CN105415371A - 一种用于空间光学遥感仪器的两维指向机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间光学遥感仪器的两维指向机构，两维指向机构由安装机座、包括驱动伺服电机、高精度编码器和谐波减速器的方位轴驱动组件、包括伺服驱动电机、高精度编码器、谐波减速器和方位轴连接件的俯仰轴驱动组件和指向镜组件组成。本发明的优点在于：与传统的两维指向机构相比具有指向精度高、结构简单、负载小、装配难度低等特点；同时，其中一维可以360°连续转动，便于空间遥感仪器的在轨定标等功能的实现。

Description

一种用于空间光学遥感仪器的两维指向机构

技术领域

本发明涉及用于空间光学遥感仪器的新型高精度两维指向机构，该机构主要应用于面阵光学遥感仪器的光学指向，用以增加面阵光学遥感仪器的观测范围。同时，由于该机构其中一维可以360°连续扫描，可以实现光学遥感仪器的光谱定标，有利于遥感仪器的在轨定量化应用。

背景技术

近年来随着电子科学技术的发展使得大规模的探测器阵列在光学遥感仪器中得到了越来越广泛的应用，遥感仪器的性能得到很大的提升，地面分辨率、光谱分辨率等得到了大幅提高。同时，随着面阵探测器的研制取得的突破，凝视型的光学遥感仪器也越来越受到关注。特别是对于地球同步静止轨道卫星上的对地遥感仪器，由于其相对地面的运动远小于低轨平台，凝视成像是一种很好的图像获取方式。但是，凝视型光学遥感系统通常只有很小的视场，一般多采用二维指向机构来扩大观测范围。

典型的两维指向机构的结构采用两台独立的驱动轴系组件通过一个U型结构件(U型架)进行连接，两个轴系在空间上相互垂直，U型架与方位轴连接。为了增加俯仰轴系的刚度，U型架往往设计较为笨重，同时会加大方位轴轴承预载，这些措施无形中加大了方位轴电机的驱动力矩。反馈控制系统一般采用光电编码盘或高精度感应同步器。.

典型的两维机构是美国摩根公司为ADEOS-Ⅱ卫星设计的一个两维指向机构。该结构是一个典型的俯仰角—方位角构造，并配以具有完整备份的高精度电子控制单元。方位轴采用步进电机驱动，其输出轴轴承采用大预载以增加轴系刚性。方位轴上还包括一个用于位置传感的21位旋转变压器。而俯仰轴上配置的则是一个无刷直流电机和20位增量式光栅编码器。该方案针对小视场的光学遥感仪器的两维指向有一定的优点。但是，随着指向镜口径的增大，俯仰轴系的刚度问题(直接影响指向稳定度)，俯仰轴驱动和位置检测电缆的引出对方位轴驱动电机带来的力矩波动问题都有待进一步的解决。

随着空间遥感的进一步发展，对空间遥感仪器的要求越来越高。如不断提高的地面分辨率要求和大规模面阵探测器的应用，使得遥感仪器的光学口径越来越大。两维指向机构的尺寸越来越大，重量越来越重，指向稳定度也越来越高。为了解决这一矛盾，有人提出了另一种解决方案，采用两套扫描镜部件的方案。一套实现方位轴扫描，另一套完成俯仰轴扫描。典型的应用是我国研制的FY-4扫描辐射计。该方案有其优点：分离了两维扫描的运动，有助于提高扫描机构的结构刚度和降低装配难度；有助于提高扫描稳定度。但是，由于采用了两套机构，两块扫描镜。其重量和结构尺寸代价也是巨大的。

发明内容

本发明结合了成熟的空间45°扫描机构和圆锥扫描机构的优点，提出了一种新的实现两维扫描的方法。

在常用的空间扫描型遥感仪器中，45°镜扫描机构是最常见扫描机构。如FY-1扫描辐射计、FY-3中分辨成像光谱仪和扫描辐射计、HY-1系列上的水色扫描辐射计等等，都成功应用了45°扫描机构。45°扫描镜的旋转轴与遥感仪器的系统光轴重合，扫描镜绕轴转动时，扫描镜法线形成一个半锥角为45°的空间圆锥。光轴经45°扫描镜反射在地面的扫描轨迹为直线。

圆锥扫描是另一种线视场扫描。扫描镜与光轴成θ角，扫描时，光轴经反射镜后在地面扫描轨迹为圆形。当卫星的轨道高度确定后，角的大小直接决定遥感仪器的观测范围：观测半径＝滚道高度×tan(θ)。

将45°扫描机构和圆锥扫描机构有机的结合，就可以实现2θ(俯仰角)×α(方位角)范围内任意区域的观测。

根据本发明原理所设计的两维指向机构的具体结构设计示意如附图1所示。

空间光学遥感仪器的两维指向机构包括安装机座、方位轴驱动组件、俯仰轴驱动组件、指向镜组件。

所述的方位轴驱动组件包括伺服驱动电机、高精度编码器和谐波减速器；

所述的俯仰轴驱动组件包括伺服驱动电机、高精度编码器、谐波减速器和方位轴连接件；

方位轴与俯仰轴成θ角，θ角的大小与俯仰指向范围确定，方位轴驱动组件通过方位轴连接件安装在俯仰驱动组件的旋转轴上，指向镜组件安装在方位旋转轴上，指向镜镜面与方位轴成45°角；

