星敏感器、太阳敏感器和地球敏感器定姿

2024-01-21 06:10
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本文主要是介绍星敏感器、太阳敏感器和地球敏感器定姿,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

星敏感器是以某一颗亮度高于+2可见星等的恒星为基准,测量其相对于航天器的角位 置,并同星历表中该星的角位置参数进行比较,来确定航天器的姿态。也即通过对恒星星光的敏感来测量航天器的某一个基准轴与该恒星视线之间的夹角。由于恒星张角非常小( ),因此星 敏感器的测量精度很高。一般说来,星敏感器是航天器姿态敏感器中最精确的敏感器,其精度比太阳敏感器高一个数量级,比红外地平仪高两个数量级,可达到角秒量级。但是由于星光非常微弱,其成像装置需要使用高灵敏度的析像管或光电倍增管,如图4.10(a)所示。同时测量数据较多,数据的处理和识别只有计算机才能完成。因此星敏感器结构复杂,功耗大,质量体积大,价格昂贵,而且每给出一次测量结果往往需要1~5 s时间。

    星敏感器分星图仪和星跟踪器两种类型,星跟踪器又可分为框架式和固定式两种形式。

    (1) 星图仪:又称星扫描器。一般都是狭缝式,用在自旋卫星上,利用星体的旋转来搜索和捕获目标恒星。

    (2) 框架式星跟踪器:是把敏感头装在可转动的框架上,且通过旋转框架来搜索和捕获 目标。

    (3) 固定式星跟踪器:这种跟踪器的敏感头相对航天器固定,在一定的视场内具有搜索和跟踪能力,例如采用析像管电子扫描和CCD器件成像。

    下面就简要介绍狭缝式星敏感器和CCD星敏感器的工作原理。

    1.狭缝式星敏感器

    这种星敏感器利用航天器自旋对天体进行扫描。当星光通过光学系统到达并穿过位于焦 平面上的狭缝码盘时,星光就被检测敏感到。若信号超过设置的门限位,电子装置便产生一个脉冲来表示星的出现。在焦平面码盘上的狭缝如图4.10(b)所示,测量星光通过第一条狭缝的时间 和经过两个狭缝之间的时间 然后结合星历表和航天器的自旋速度,计算得出姿态信息。狭缝式星敏感器没有运动部件,因而结构比较简单。但是由于这种敏感器依赖航天器自旋提供扫描,因此在应用方面受到限制,至少受航天器自旋速度的限制。

    在图4.10(a)所示的星敏感器结构中,杂散光屏蔽罩是用以屏蔽太阳光和尘埃微粒、推力器排气等可能引起的散射光。光学系统是一个透镜组件,可把恒星的成像投射到焦平面上,码盘就位于焦平面上。光电倍增管把光学信号转换为电信号并放大,然后传送到电子盒。电子盒对信号进行各种处理。

 

    2.CCD星敏感器

    CCD星敏感器采用电荷耦合器件图像列阵作为检测器,电荷耦合器具有垂直和水平像 素。CCD星敏感器与其他星敏感器相比较具有非常突出的优点。它能够同时跟踪多颗星,对磁场不敏感,精度得到改善。CCD星敏感器被认为是最有发展前途的星敏感器,我国目前也正在积极地发展这一技术。

太阳敏感器是通过对太阳辐射的敏感来测量太阳视线与航天器某一体轴之间夹角的敏感 器。太阳敏感器用来确定姿态是最普遍的,几乎每个航天器都采用。太阳敏感器之所以有这样广泛的通用性是因为在大多数应用场合,可以把太阳近似看作是点光源,因此就可简化敏感器的设计和姿态确定的算法;另外太阳光源很强,从而使敏感器结构简单,其功率要求也很小;太阳敏感器的视场很大,可以从几分×几分到128º×128º,而分辨率可以从几度到几角秒。太阳敏感器具有3种基本类型:模拟式、数字式和太阳指示器。经常使用的为模拟式和数字式两种。

    1.模拟式太阳敏感器

    模拟式太阳敏感器的输出信号为模拟量,其大小和符号是太阳光入射角的连续函数。模拟式太阳敏感器通常又叫做余弦检测器,这是因为硅太阳电池输出电流与太阳光入射角成正弦规律变化。

    图4.2所示为一简单的模拟式太阳 敏感器工作原理。它由两个间距很近的 光电敏感元件(也称光电池或光敏元件)、光学透镜(或狭缝)和处理线路组成。当太阳光垂直照到两个光电敏感元 件上时,两者所产生的电流之差为敏感 器的输出。由于两个光电敏感元件的特 性选得很接近,所以敏感器的输出为零,

这就是敏感器的零点。当太阳光线与垂直轴不重合时,光电敏感元件输出的两个电流差值正比于入射角,电流符号代表人射角方向,即太阳光线是从垂直轴左边或者右边射入。显然,图4.2所示的模拟式太阳敏感器只能测量航天器相对于太阳光线的一个姿态角,因此称为单轴模拟式太阳敏感器。

