (2 sigma) Time to first acquisition: 0.5 s Data interface: RS422/485 Operating modes: inertial,

5、 relative, camera 102.2天體敏感器分類按所敏感光譜的不同分為：可見(jiàn)光敏感器、紅外敏感器和紫外敏感器。 其中紫外敏感器是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型敏感器，它不僅可以敏感恒星，還可以敏感地球、月球和太陽(yáng)，且抗干擾能力強(qiáng)。112.2天體敏感器分類The GB5-A series is a low cost visible light sensor Features: 1. RoHS compliant; CMOS technology 2. High IR rejection-integrated optical filter 3. Current output highly li

6、near VS light level 4. Near human eye photopic response 5. Integrated high gain photo-current amplifier 6.Dark-current cancellation 7. Temperature stable 122.2天體敏感器分類InfraRed Earth Sensor IRES N2The sensor main characteristics are: Mass: 2.3kg Power consumption: 3.5W Optical Wavelength: 14m - 16m Co

7、ntinuous sensor operation altitude: 15350km 140000km Field of View: 5.5 Narrow Scan, 11 Wide Scan Accuracy, at GEO: Bias: 0.03 (3) NEA: 0.08 (3 with three channels)Power interface: 24V to 50V unregulated, optional 100V Data Interface: DS32, optional DS48 and MIL1553B132.2天體敏感器分類按光電敏感器件的不同可分為：CCD(Cha

8、rge Coupled Device) 天體敏感器和CMOS APS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Active Pixel Sensor)天體敏感器。 光電敏感器件是天體敏感器的核心。142.2天體敏感器分類 其中CMOS敏感器與CCD敏感器相比具有抗輻射能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大、便于和外圍電路以及信號(hào)處理電路大規(guī)模集成、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)，是光電敏感器的發(fā)展方向之一。152.2天體敏感器分類敏感器天體敏感器圖像敏感器測(cè)距測(cè)速測(cè)角敏感器慣性敏感器恒星敏感器恒星敏感器太陽(yáng)敏感器太陽(yáng)敏感器行星敏感器行星敏感器雷達(dá)成像敏感器雷達(dá)成像敏感器光學(xué)成像敏感器

9、光學(xué)成像敏感器微波雷達(dá)微波雷達(dá)激光雷達(dá)激光雷達(dá)陀螺陀螺加速度計(jì)加速度計(jì)傾角傳感器傾角傳感器162.3恒星敏感器2.3恒星敏感器F2.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介2.3.2恒星敏感器分類2.3.3恒星敏感器結(jié)構(gòu)2.3.4恒星敏感器的工作原理172.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器簡(jiǎn)介 恒星敏感器(簡(jiǎn)稱星敏感器)是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的天體敏感器，它是天文導(dǎo)航系統(tǒng)中一個(gè)很重要的組成部分。 它以恒星作為姿態(tài)測(cè)量的參考源，可輸出恒星在星敏感器它以恒星作為姿態(tài)測(cè)量的參考源，可輸出恒星在星敏感器坐標(biāo)下的矢量方向，為航天器的姿態(tài)控制和天文導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)下的矢量方向，為航天器的姿態(tài)控制和天文導(dǎo)航系統(tǒng)提供高精度測(cè)量數(shù)據(jù)。提供高精度

10、測(cè)量數(shù)據(jù)。182.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器簡(jiǎn)介 恒星敏感器最早在20世紀(jì)50年代初研制成功，主要應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈的制導(dǎo)。 20世紀(jì)70年代初CCD的出現(xiàn)，促進(jìn)了像質(zhì)好、精度高的CCD星敏感器的研制。 隨著科技的發(fā)展；90年代初，出現(xiàn)了采用CMOS工藝的動(dòng)態(tài)像元星敏感器APS，又稱為CMOS APS星敏感器。192.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器簡(jiǎn)介 CMOS APS星敏感器的優(yōu)點(diǎn)有：APS具有CMOS器件的優(yōu)點(diǎn)，抗輻射能力強(qiáng)，集成度高；APS電源電壓?jiǎn)我换?，可極大降低體積、質(zhì)量和功耗等；APS讀出信號(hào)噪聲低，不需要電荷轉(zhuǎn)換，動(dòng)態(tài)范圍大。20CMOS APS star senor in m

11、ars-odyssey spacecraft212.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器性能要求隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為適應(yīng)航天器定姿及導(dǎo)航精度的要求，對(duì)恒星敏感器的性能要求也越來(lái)越高，通常對(duì)新型星敏感器的要求如下：能夠敏感微弱星光。恒星敏感器測(cè)量對(duì)象是恒星，天空中大部分的恒星星光都比較微弱，為了滿足星體識(shí)別和導(dǎo)航精度的要求，恒星敏感器應(yīng)能夠敏感弱光信息。222.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器性能要求高精度。恒星敏感器通常作為一種高精度的姿態(tài)確定設(shè)備，應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈等高精度制導(dǎo)武器的天文導(dǎo)航系統(tǒng)中。232.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器性能要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)。為實(shí)

