CN103697852A - 一种基于非对称拓扑结构的地平仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非对称拓扑结构的地平仪及测量方法，该地平仪包括：2套光学探头和1套信息处理单元，每套光学探头包括1个红外光学系统和1个红外探测器。地平仪采用侧装斜视的非对称拓扑结构对地球进行探测，地球红外辐射通过光学系统在红外探测器上生成红外图像，并经线列阵红外探测器转换为电信号，经前端电路放大后再经AD转换为数字信号，再经后端信息电路处理，提取地平圆边界，计算地平圆中心位置，进而计算出卫星滚动和俯仰姿态偏差角。该地平仪具有体积小、重量轻、寿命长和精度高的特点。

Description

一种基于非对称拓扑结构的地平仪及测量方法

技术领域

本发明涉及卫星姿态测量技术，具体涉及一种基于非对称拓扑结构的地平仪及测量方法，适用于卫星姿态测量领域。

背景技术

地平仪是利用星载的光学系统和探测器，探测3个或3个以上的地平点，计算地平圆的中心方向，测量卫星相对于局地垂线的姿态偏差,用于入轨初期初始姿态建立、安全模式下姿态重构和正常运行模式下的姿态控制。

传统的线阵地平仪采用对称式拓扑结构对地球进行探测，因此地平仪只能安装在卫星对地的平面上。见贝治年，“静态红外地平仪技术分析”，红外，2002年第5期。

有些特殊应用的卫星在对地平面上无法安装地平仪，只能安装在卫星的侧表面上，因此传统的对称式拓扑结构的地平仪无法适用，需要一种基于非对称拓扑结构的地平仪对卫星的姿态进行测量。

发明内容

本发明公开了一种基于非对称拓扑结构的地平仪及测量方法，该地平仪包括：使用2套光学探头和1套信息处理单元，每套红外探头包括1个红外光学系统和1个红外探测器，二者一体化安装，2套红外探头的光轴在地平圆平面内的投影所成夹角为90度，每个探测器有2条探测线阵，每条线阵有160个像元，对应的视场为16度，地平仪安装在卫星的侧面，对地倾斜一定的角度，实现对地球的非对称式探测，如图1和图2所示。

该地平仪的工作原理如下：地球红外辐射通过光学系统在红外探测器上生成红外图像，并经线列阵红外探测器转换为电信号，经前端电路放大后再经AD转换为数字信号，再经后端信息电路处理，提取地平圆边界，计算地平圆中心位置，进而计算出卫星滚动和俯仰姿态偏差角。

基于非对称拓扑结构的地平仪的红外光学系统采用两片高次非球面透镜，减少了透镜数量，减轻了系统重量，减少了能量损耗，采用滤光片与探测器窗口一体化封装，省去普通探测器的透过窗口，使光学透过率相较于普通红外系统提高10%。

基于非对称拓扑结构的地平仪的地平圆穿越点提取的流程为：首先对地球和太空的边界位置进行初步的判断，然后选取地球和太空的参考信号值，利用参考信号值对探测到的数据进行归一化处理，接着进行边界判定元的选取，最后利用高精度地球和太空边界位置检测算法对地平圆穿越点进行提取，如图3所示。

基于非对称拓扑结构的地平仪的姿态测量算法原理如下：通过测量地平圆在4个红外探测器上的边界点，进而求得地平圆的中心，卫星对地姿态不同，地平圆中心的位置也会随之发生变化，因此，通过测量地平圆中心位置的变化，可以反演出卫星对地姿态，如图4所示。

1）仪器测量坐标系定义为：坐标系的原点为地平仪的质心，坐标系的Z轴为地平仪的质心指向地心的局地垂线方向，坐标系的X轴为在卫星轨道平面内与Z轴垂直并指向卫星速度的方向，坐标系的Y轴为与X和Z轴右手正交且与轨道平面的法线平行的方向；

2）所述的高精度姿态解算方法，采用4条红外探测线阵，分别定义为L₁、L₂、L₃和L₄，在仪器测量坐标系下，地平圆与4个红外探测线列阵的交点定义为边界点，分别为A、B、C和D，4个边界点在仪器测量坐标系下的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和(x₄,y₄)，地平圆圆心定义为O，在仪器测量坐标系下的坐标为(x₀,y₀)；

3）在仪器测量坐标系下，求点A和B连线线段AB的斜率k，利用几何关系可以求出线段AB的斜率为：

$k=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}---\left(1\right)$

4）在仪器测量坐标系下，可以求出线段AB的中点坐标为：

$(\frac{x_2+x_1}{2},\frac{y_2+y_1}{2})---\left(2\right)$

5）由（1）式和（2）式可以求出线段AB的垂直平分线方程为：

$y-\frac{y_2+y_1}{2}=-\frac{x_2-x_1}{y_2-y_1}(x-\frac{x_2+x_1}{2})---\left(3\right)$

6）同理可以求出点C和D连线线段CD的垂直平分线方程为：

$y-\frac{y_4+y_3}{2}=-\frac{x_4-x_3}{y_4-y_3}(x-\frac{x_4+x_3}{2})---\left(4\right)$