伺服驱动电机根据负载大小乘以3倍的安全系数选取直流无刷电机、力矩电机或步进电机；高精度编码器根据不同光学遥感仪器的指向精度要求选用不同精度等级的光电码盘、感应同步器或旋转变压器；指向镜具有轻量化结构，材料根据遥感仪器光学设计需要选用碳化硅或金属铍。

本发明的高精度两维指向机构的优点是：

1.结构简单，除(俯仰和方位)电机驱动组件外，仅有两个零件(指向镜连接件和方位轴连接件)组成。所有尺寸精度和公差均由机加工保证；

2.装配简单，电机驱动组件自成模块，可以独立完成装配，有利于确保整个指向机构的装配质量和运转精度；

3.方位轴360°连续运转，可以有效使用未成像区域，布置仪器的在轨定标源，提高仪器的使用性能；

4.方位轴系电机及控制回路电缆通过中空的俯仰轴穿线，使得线缆的运动附加力矩最小，切力矩波动最小，有利于指向镜的高精度控制。

附图说明

附图1高精度指向镜结构设计。

1、俯仰轴组件；2、机构安装机座

3、方位轴连接组件；4、方位轴组件；

5、指向镜连接组件；6、指向镜；

7、方位轴控制及驱动电缆；8、俯仰轴控制及驱动电缆；

附图2两维指向角度示意图

具体实施方式

下面结合附图予以详细描述，以便能更好地说明本发明的结构特征和功能特点，而不是限定本发明的保护范围。

附图1详细标识了本发明——高精度两维指向机构构成。机构主要包括：俯仰轴组件、方位轴组件、俯仰和方位连接组件和指向镜组件等。下面进行详细的论述，俯仰轴组件和方位轴组件的构成是一样的，都包括：驱动电机、反馈控制检测元件和减速器等。区别在于：由于方位轴组件相对于俯仰轴系来讲是负载，因此俯仰轴驱动电机的功率要大于方位轴驱动电机。

驱动电机的选取，选取的原则主要根据负载(对于方位轴主要是指向镜组件；俯仰轴主要是方位轴组件+指向镜组件）大小、指向速度以及减速器的减速比等因素来确定。电机的种类主要包括：力矩电机和步进电机。

反馈控制检测单元的选取：针对高指向精度的两维指向机构，必须进行闭环控制，才能达到高精度指向的目标。目前常用的高精度角度传感器包括：光栅编码盘、感应同步器和旋转变压器。而选取原则主要根据指向精度的指标，感应同步器检测精度可以做到1″；选装变压器检测精度：5-10″；光栅编码盘可以做到0.5″以上。

减速器的选取：减速器主要包括：行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器和谐波减速器。谐波减速器由于结构简单、减速比大，尺寸紧凑。是两维指向机构的首选。机构中设计减速器环节，除了可以有效提供机构的输出力矩(电机驱动力矩×减速比)、提高定位精度(电机控制精度/减速比)，还可以与步进电机配合使用，达到轴系自锁的功能。同时，由于谐波减速器的研究发展以及机械加工能力的提升，谐波减速器的传动精度和空回大幅提高。完全满足目前高精度指向的需求。

如上所述，为了提高指向机构控制精度和驱动力矩，驱动电机、反馈控制单元、谐波减速器串行安装，反馈控制单元安装在驱动电机端。

方位轴连接组件是连接方位轴组件和俯仰轴组件的部件。该组件一端固定在俯仰轴组件的输出端，另一段固定方位轴组件。为了进一步提高加工精度和装配难度，该组件可以设计成上下两段，下端提供与俯仰轴的安装接口，上端提供与方位轴的安装接口。

指向镜组件连接件是连接方位轴输出轴与指向镜组件的连接零件。

高精度两维指向机构的装配可以通过模块化装配和检测完成。方位轴组件和驱动轴组件相对独立。可以完全并行装配和检测。避免了传统两维指向机构的串行装配和精度相互干涉的情况发生。

两维指向机构指向的计算：

传统的两维指向机构采用正交的两个驱动轴实现。对地的指向可以通过球坐标系(R，α，θ)表示。α角定义为俯仰轴相对于零点(一般指星下点)的垂直转角。θ角定义为方位轴相对于零点(星下点)的水平转角，计算相对简单。对应地面投影如附图2所示。

本发明所设计的两维指向机构指向的计算稍显复杂。

遥感相机的二维指向过程中指向镜的旋转或摆动可以用反射镜法线矢量绕转轴方向矢量的旋转来描述。

设法线矢量N绕空间中另一矢量P旋转θ角(θ的符号根据P按右手螺旋定则确定)后得到矢量N′。为简化分析，设N和P均为自由矢量，可以任意平移。现将N平移至和P具有相同起点的位置，则转动θ角后得到的矢量N′为