12、現(xiàn)航天器的姿態(tài)確定，需對(duì)敏感到的恒星進(jìn)行實(shí)時(shí)的星體識(shí)別。 自主星圖匹配識(shí)別算法作為恒星敏感器的核心，不但要能實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的快速獲取，當(dāng)由于某種原因造成姿態(tài)丟失時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)快速重建。 因此，識(shí)別的實(shí)時(shí)性問(wèn)題就成為衡量恒星敏感器的關(guān)鍵指標(biāo)。242.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器性能要求抗干擾、抗空間輻射能力強(qiáng)。 恒星敏感器敏感微弱星光信息，雜散光的干擾不但對(duì)成像質(zhì)量影響很大，甚至?xí)剐敲舾衅鞑荒苷９ぷ鳎虼吮仨毑捎谜诠庹謥?lái)抑制雜散光，增強(qiáng)抗干擾能力。 通常面向空間應(yīng)用的儀器必須具有抗輻射能力，恒星敏感器也不例外。252.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器簡(jiǎn)介恒星敏感器性能要求體積小、質(zhì)量輕

13、、功耗低。為了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的獲取航天器的姿態(tài)信息，常在航天器上安裝兩個(gè)或兩個(gè)以上的恒星敏感器，因而低成本、小體積和低功耗就顯得尤為重要。2.3恒星敏感器2.3恒星敏感器2.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介F2.3.2恒星敏感器分類2.3.3恒星敏感器結(jié)構(gòu)2.3.4恒星敏感器的工作原理272.3.2恒星敏感器分類恒星敏感器分類星敏感器按其發(fā)展階段可分為星掃描器框架式星跟蹤器固定敏感頭星敏感器282.3.2恒星敏感器分類恒星敏感器分類星掃描器又稱星圖儀。 它帶有一狹縫視場(chǎng)，適用于自轉(zhuǎn)衛(wèi)星。 其原理是衛(wèi)星自轉(zhuǎn)時(shí)，敏感器掃描天區(qū)，狹縫視場(chǎng)敏感恒星，處理電路檢測(cè)恒星掃過(guò)的時(shí)間和敏感的星光能量，并根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)、匹配識(shí)別

14、等，可測(cè)出衛(wèi)星的姿態(tài)。 它沒(méi)有旋動(dòng)部件，可靠性較高； 但由于系統(tǒng)信噪比低，在工程實(shí)用中受到嚴(yán)重的限制，現(xiàn)已基本淘汰。292.3.2恒星敏感器分類恒星敏感器分類框架式星跟蹤器。其原理是導(dǎo)航星通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)在敏感面上成像；處理電路檢測(cè)出星像在視場(chǎng)中的位置及大小，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)使機(jī)械框架轉(zhuǎn)動(dòng)，將導(dǎo)航星的圖像盡可能保持在視場(chǎng)中心；最后根據(jù)識(shí)別星的信息和框架轉(zhuǎn)角情況，來(lái)確定航天器的姿態(tài)。此種類型的星敏感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較差。302.3.2恒星敏感器分類恒星敏感器分類固定敏感頭星敏感器。其類似星掃描器，不過(guò)它沒(méi)有成像裝置。 其原理是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換器件敏感恒星，處理電路掃描搜索視場(chǎng)，來(lái)

15、獲取、識(shí)別導(dǎo)航星，進(jìn)而確定航天器的姿態(tài)。 這種類型的星敏感器視場(chǎng)呈錐形，易于確定星像的方位，且沒(méi)有機(jī)械可動(dòng)部件，因而可靠性高，具有廣泛的應(yīng)用前景。312.3.2恒星敏感器分類恒星敏感器分類 目前固定敏感頭的CCD星敏感器因其像質(zhì)好、分辨率高、技術(shù)發(fā)展比較成熟等已在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。 新型固定敏感頭的CMOS APS星敏感器，由于具有集成度高、不需電荷轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，是星敏感器發(fā)展的方向。322.3恒星敏感器2.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介2.3.2恒星敏感器分類F2.3.3恒星敏感器結(jié)構(gòu)2.3.4恒星敏感器的工作原理332.3.3恒星敏感器結(jié)構(gòu)恒星敏感器結(jié)構(gòu)20世紀(jì)50年代初研制的早期星

16、敏感器主要由電子箱、光電跟蹤管和光學(xué)鏡頭組成。342.3.3恒星敏感器結(jié)構(gòu)恒星敏感器結(jié)構(gòu)20世紀(jì)70年代初CCD的出現(xiàn)以及集成電路的發(fā)展，促進(jìn)了像質(zhì)好、精度高的CCD星敏感器的研制。該星敏感器主要由圖所示的CCD器件、外圍采樣電路、信號(hào)處理電路和光學(xué)鏡頭四部分組成。352.3.3恒星敏感器結(jié)構(gòu)恒星敏感器結(jié)構(gòu)20世紀(jì)90年代初，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和CMOS加工工藝技術(shù)的日趨成熟，出現(xiàn)了采用CMOS工藝的動(dòng)態(tài)像元星敏感器APS。這類基于CMOS APS光電敏感器的新一代星敏感器主要由CMOS APS器件、外圍電路、信號(hào)處理電路、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和光學(xué)鏡頭組成。362.3.3恒星敏感器結(jié)構(gòu)恒星敏感器結(jié)