7）由（3）式和（4）式可以求出线段AB和线段CD的垂直平分线的交点，根据几何关系可知该交点即为地平圆的圆心O，则可求出圆心的坐标为：

$\begin{array}{c}{x}_0=\frac{(y_2-y_1)(x_4-x_3)(x_4+x_3)-(y_4-y_3)(x_2-x_1)(x_2+x_1)+(y_4+y_3-y_2-y_1)(y_4-y_3)(y_2-y_1)}{2[(y_2-y_1)(x_4-x_3)-(y_4-y_3)(x_2-x_1)]}\\ y_0=\frac{(x_2-x_1)(y_4-y_3)(y_4+y_3)-(x_4-x_3)(y_2-y_1)(y_2+y_1)+(x_4+x_3-x_2-x_1)(x_4-x_3)(x_2-x_1)}{2[(x_2-x_1)(y_4-y_3)-(x_4-x_3)(y_2-y_1)]}\end{array}---\left(5\right)$

8）由（5）式求出的地平圆圆心的坐标求出卫星对地姿态的变化。

与传统红外地平仪相比，该地平仪具有以下特点：

1、体积小、重量轻：该地平仪采用了2个一体化安装的红外探头，单机只需2个红外光学系统和2个红外探测器，每个探测器中集成了2个红外探测阵列，这样的设计减小了单机重量，提高了系统集成度；

2、高可靠、长寿命：该地平仪未采用扫描机构，因此，系统的可靠性和寿命主要取决于设计使用的探测器和半导体集成电路等核心器件，而此类器件具有较高的可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为基于非对称拓扑结构的地平仪功能框图。

图2为基于非对称拓扑结构的地平仪拓扑结构。

图3为提取地平圆穿越点的流程图。

图4为姿态测量算法示意图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明的总体技术指标为：适用的轨道高度为600-1000公里，测量姿态的动态范围为±8度，测量姿态的精度为0.1度，测量姿态的帧频为10Hz，功耗为1.2瓦，重量为0.9公斤。

本发明的红外光学系统采用两片高次非球面透镜，焦距为47.45mm，F数为1.25，80%的能量全部集中在1个像元内，在极限频率处，MTF大于80%。

本发明的红外探测器采用MEMS加工方法，面元热敏材料为VO，每个探测器有2条探测线阵，每条线阵有160个像元，像元尺寸为80微米。

Claims (2)

1.一种基于非对称拓扑结构的地平仪，它包括：2套光学探头和1套信息处理单元，其特征在于，所述的地平仪采用侧装斜视的非对称拓扑结构，即使用2套光学探头和1套信息处理单元，每套红外探头包括1个红外光学系统和1个红外探测器，二者一体化安装，2套红外探头的光轴在地平圆平面内的投影所成夹角为90度，每个探测器有2条探测线阵，每条线阵有160个像元，对应的视场为16度，地平仪安装在卫星的侧面，实现对地球的非对称式探测。

2.一种基于权利要求1所述的基于非对称拓扑结构的地平仪的卫星姿态测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1）仪器测量坐标系定义为：坐标系的原点为地平仪的质心，坐标系的Z轴为地平仪的质心指向地心的局地垂线方向，坐标系的X轴为在卫星轨道平面内与Z轴垂直并指向卫星速度的方向，坐标系的Y轴为与X和Z轴右手正交且与轨道平面的法线平行的方向；

2）将两个探测器上的4条探测线阵分别命名为L₁、L₂、L₃和L₄，在仪器测量坐标系下，地平圆与4个红外探测线列阵的交点为边界点，分别为A、B、C和D，4个边界点在仪器测量坐标系下的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和(x₄,y₄)，地平圆圆心定义为O，在仪器测量坐标系下的坐标为(x₀,y₀)；

3）求点A和B连线线段AB的斜率k，利用几何关系可以求出线段AB的斜率为：

$k=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}---\left(1\right)$

4）求出线段AB的中点坐标为：

$(\frac{x_2+x_1}{2},\frac{y_2+y_1}{2})---\left(2\right)$

5）由（1）式和（2）式可以求出线段AB的垂直平分线方程为：

$y-\frac{y_2+y_1}{2}=-\frac{x_2-x_1}{y_2-y_1}(x-\frac{x_2+x_1}{2})---\left(3\right)$

6）同理可以求出点C和D连线线段CD的垂直平分线方程为：

$y-\frac{y_4+y_3}{2}=-\frac{x_4-x_3}{y_4-y_3}(x-\frac{x_4+x_3}{2})---\left(4\right)$

7）由（3）式和（4）式可以求出线段AB和线段CD的垂直平分线的交点，根据几何关系可知该交点即为地平圆的圆心O，则可求出圆心的坐标为：

$\begin{array}{c}{x}_0=\frac{(y_2-y_1)(x_4-x_3)(x_4+x_3)-(y_4-y_3)(x_2-x_1)(x_2+x_1)+(y_4+y_3-y_2-y_1)(y_4-y_3)(y_2-y_1)}{2[(y_2-y_1)(x_4-x_3)-(y_4-y_3)(x_2-x_1)]}\\ y_0=\frac{(x_2-x_1)(y_4-y_3)(y_4+y_3)-(x_4-x_3)(y_2-y_1)(y_2+y_1)+(x_4+x_3-x_2-x_1)(x_4-x_3)(x_2-x_1)}{2[(x_2-x_1)(y_4-y_3)-(x_4-x_3)(y_2-y_1)]}\end{array}---\left(5\right);$

8）由（5）式求出的地平圆圆心的坐标求出卫星对地姿态的变化。

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