N′＝(N·P)P+[N-(N·P)P]cosθ-(N×P)sinθ

＝Ncosθ+(1-cosθ)(N·P)P-(N×P)sinθ

设N、N′和P分别用其在空间直角坐标系Oxyz三个坐标轴上的分量来表示，

$\left\{\begin{array}{c}{N}_x^{\′}=(cos\mathrm{\θ}+2P_x^2{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2})N_x+(-P_z\sin \mathrm{\θ}+2P_x{P}_y{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2})N_y\\ +(P_y\sin \mathrm{\θ}+2P_x{P}_z{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2})N_z\\ N_y^{\′}=(P_z\sin \mathrm{\θ}+2P_x{P}_y{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2})N_x+(\cos \mathrm{\θ}+2P_y^2{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2})N_y\\ +(-P_x\sin \mathrm{\θ}+2P_y{P}_z{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2})N_z\\ N_z^{\′}=(-P_y\sin \mathrm{\θ}+2P_x{P}_y{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2})N_x+(P_x\sin \mathrm{\θ}+2P_y{P}_z{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2})N_y\\ +(\cos \mathrm{\θ}+2P_z^2{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2})N_z\end{array}\right.$

表示成矩阵形式为：

N′＝S_P，θN

其中S_P,θ表示绕P转动θ角的转动矩阵。

$S_{P,\mathrm{\θ}}=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\θ}+2P_x^2{\sin }^2\frac{2\mathrm{\θ}}{2}& -P_{z}sin\mathrm{\θ}+2P_x{P}_y{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}& P_{y}sin\mathrm{\θ}+2P_x{P}_z{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}\\ P_{z}sin\mathrm{\θ}+2P_x{P}_y{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}& cos\mathrm{\θ}+2P_y^2{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}& -P_{x}sin\mathrm{\θ}+2P_y{P}_z{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}\\ -P_{y}sin\mathrm{\θ}+2P_x{P}_z{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}& P_x\sin \mathrm{\θ}+2P_y{P}_z{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}& \cos \mathrm{\θ}+2P_z^2{\sin }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}\end{array}\right]$

可以证明S_P,θ是正交矩阵，且有

$S_{P,\mathrm{\θ}}=S_{P,-\mathrm{\θ}}^{-1}$

现假设法线矢量旋转时，坐标系Oxyz一起绕P旋转θ而成为坐标系，将旋转前的坐标系Oxyz改称为Ox_my_mz_m，Ox_fy_fz_f，则

(N′)_f＝S_P，θ(N）_f，(N)_f＝S_P，-θ(N′)_f

如果N先后绕矢量P₁，P₂……P_n分别旋转θ₁，θ₂……θ_n则最终得到的矢量N′表达式为：

$N^{\′}=S_{P_n,{\mathrm{\θ}}_n}{S}_{P_{n-1},{\mathrm{\θ}}_{n-1}}...S_{P_2,{\mathrm{\θ}}_2}{S}_{P_1,{\mathrm{\θ}}_1}N=\left(\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Π}}{S}_{P_{n-i},{\mathrm{\θ}}_{n-i}}\right)N$

因此，多次旋转后的坐标变换矩阵：

$G_{mf}=G_{fm}^{-1}=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Π}}{S}_{P_{n-i},{\mathrm{\θ}}_{n-i}}$

由于N′和Oxmymzm固定在一起旋转，因此，N′在Oxmymzm坐标系中的反射矩阵(R′)m在旋转过程中保持不变，等于N在Oxfyfzf,Oxyz中的反射矩阵(R)f，因此在Oxmymzm坐标系中光线的反射表示为:

(A′)_m＝(R′)_m(A)_m＝(R)_f(A)_m

即

${\left(A^{\′}\right)}_f=G_{mf}{\left(R\right)}_f{G}_{mf}^{-1}{\left(A\right)}_f$

于是得到反射镜经多次旋转后原坐标系中的反射光矢量表达式:

A′＝GRG^-1A

其中G为坐标变换矩阵:

$G=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Π}}{S}_{P_{n-i},{\mathrm{\θ}}_{n-i}}$

上式可以给出在卫星坐标系中入射和出射光矢量之间的关系，从而分析相机的二维指向特性。

Claims (1)

1.一种用于空间光学遥感仪器的两维指向机构，包括安装机座、方位轴驱动组件、俯仰轴驱动组件、指向镜组件,其特征在于：

所述的方位轴驱动组件包括伺服驱动电机、高精度编码器和谐波减速器；

所述的俯仰轴驱动组件包括伺服驱动电机、高精度编码器、谐波减速器和方位轴连接件；

方位轴与俯仰轴成θ角，θ角的大小与俯仰指向范围确定，方位轴驱动组件通过方位轴连接件安装在俯仰驱动组件的旋转轴上，指向镜组件安装在方位旋转轴上，指向镜镜面与方位轴成45°角；

伺服驱动电机根据负载大小乘以3倍的安全系数选取直流无刷电机、力矩电机或步进电机；高精度编码器根据不同光学遥感仪器的指向精度要求选用不同精度等级的光电码盘、感应同步器或旋转变压器；指向镜具有轻量化结构，材料根据遥感仪器光学设计需要选用碳化硅或金属铍。