17、構(gòu)CCD星敏感器的實(shí)物圖左圖所示為德國(guó)Jena ASTR0-5型CCD星敏感器，右圖所示為法國(guó)SODERN SED16型CCD星敏感器。372.3.3恒星敏感器結(jié)構(gòu)恒星敏感器結(jié)構(gòu)CCD星敏感器結(jié)構(gòu) 恒星敏感器的基本結(jié)構(gòu)包括遮光罩、光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換電路(CCD組件、時(shí)序電路、驅(qū)動(dòng)電路、采集和放大電路)、控制電路(制冷器控制、工作參數(shù)采集)、二次電源、數(shù)據(jù)處理模塊(星圖預(yù)處理、星體質(zhì)心提取、星圖識(shí)別和定姿)以及對(duì)外接口。2.3恒星敏感器2.3恒星敏感器2.3.1恒星敏感器簡(jiǎn)介2.3.2恒星敏感器分類2.3.3恒星敏感器結(jié)構(gòu)F2.3.4恒星敏感器的工作原理392.3.4恒星敏感器的工作原理恒星敏感

18、器的工作原理恒星敏感器的工作原理是以恒星為參照物，利用敏感器拍到的星圖，經(jīng)過(guò)恒星質(zhì)心提取、星圖識(shí)別、姿態(tài)確定等一系列計(jì)算，確定出恒星敏感器視軸在天球上的瞬間指向，為深空探測(cè)器導(dǎo)航提供有效信息，具體工作原理如下：已知恒星在天球坐標(biāo)系O-XYZ下的赤經(jīng)和赤緯，如圖所示，則恒星在慣性坐標(biāo)系下的單位矢量SI可以表示為：coscossincossinIs402.3.4恒星敏感器的工作原理恒星敏感器的工作原理恒星的星光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，在恒星敏感器的敏感面陣上成像，星點(diǎn)在敏感器像平面坐標(biāo)系O-xy中的坐標(biāo)為(xc,yc)可以直接讀出，根據(jù)攝影測(cè)量中的幾何關(guān)系可得：式中 SS恒星在敏感器本體坐標(biāo)系中的單位位置矢

19、量； f光學(xué)系統(tǒng)焦距。2221cscccxsyxyff412.3.4恒星敏感器的工作原理恒星敏感器的工作原理SI和SS的關(guān)系為SS=AsAbAoSI 式中 As恒星敏感器在探測(cè)器本體坐標(biāo)系中的安裝矩陣；Ab探測(cè)器本體坐標(biāo)系在軌道坐標(biāo)系中的姿態(tài)矩陣；Ao探測(cè)器軌道坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)移矩陣，可根據(jù)軌道參數(shù)獲得。422.4太陽(yáng)敏感器太陽(yáng)敏感器2.4太陽(yáng)敏感器F2.4.1 太陽(yáng)敏感器簡(jiǎn)介2.4.2 太陽(yáng)敏感器分類2.4.3 太陽(yáng)敏感器結(jié)構(gòu)2.4.4 太陽(yáng)敏感器工作原理432.4.1太陽(yáng)敏感器簡(jiǎn)介太陽(yáng)敏感器簡(jiǎn)介 太陽(yáng)敏感器通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射的敏感來(lái)測(cè)量太陽(yáng)光線同航天太陽(yáng)敏感器通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射的敏感來(lái)測(cè)量太

20、陽(yáng)光線同航天器某一預(yù)定體軸或坐標(biāo)面之間的夾角，以獲得航天器相對(duì)器某一預(yù)定體軸或坐標(biāo)面之間的夾角，以獲得航天器相對(duì)于太陽(yáng)的方位，是最早用于姿態(tài)測(cè)量的光學(xué)敏感器。于太陽(yáng)的方位，是最早用于姿態(tài)測(cè)量的光學(xué)敏感器。442.4.1太陽(yáng)敏感器簡(jiǎn)介太陽(yáng)敏感器簡(jiǎn)介 由于太陽(yáng)敏感和識(shí)別，這給敏感器的設(shè)計(jì)和姿態(tài)確定算法帶來(lái)了極大的方便，因此太陽(yáng)敏感器成為航天器首選的姿態(tài)敏感器，幾乎任一航天器都將其作為有效載荷。 太陽(yáng)敏感器的視場(chǎng)可達(dá)128128。目前大視場(chǎng)陣列式數(shù)字太陽(yáng)敏感器的分辨率可達(dá)角秒級(jí)。 太陽(yáng)敏感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、功耗低、重量小、太陽(yáng)敏感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、功耗低、重量小、視場(chǎng)范圍大等特點(diǎn)。視

21、場(chǎng)范圍大等特點(diǎn)。 太陽(yáng)敏感器通常包括光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器和信號(hào)處理電路光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器和信號(hào)處理電路三個(gè)部分。一般把光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件的組合稱為光學(xué)敏感頭。452.4.1太陽(yáng)敏感器簡(jiǎn)介發(fā)展趨勢(shì)太陽(yáng)敏感器的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：功能模塊化小型一體化；高度集成化性能高，即高精度、高分辨率和高處理速度，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地確定航天器的姿態(tài)。2.4太陽(yáng)敏感器太陽(yáng)敏感器2.4太陽(yáng)敏感器2.4.1 太陽(yáng)敏感器簡(jiǎn)介F2.4.2 太陽(yáng)敏感器分類2.4.3 太陽(yáng)敏感器結(jié)構(gòu)2.4.4 太陽(yáng)敏感器工作原理472.4.2太陽(yáng)敏感器分類 目前太陽(yáng)敏感器的種類比較繁多，主要分為模擬式、數(shù)字式和太陽(yáng)模擬式、數(shù)字式和太陽(yáng)出現(xiàn)式