    若将单轴模拟式太阳敏感器中的两块光敏元件换为4块性能完全相同的光敏元件,并如 图4.3所示的方式配置,则当太阳光线以 垂直入射时,4块光敏元件输出相等;当太阳光线偏离垂直位置时,4块光敏元件的输出不等。对这些光敏元件的输 出信号通过处理电路加以处理后,就可得到太阳光线入射的高低 角和方位角,从而同时获得航天器相对于太阳光线的两个姿态角。 因此称这种太阳敏感器为两轴模拟式太阳敏感器。

    模拟式太阳敏感器视场在几十度时,精度可达到 ;当视场 很小,仅为 时,精度可达到秒级。例如“阿波罗”飞船所使用 的模拟式太阳敏感器即属此类。

    2.数字式太阳敏感器

    数字式太阳敏感器的输出信号是与太阳入射角相关的以编码形式出现的离散函数。在结 构上,它主要由狭缝、码盘、光敏元件阵列、放大器和缓冲寄存器组成,如图4.4所示。码盘上设有符号位和编码位。符号位用于确定太阳位于敏感器基准面(定义为狭缝所在平面的法线 与狭缝 组成的平面 )的哪一边,也即确定太阳入射角的正负。编码位用于确定太阳光线偏离基准面的数字量,即确定太阳入射角的大小。光敏
元件阵列是由一排相互平行且独立的光电池条组成,其数量决定了太阳敏感器输出编码的位数,从而在一定程度上影响到敏感器的分辨率。

    当太阳光通过码盘照到某一条光电池上,光电池产生电流并且超过相应线路中所给 定的门限值时,该光电池输出为1,反之输出为O。于是经放大器,在缓冲寄存器中就可得 到由整个光电池阵列输出的一个二进制码。输出的二进制码确定了太阳光线在光电池阵 列上成像的位置,从而确定了太阳方向OS在垂直于太阳敏感器基准面的 平面中投 影与 的夹角

    图4.4所示的太阳敏感器只能测得太阳入射光线相对于敏感器基准面的一个角 ,所以称之为单轴数字式太阳敏感器。如果安装两个数字敏感器,令其基准面相互垂直,则可组成两轴 太阳敏感器。其测量信息经过处理后,就可得到太阳入射光相对于基准坐标系 的高低角和方位角。

    3.其他太阳敏感器

    太阳指示器也称为太阳出现探测器。当太阳出现在敏感器视场内,并且信号超过门限值 时,表示见到了太阳,输出为1;当信号低于门限值时,输出为O,表示没见到太阳。这种敏感器一般用来作保护器,例如保护红外地平仪免受太阳光的影响。

    实际上,太阳敏感器的结构形式很多。例如还有一种V型狭缝式太阳敏感器,用于自旋卫星,其工作原理与后面将介绍的狭缝式星敏感器的工作原理有相似之处。

地球是近地航天器所能观察到的除太阳外最明亮的天体,因此地球也就成为航天器最重 要的基准物之一。但由于地球对近地航天器而言是一个广大的观察目标,不是一个确定的基准方向,因此实际工程中通常是以航天器所处的当地垂线或当地地平作为基准方向。

    红外地平仪就是利用地球自身的红外辐射来测量航天器相对于当地垂线或者当地地平方位的姿态敏感器,简称地平仪。红外地平仪的工作波段一般选择在14~16 的二氧化碳红外窄波段上。原因是地球表面上空25~50 km的大气中的二氧化碳在14~16 波段内的红外辐射强度随着高度的增加而迅速地减少,所以工作在这一窄波段上的红外地平仪可获得极为清晰的地球轮廊,有利于提高测量精度。同时,红外地平仪对航天器本身反射的太阳光不敏感,无论白天或夜晚均能正常工作,因此在工程中应用十分广泛。

    目前红外地平仪主要有3种形式:地平穿越式、边界跟踪式和辐射热平衡式。其中地平穿越式地平仪扫描视场大,可用于大范围姿态测量,但精度略低,约为 。其余两种地平仪的工作视场较小,只能适用于小范围的姿态测量,但精度较高,可达到 数量级。下面分别介绍这3种红外地平仪的基本工作原理。

    1.地平穿越式地平仪

    地平穿越式地平仪的视场相对于地球作扫描运动。当视场穿越地平线时,也就是说扫到地球和空间交界时,地平仪接收到的红外辐射能量发生跃变,经过热敏元件探测器把这种辐射能量的跃变转变成电信号,形成地球波形。然后通过放大和处理电路,把它转变成为前后沿脉冲。最后通过计算电路,把前后沿脉冲与姿态基准信号进行比较,得出姿态角信息,也就是滚动角或俯仰角。图4.5所示为地平穿越式地球敏感器工作原理图。

 