22、敏感器三種類型出現(xiàn)式敏感器三種類型。 前兩種的主要區(qū)別是輸出信號(hào)的方式不同，一個(gè)是模擬信號(hào)，一個(gè)是離散數(shù)字信號(hào)，可以互相轉(zhuǎn)化。 第三種太陽(yáng)出現(xiàn)式敏感器，又稱為太陽(yáng)指示器，它提供一個(gè)恒定的輸出信號(hào)，這個(gè)信號(hào)反映太陽(yáng)是否在敏感器的視場(chǎng)內(nèi)。482.4.2太陽(yáng)敏感器分類模擬式太陽(yáng)敏感器 模擬式太陽(yáng)敏感器有幾種不同的結(jié)構(gòu)形式，大體上可分為三種類型：余弦式、余弦式、差動(dòng)式和狹縫式太陽(yáng)敏感差動(dòng)式和狹縫式太陽(yáng)敏感器器。 自旋穩(wěn)定衛(wèi)星廣泛使用V形狹縫式太陽(yáng)敏感器。這種敏感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，測(cè)量范圍大，精度可達(dá)0.05。49數(shù)字式太陽(yáng)敏感器主要分為兩大類：編碼式太陽(yáng)敏感器編碼式太陽(yáng)敏感器和陣列式太陽(yáng)敏感器和陣

23、列式太陽(yáng)敏感器。編碼式太陽(yáng)敏感器碼盤的角度分辨率受太陽(yáng)張角(約053)的限制，因此它的精度低于0.5。提高精度的措施是在信號(hào)處理電路中采用數(shù)字編碼細(xì)分技術(shù)，也就是將碼盤最低位輸出的模擬信號(hào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行細(xì)分，提高敏感器分辨率。2.4.2太陽(yáng)敏感器分類數(shù)字式太陽(yáng)敏感器502.4.2太陽(yáng)敏感器分類數(shù)字式太陽(yáng)敏感器陣列式太陽(yáng)敏感器的探測(cè)器采用陣列器件。它常用線列陣(多個(gè)敏感元排成一條直線)，太陽(yáng)像落在線陣上的位置代表太陽(yáng)方位角。由于陣列器件中敏感元集成度很高，加上線路對(duì)信號(hào)的內(nèi)插細(xì)分，陣列式敏感器的精度可達(dá)到角秒級(jí)。512.4.2太陽(yáng)敏感器分類太陽(yáng)出現(xiàn)式敏感器太陽(yáng)出現(xiàn)式敏感器工作原理簡(jiǎn)單，當(dāng)太陽(yáng)

24、出現(xiàn)在敏感器視場(chǎng)內(nèi)，并且信號(hào)超過(guò)門限值時(shí)，表示敏感到太陽(yáng)，輸出為1；當(dāng)信號(hào)低于門限值時(shí)表示沒(méi)有敏感到太陽(yáng)，輸出為0。它一般用作保護(hù)器，如用來(lái)它一般用作保護(hù)器，如用來(lái)保護(hù)紅外地平儀免受太陽(yáng)光的影響。保護(hù)紅外地平儀免受太陽(yáng)光的影響。2.4太陽(yáng)敏感器太陽(yáng)敏感器2.4太陽(yáng)敏感器2.4.1 太陽(yáng)敏感器簡(jiǎn)介2.4.2 太陽(yáng)敏感器分類F2.4.3 太陽(yáng)敏感器結(jié)構(gòu)2.4.4 太陽(yáng)敏感器工作原理532.4.3太陽(yáng)敏感器結(jié)構(gòu)太陽(yáng)敏感器結(jié)構(gòu)太陽(yáng)敏感器由下列器件組成光譜濾波器；濾掉太陽(yáng)光之外的雜散光。幾何濾波器；確定敏感器內(nèi)外的幾何關(guān)系，在一定視場(chǎng)范圍表現(xiàn)被測(cè)太陽(yáng)光的矢量方向。敏感器件；具有矢量屬性的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/p>

25、。542.4.3太陽(yáng)敏感器結(jié)構(gòu)太陽(yáng)敏感器結(jié)構(gòu)噪聲濾波器；噪聲濾波?；冃Ｕ幚砥?；畸變校正處理，使之成為更高質(zhì)量的信號(hào)。核心處理器。核心處理電路進(jìn)行處理，形成航天器所需的物理量。55太陽(yáng)敏感器實(shí)物圖太陽(yáng)敏感器實(shí)物圖(3-25) 左圖是中國(guó)空間技術(shù)研究院研制的DSS2數(shù)字太陽(yáng)敏感器實(shí)物圖。 右圖是Jena-Optronik GmbH研制的Fine太陽(yáng)敏感器實(shí)物圖。562.4 太陽(yáng)敏感器太陽(yáng)敏感器(2014-05-20)2.4太陽(yáng)敏感器2.4.1 太陽(yáng)敏感器簡(jiǎn)介2.4.2 太陽(yáng)敏感器分類2.4.3 太陽(yáng)敏感器結(jié)構(gòu)F2.4.4太陽(yáng)敏感器工作原理572.4.4太陽(yáng)敏感器工作原理 由于太陽(yáng)敏感器所用的敏

26、感元件不同，其工作原理略有區(qū)別，這里主要介紹兩種工作原理： 狹縫式太陽(yáng)敏感器； 小孔成像式太陽(yáng)敏感器。 582.4.4太陽(yáng)敏感器工作原理狹縫式太陽(yáng)敏感器a狹縫式太陽(yáng)敏感器 狹縫式太陽(yáng)敏感器的工作原理如圖所示。兩個(gè)敏感單元分別由兩個(gè)窄縫組件構(gòu)成，每個(gè)敏感單元都有一個(gè)入射狹縫和一個(gè)與狹縫平行的硅光電池.592.4.4太陽(yáng)敏感器工作原理狹縫式太陽(yáng)敏感器 狹縫1位于探測(cè)器的某一子午面內(nèi)，狹縫2位于與子午面成i角的一個(gè)傾斜平面內(nèi)，為了信號(hào)處理方便，將此傾斜平面繞自轉(zhuǎn)軸反轉(zhuǎn)過(guò)角0 。（稱為預(yù)置角）。 當(dāng)探測(cè)器自旋時(shí)，太陽(yáng)光先后射入狹縫1和狹縫2由狹縫1輸出的太陽(yáng)脈沖基準(zhǔn)信號(hào)，可以測(cè)出探測(cè)器的自旋周期Ts1

27、，以及狹縫1和狹縫2輸出信號(hào)的時(shí)間間隔t 602.4.4太陽(yáng)敏感器工作原理狹縫式太陽(yáng)敏感器0cotcot sincot sin()iit可以由球面三角公式計(jì)算出太陽(yáng)光線與自旋軸夾角 。612.4.4太陽(yáng)敏感器工作原理小孔成像式太陽(yáng)敏感器b小孔成像式太陽(yáng)敏感器：運(yùn)用光學(xué)小孔成像原理；太陽(yáng)光通過(guò)敏感面上方的小孔投射，成像光斑投射到敏感面上；然后通過(guò)信息處理電路提取像光斑中心位置；由于光斑中心與太陽(yáng)光矢量的角度有關(guān)，因此可以由光斑中心算出太陽(yáng)入射角，由太陽(yáng)入射角，可以確定太陽(yáng)矢量方向。622.4.4太陽(yáng)敏感器工作原理小孔成像式太陽(yáng)敏感器圖中，Os-XsYsZs為太陽(yáng)敏感器坐標(biāo)系，其中Os是小孔所在位

28、置，Oc-XcYcZc為像平面坐標(biāo)系，(x,y)為像點(diǎn)坐標(biāo)（光斑中心），(s,s) 為太陽(yáng)的方位角和仰角，d為小孔距離敏感面的垂直高度。 從而22tantanssxyxyd632.4.4太陽(yáng)敏感器工作原理小孔成像式太陽(yáng)敏感器由上式可以推出太陽(yáng)在敏感器坐標(biāo)系中的矢量Ss。為已知太陽(yáng)在天球坐標(biāo)系O-XYZ下的赤經(jīng)和赤緯，則太陽(yáng)在慣性坐標(biāo)系下的單位矢量SI可以表示為：sinsincossincosssssssScoscossincossinIs642.4.4太陽(yáng)敏感器工作原理小孔成像式太陽(yáng)敏感器SI和SS的關(guān)系為SS=AsAbAoSI 式中: As太陽(yáng)敏感器在探測(cè)器本體坐標(biāo)系中的安裝矩陣；Ab探測(cè)器

29、本體坐標(biāo)系在軌道坐標(biāo)系中的姿態(tài)矩陣；Ao探測(cè)器軌道坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)移矩陣，可根據(jù)軌道參數(shù)獲得。652.5地球敏感器地球敏感器F2.5.1地球敏感器簡(jiǎn)介2.5.2 地球敏感器分類2.5.3 地球敏感器結(jié)構(gòu)662.5.1地球敏感器簡(jiǎn)介地球敏感器簡(jiǎn)介 地球敏感器是一種借助于地球敏感器是一種借助于光學(xué)手段獲取航天器相對(duì)光學(xué)手段獲取航天器相對(duì)于地球姿態(tài)信息的光學(xué)姿于地球姿態(tài)信息的光學(xué)姿態(tài)敏感器。它主要確定航態(tài)敏感器。它主要確定航天器與地球球心連線的矢天器與地球球心連線的矢量方向。量方向。 目前主要有兩種：目前主要有兩種： 地平掃描敏感方式；地平掃描敏感方式； 地平熱輻射平衡敏感方式。地平熱輻射平衡