    穿越式地平仪常见有两种形式:圆锥扫描地平仪和自旋扫描地平仪。前者依靠地平仪的扫 描机构,后者依靠航天器旋转(例如自旋卫星)。圆锥扫描地平仪内设有扫描机构,并由电机驱动。由于敏感元件的光轴偏离航天器的本体坐标系轴线,所以当电机转动时,视场就扫出一个以航天器本体坐标系轴线为中心的圆锥面,故称圆锥扫描地平仪。这种地平仪扫描所得的地球方波的中点称为地中,同时在地平仪每一扫描周期中产生一基准信号,它是相对于地平仪不动部分来设定的,在每一扫描周期中其相位固定不变。当航天器及其上固装的地平仪发生姿态偏差时,扫描所得的地球前后沿及地中信号同时也发生偏转。根据地中值相对于基准信号的角位移,即可测定航天器相对于地球的一个姿态偏差。

    一个圆锥扫描地平仪只能确定一个姿态角,因此要确定航天器相对于当地垂线或地 平的两个姿态角就需要两个地平仪,分为垂直安装和共面安装两种形式。垂直安装是指 在航天器的滚动轴和俯仰轴方向设两个相同的圆锥扫描地平仪,扫描轴相隔 ,可直接 测量滚动和俯仰姿态角,工作原理见图4.6(a)。共面安装是指两个扫描轴安装的与当地 垂线在同一平面上,俯仰方向偏差仍然是从地中测量得出的,而滚动姿态则用两个扫描 机构穿越地球所测地球两个弦宽相比较而得到。也就是说,当两个弦宽相同时,滚动角就 是零。这种地平仪的工作原理见图4.6(b)。可见,无论哪一种安装方式,红外地平仪均只 能测量出航天器的俯仰和滚动两个姿态角。

     圆锥扫描红外地平仪发展较早,应用也较多。这种地平仪优点是扫描视场大,响应时间快,对许多飞行任务适应性较强,特别是对大范围姿态测量和姿态机动捕获更为合适。但是由于存在运动扫描机构,因此寿命受到限制。这种地平仪精度可达到

    自旋扫描地平仪主要用于自旋卫星,扫描机构就是自旋卫星。通过卫星自旋,地平仪的窄视场随星体旋转而穿越地平线时,辐射强度的突变使探测元件产生“地人”和“地出’’两个电脉冲,对应的时刻 表示了地球弦宽长短,含有姿态信息。结合卫星轨道高度便可算出自旋轴与卫星和地心连线之间的夹角,也即姿态角。原理如图4.7所示,图示中 为敏感器光轴与自旋轴的夹角,称为安装角。

    自旋卫星扫描红外地平仪,不论在卫星上装有多少敏感器,只能共有一个扫描轴, 所以也只能测量一个姿态角,即自旋轴与当地垂线或地平的夹角。如果在卫星自旋轴 装上两个扫描地平仪分别测出两条弦宽,然后进行比较,则不需要卫星轨道高度参数,同样也可以得出姿态角。

 

    2.边界跟踪式地平仪

    该敏感器具有一个反馈伺服机构,它使视场跟踪地平线,同时给出相对于不运动部分的方位角,这个方位角与航天器姿态角成正比。图4.8表示边界跟踪式地平仪的工作原理。早期在 “双子星”飞船上采用了这种跟踪式地 平仪,最近同步轨道三轴稳定通信卫星 OTS采用了意大利研制的一种抖动式 边界跟踪地平仪,其运动部件扫描反射 镜由无刷力矩电机驱动,采用挠性支承 (叉簧轴承),扫描频率低,因此寿命 较长。

边界跟踪式地平仪的精度可达 ,但视场较小,约为 ,因此 只能工作在较窄的姿态范围内。另外,这 种地平仪的工作还会受到大气成分、温度的不规则变化、日出日落的光照条件变化的影响。

    3.辐射热平衡式地平仪

    辐射热平衡式地平仪具有多个视场,一般有等间隔对称分布的4个(见图4.9(a))或8个视场 (见图4.9(b))。每个视场分别接收来自地球不同部分的红外辐射,通过对每个视场接收到的不同红外辐射能量进行分析而得出航天器姿态。例如4个热电堆的这种地平仪当所有视场接收能量相等时,表示航天器姿态角为零。当前后两个视场接收能量不相等时,表示航天器在俯仰轴有姿态偏差;同样地,当左右两个视场接收能量不相等时,表示在滚动轴有姿态偏差。由于这种地平仪不需要扫描机构,所以又称为静态红外地平仪;又因为没有运动部件,体积和质量较小,功耗低,所以适合长寿命飞行任务。但是有两个技术难点,即仪器各部分之间温度梯度产生热交换,以及季节变化所产生的地球红外辐射的不均匀性和不稳定性都会对测量精度产生较大影响。但是目前 技术已有较大发展,精度也大大提高,可达 ,运行寿命也可达数年。

   

 

 

http://jpkc.nwpu.edu.cn/jp2005/15/wljc/htqkzyl.files/4/4_1_2.htm

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http://www.chinasem.cn/article/628582

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