30、敏感方式。672.5.1地球敏感器簡(jiǎn)介地球敏感器簡(jiǎn)介目前，地球敏感器的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：多敏感元(陣列式)紅外探測(cè)器；信號(hào)處理的數(shù)字化；紫外地球敏感器，它是一種基于硅成像陣列的三軸姿態(tài)敏感器，代表新一代地球敏感器的發(fā)展方向；偏航地球敏感器，它利用地球球體輻射的能量分布獲取偏航姿態(tài)信息。682.5.2地球敏感器分類地球敏感器分類 地球輻射主要由大氣層和地球表面所引起，分為反射輻射和自身輻射。其中反射輻射大都是可見(jiàn)光部分的輻射，自身輻射大部分是紅外輻射。 因而，地球敏感器按其敏感地球敏感器按其敏感光譜波段光譜波段的不同，主要分為兩類： 地球反照敏感器；地球反照敏感器； 紅外地球敏感器紅外

31、地球敏感器。692.5.2地球敏感器分類1）地球反照敏感器 地球反照敏感器是一種敏感地球反射的太陽(yáng)光來(lái)獲得航天地球反照敏感器是一種敏感地球反射的太陽(yáng)光來(lái)獲得航天器相對(duì)于地球姿態(tài)信息的光學(xué)敏感器。器相對(duì)于地球姿態(tài)信息的光學(xué)敏感器。 它敏感的光譜波段主要為可見(jiàn)光。 這種類型的敏感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于反照信息會(huì)隨時(shí)間變化，因而其性能的提高受到了很大的限制。 另外，地球邊緣的不確定性是制約地球敏感器測(cè)量精度的主要原因。 在可見(jiàn)光波段，受日照條件影響，測(cè)量精度常隨時(shí)間變化，這給地平的確定帶來(lái)了困難。702.5.2地球敏感器分類2）紅外地球敏感器 紅外地球敏感器以敏感地球的紅外輻射來(lái)獲取航天器相對(duì)紅外地球敏

32、感器以敏感地球的紅外輻射來(lái)獲取航天器相對(duì)于地球的姿態(tài)信息，常稱為紅外地平儀于地球的姿態(tài)信息，常稱為紅外地平儀。 常用工作波段為1416um，可較為穩(wěn)定地確定地球輪廓和輻射強(qiáng)度，且紅外地球敏感器對(duì)航天器本身反射的太陽(yáng)光不敏感，可全天候正常工作，在實(shí)際工程中應(yīng)用非常廣泛。 一般來(lái)說(shuō)，紅外地球敏感器紅外地球敏感器(以下簡(jiǎn)稱地平儀以下簡(jiǎn)稱地平儀)由光學(xué)系統(tǒng)、由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器和處理電路組成探測(cè)器和處理電路組成。 目前它主要分為： 動(dòng)態(tài)地平儀；動(dòng)態(tài)地平儀； 靜態(tài)地平儀靜態(tài)地平儀。71（1）動(dòng)態(tài)地平儀 動(dòng)態(tài)地平儀的主要原理是利用運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件帶動(dòng)一個(gè)或少動(dòng)態(tài)地平儀的主要原理是利用運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件帶動(dòng)一個(gè)或少量幾

33、個(gè)探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)掃過(guò)地平圈，從而將空間分布的量幾個(gè)探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)掃過(guò)地平圈，從而將空間分布的輻射圖像變換為時(shí)間分布的波形。輻射圖像變換為時(shí)間分布的波形。 然后通過(guò)信號(hào)處理的手段檢測(cè)地球的寬度或相位，計(jì)算出然后通過(guò)信號(hào)處理的手段檢測(cè)地球的寬度或相位，計(jì)算出地平圈的位置，從而確定兩軸姿態(tài)。地平圈的位置，從而確定兩軸姿態(tài)。圖 圓錐掃描地平儀的工作原理示意圖 圖 輻射熱平衡式紅外地平儀72（1）動(dòng)態(tài)地平儀（續(xù)） 動(dòng)態(tài)地平儀根據(jù)其掃描方式分圓錐掃描和擺動(dòng)掃描圓錐掃描和擺動(dòng)掃描。 較早出現(xiàn)的是圓錐掃描紅外地平儀圓錐掃描紅外地平儀，主要優(yōu)點(diǎn)是掃描的視場(chǎng)范圍大、易于敏感到地球且響應(yīng)速度快，適用于三軸穩(wěn)定的

34、衛(wèi)星。 其原理是：以安裝在本體上掃描裝置的掃描軸為中心軸，視軸與此中心軸有一定的夾角，在敏感過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)視軸繞中心軸形成一錐面對(duì)地平圈進(jìn)行掃描，將掃過(guò)地平圈的信息，進(jìn)行采集、處理以確定地平的矢量信息。73圓錐掃描紅外地平儀圓錐掃描紅外地平儀74擺動(dòng)掃描紅外地平儀擺動(dòng)掃描紅外地平儀 擺動(dòng)掃描紅外地平儀的擺動(dòng)掃描紅外地平儀的工工作原理類同圓錐掃描地平作原理類同圓錐掃描地平儀，不同的是它將掃描裝儀，不同的是它將掃描裝置改為擺動(dòng)裝置，通過(guò)視置改為擺動(dòng)裝置，通過(guò)視軸在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)軸在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地平的掃描。來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地平的掃描。 它對(duì)地平圈上的同一點(diǎn)進(jìn)它對(duì)地平圈上的同一點(diǎn)進(jìn)行方向相

35、反的兩次掃描，行方向相反的兩次掃描，根據(jù)這兩次掃描所獲取的根據(jù)這兩次掃描所獲取的信息完成對(duì)地平的量測(cè)。信息完成對(duì)地平的量測(cè)。75（2）靜態(tài)地平儀 靜態(tài)地平儀的工作方式類似于人的眼睛，它利用典型的焦靜態(tài)地平儀的工作方式類似于人的眼睛，它利用典型的焦平面技術(shù)，將多個(gè)探測(cè)器放在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，通過(guò)平面技術(shù)，將多個(gè)探測(cè)器放在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，通過(guò)探測(cè)器對(duì)投影在焦平面上地球紅外圖像的響應(yīng)，來(lái)計(jì)算地探測(cè)器對(duì)投影在焦平面上地球紅外圖像的響應(yīng)，來(lái)計(jì)算地球的方位。球的方位。 靜態(tài)地平儀具有體積小、靜態(tài)地平儀具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、壽命質(zhì)量輕、功耗低、壽命長(zhǎng)和抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，適長(zhǎng)和抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，適合用作新

36、一代小型衛(wèi)星合用作新一代小型衛(wèi)星姿態(tài)敏感器。姿態(tài)敏感器。76（2）靜態(tài)地平儀（續(xù)）主要介紹一種輻射熱平衡式紅外地平儀。輻射熱平衡式紅外地平儀，一般有多個(gè)視場(chǎng)，且都等間隔對(duì)稱分布，圖所示為8個(gè)視場(chǎng)的輻射熱平衡式紅外地平儀。在這些視場(chǎng)中，每個(gè)視場(chǎng)只接收來(lái)自地球特定區(qū)域的紅外輻射，在工作時(shí)，對(duì)每個(gè)視場(chǎng)所接收的輻射能量進(jìn)行分析處理，進(jìn)而完成對(duì)航天器姿態(tài)的量測(cè)。它不需要掃描和擺動(dòng)裝置，體積小、功耗低。77靜態(tài)地平儀782.5.3地球敏感器結(jié)構(gòu)地球敏感器結(jié)構(gòu)一般地球敏感器的組成框圖如圖所示。其中掃描或擺動(dòng)機(jī)構(gòu)只存在于動(dòng)態(tài)地平儀中。處理模塊接收來(lái)自探測(cè)器的信息，進(jìn)行分析處理，完成所需信息的輸出。79 2.6

37、其他天體敏感器其他天體敏感器F2.6.1 引言2.6.2 空間六分儀自主天文定位系統(tǒng)(SS-ANARS)80（1）天文望遠(yuǎn)鏡 天文望遠(yuǎn)鏡是人類對(duì)浩瀚宇宙、廣袤星空進(jìn)行探索的主要天體敏感器。它分為光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡。 光學(xué)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)望遠(yuǎn)鏡采用光學(xué)原理，通過(guò)透鏡的反射、折射，利用光電轉(zhuǎn)換器件敏感被測(cè)天體，經(jīng)處理電路對(duì)敏感圖像進(jìn)行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天體的觀測(cè)； 它一般由物鏡、目鏡和光電轉(zhuǎn)換器件組成，物鏡用來(lái)收集來(lái)自天體的光線，目鏡將光線中雜散光去除后引入光電轉(zhuǎn)換器件完成對(duì)天體的敏感、成像和處理。81（2）射電望遠(yuǎn)鏡 射電望遠(yuǎn)鏡射電望遠(yuǎn)鏡采用電磁學(xué)技術(shù)，利用天體本身發(fā)出的不同電磁波

38、來(lái)敏感天體；它和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相比最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有全天候敏感天體的特點(diǎn)。天文望遠(yuǎn)鏡一般在航天器天文導(dǎo)航系統(tǒng)中，為航天器的位置確定提供部分觀測(cè)信息，同時(shí)還可輔助導(dǎo)航系統(tǒng)完成精確定姿的任務(wù)。82哈勃天文望遠(yuǎn)鏡83射電天文望遠(yuǎn)鏡84大型光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡85（3）行星照相儀 行星照相儀實(shí)際上是一種在太空中能夠直接觀測(cè)遙遠(yuǎn)行星的巨型針孔照相機(jī)。 在天文導(dǎo)航系統(tǒng)中，一般用來(lái)觀測(cè)行星的邊緣或?qū)π行钦w成像，用其觀測(cè)的信息可計(jì)算出航天器本體到被觀測(cè)行星中心的方位。862.6.2空間六分儀自主天文定位系統(tǒng)(SS-ANARS)空間六分儀的定位導(dǎo)航原理不僅簡(jiǎn)單，而且完全自主。它通過(guò)精確測(cè)量亮星(星等3m)與地球邊緣或月

39、球明亮邊緣之間的夾角，進(jìn)而確定航天器與地球或月球質(zhì)心間的連線，并結(jié)合航天器的精確軌道動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。872.6.2空間六分儀自主天文定位系統(tǒng)(SS-ANARS)空間六分儀定位導(dǎo)航的空間六分儀定位導(dǎo)航的原理原理其基本原理是通過(guò)測(cè)量一顆其基本原理是通過(guò)測(cè)量一顆無(wú)限遠(yuǎn)處的恒星和地球之間無(wú)限遠(yuǎn)處的恒星和地球之間的夾角，來(lái)建立一個(gè)頂點(diǎn)位的夾角，來(lái)建立一個(gè)頂點(diǎn)位于地球的航天器的位置錐，于地球的航天器的位置錐，通過(guò)測(cè)量另一顆恒星與地球通過(guò)測(cè)量另一顆恒星與地球的夾角可建立第二個(gè)位置錐，的夾角可建立第二個(gè)位置錐，兩錐的交線即為航天器到地兩錐的交線即為航天器到地球的位置線。球的位置線。882.6.2空間

40、六分儀自主天文定位系統(tǒng)(SS-ANARS)通過(guò)觀測(cè)恒星與月球之間的夾通過(guò)觀測(cè)恒星與月球之間的夾角同樣可獲得航天器的位置信角同樣可獲得航天器的位置信息。息。由于月球、地球和航天器之間由于月球、地球和航天器之間相對(duì)位置的變化，繼續(xù)觀測(cè)還相對(duì)位置的變化，繼續(xù)觀測(cè)還可得到新的位置線，可得到新的位置線，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合航天器軌道在此基礎(chǔ)上，結(jié)合航天器軌道動(dòng)力學(xué)方程，利用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)動(dòng)力學(xué)方程，利用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)便可確定出航天器的三維位置便可確定出航天器的三維位置坐標(biāo)。坐標(biāo)。892.6.2空間六分儀自主天文定位系統(tǒng)空間六分儀的精確測(cè)角原理空間六分儀的精確測(cè)角原理空間六分儀的精確測(cè)角原理空間六分儀具有兩個(gè)跟蹤望遠(yuǎn)

41、鏡和一個(gè)角度測(cè)量裝置，該測(cè)角裝置能夠精確地測(cè)量?jī)蓚€(gè)望遠(yuǎn)鏡光軸之間的夾角。假定每個(gè)跟蹤望遠(yuǎn)鏡分別鎖定跟蹤目標(biāo)，轉(zhuǎn)輪以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)計(jì)時(shí)標(biāo)志器經(jīng)過(guò)跟蹤器A的光軸時(shí)，計(jì)時(shí)器A將接收到一個(gè)脈沖(T1時(shí)刻)，當(dāng)計(jì)時(shí)標(biāo)志器繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并經(jīng)過(guò)跟蹤器B的光軸時(shí)，計(jì)時(shí)器B也接收到一個(gè)計(jì)時(shí)脈沖(T2時(shí)刻)，這時(shí)可求得兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡光軸之間的夾角是1=（T2-T1）。902.6.2空間六分儀自主天文定位系統(tǒng)空間六分儀的精確測(cè)角原理當(dāng)轉(zhuǎn)輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，計(jì)時(shí)標(biāo)志器再次通過(guò)計(jì)時(shí)器A時(shí)，計(jì)時(shí)器再次接收到計(jì)時(shí)脈沖(T3時(shí)刻)，因此， 2=（T3-T2）， 2是1的補(bǔ)角，即1的第二次測(cè)量值。91 2.7 MANS自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)自主

42、天文導(dǎo)航系統(tǒng)92F2.7.1MANS自主導(dǎo)航系統(tǒng)原理2.7.2MANS自主導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.7.3MANS自主導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)93 1）MANS自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)自主天文導(dǎo)航系統(tǒng) 美國(guó)Microcosm公司研制了麥?zhǔn)献灾鲗?dǎo)航系統(tǒng)MANS(Microcosm Autonomous Navigation System)。MANS利用專用的麥?zhǔn)献灾鲗?dǎo)航敏感器對(duì)地球、太陽(yáng)和月球在軌測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)確定航天器的軌道，同時(shí)確定航天器的三軸姿態(tài)，是完全意義上的自主導(dǎo)航系統(tǒng)。941）MANS自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)） MANS的導(dǎo)航敏感器在EDO公司巴恩斯工程部研制的雙錐掃描地平儀的基礎(chǔ)上，增加了一對(duì)扇

43、形掃描式日、月敏感器，由對(duì)地球的紅外輻射圓盤的角半徑以及地心、日、月方向矢量的量測(cè)值確定航天器的軌道和三軸姿態(tài)。951）MANS自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)） 1994年3月，美國(guó)空軍在范登堡空軍基地發(fā)射“空間試驗(yàn)平臺(tái)一零號(hào)”航天器，其有效載荷為“TAOS(Technology for Autonomous Operational Survivability，自主運(yùn)行生存技術(shù))”飛行試驗(yàn)設(shè)備。通過(guò)飛行試驗(yàn)對(duì)MANS天文導(dǎo)航系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果公布的導(dǎo)航精度為：位置精度100m，速度精度0.1m/s。962）MANS導(dǎo)航原理如圖所示，利用MANS自主導(dǎo)航敏感器掃描一圈可以得到七個(gè)獨(dú)立的觀測(cè)量：太陽(yáng)方向矢量(兩個(gè)分量)，月球方向矢量