CN105468032A - 一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构 - Google Patents

一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构 Download PDF

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Abstract

一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，包括主结构、探头组件(含探测器、探头电路板、镜座和光学系统)、辅助支撑组件(含支撑架、托环和压环)及电路单元；本发明采用双视场组合的方式；电路单元中，光电转换模块接收导航星光子，将其转换为模拟电压信号，输出到模数转换模块；DPU处理模块向光电转换模块和模数转换模块提供驱动信号；制冷模块产生控制电流，实现光电转换模块制冷；模数转换模块实现模拟电压信号到数字信号的转换，并将数字信号下传到DPU处理模块；DPU解算数字信号，输出航向和位置信息。本发明简化了结构形式，具有提高探头观测精度、安装误差可精确测量、提高探测灵敏度、提高星光定向仪导航精度等优点。

Description

一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构
技术领域
本发明涉及一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，即一种用于全天时星光导航的星光定向仪,属于导航控制技术领域。
背景技术
导航是将运载体按预定的计划与要求，从起始点引导到目的地的过程。用来完成上述引导任务的设备统称为导航系统。
现有的导航系统包括惯性导航(INS)、卫星导航、天文导航(CNS)、地形辅助导航(TAN)等，每一种导航方式均有其优势和不足。
天文导航是一种古老而又现代的导航方式，它通过光电探测设备实时检测星体，通过星图识别等处理可以解算航行体的位置与航向，是一种自主式被动无源的导航方法。
现有的一种星光定向仪采用单个探头，由于单个探头的小视场限制，导致探测到导航星的概率小，接收到的导航星光子数量少，探头的灵敏度低；
现有的另一种星光导航技术使用单探头结合伺服转动机构来规避太阳直射光和寻找导航星，但伺服转动机构限制了整机重量和功耗，使导航精度无法进一步提高，无法适应导航需求；
现有的星光定向仪采用分体式结构，电路单元与探头分离，数据处理速度低，长距离传输导致微弱信号衰减大，并导致星光定向仪结构重量高、体积大。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，通过双视场组合的方式提高了探头的灵敏度，并且两个探头之间夹角为90度，有利于提高探头观测到导航星的概率、增大探测到导航星光子的数量，从而提高观测精度。采用一体化电路单元提高数据处理速度，减小星光定向仪的体积，扩展星光定向仪的使用范围。本发明简化了结构形式，具有提高探头观测精度、安装误差可精确测量、提高探测灵敏度、提高星光定向仪导航精度等优点。
本发明解决的技术方案为：一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，包括主结构、探头组件、辅助支撑组件和电路单元；
星光定向仪选择近红外波段为探测波段；
所述主结构，为探头组件、辅助支撑组件和电路单元提供支撑固定；
所述探头组件共两套，彼此成180度对称分布，二者夹角为90度，仰角均为45度，分别指向不同天区；每套探头组件包括探测器、探头电路板、镜座和光学系统，镜座用于安装光学系统，镜座内表面黑色阳极氧化处理，使黑体发射系数εH≥0.85；光学系统安装于镜座前端，将导航星光子收集到探测器敏感面，探测器敏感导航星光子；
所述辅助支撑组件为光学系统提供辅助支撑；
所述电路单元包括二次电源模块、光电转换模块、模数转换模块、制冷模块和DPU处理模块；
二次电源模块为光电转换模块、模数转换模块、制冷模块和DPU处理模块供电；
光电转换模块在DPU处理模块所提供驱动信号控制下，接收探测器敏感的导航星光子，将这些导航星光子转换为模拟电压信号，输出到模数转换模块；
DPU处理模块向光电转换模块和模数转换模块提供驱动信号，基于PID控制算法产生数字控制量并提供给制冷模块；
制冷模块在DPU处理模块提供的数字控制量控制下，产生控制电流，并输出给光电转换模块的制冷器，实现光电转换模块制冷；
模数转换模块在DPU处理模块所提供驱动信号的控制下，实现来自光电转换模块的模拟电压信号到数字信号的转换，并将数字信号下传到DPU处理模块；
DPU处理模块采集模数转换模块输出的数字信号，对数字信号进行解算得到姿态信息，并接收外部惯导系统的姿态信息，通过坐标系转换可得出地理坐标系下星光定向仪所安装载体的航向信息，通过计算地心矢量在惯性坐标系的关系获得载体的地理位置，实现载体的全天时导航。
所述主结构具有两个夹角成90度的安装面，用于安装探头组件，保证两个探头组件的仰角均为45度，以提高探测到导航星的概率，降低海洋表面反射所引起杂散光造成的影响，提高导航精度。
所述探头组件的探测器为红外探测器，敏感红外波段0.94μm-1.7μm，以适应0.9μm～1.7μm的近红外探测波段和2MASS星表中J波段，即中心波长为1.2μm的导航星。
所述电路单元的DPU处理模块中，包括DSP芯片和存储器阵列，用FPGA实现，FPGA产生其他模块的控制信号，接收模数转换模块下传的数字信号，实现对外通讯和数据输出；DSP芯片处理数字信号并完成导航数据计算；存储器阵列存储星表文件、软件代码、程序运行的中间变量以及初始化配置参数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明创新设计了一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，通过分析星表和太阳散射光的强度，选择合适的视场和探头组件光轴方向，达到与伺服转动机构同样的效果，简化了结构形式，同时探头组件之间的夹角大，有利于提高探头组件观测精度和灵敏度；
(2)本发明提出的星光定向仪结构中，探头组件之间的位置关系通过主结构实现机械方式固定，每个探头组件均设置光学基准镜，安装误差可精确测量，为姿态计算提供补偿，提高导航精度；
(3)本发明针对2MASS星表中J波段的导航星，选择可敏感特定波长的红外探测器，保证导航星波段内较高的量子效率和满阱能力，提高探测到导航星的概率，使星光定向仪的精度更高；
(4)本发明的电路单元各个模块之间协同工作，完成信号采集、数据计算与输出，实现了高度一体化，有利于提高数据处理速度，扩大星光定向仪的适用范围。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2的(a)为本发明的探头组件示意图；(b)为本发明的探头组件示意图(剖视)；
图3为本发明的主结构(含探测器)示意图；
图4的(a)为本发明的两个探头组件之间的相对位置关系；(b)为本发明的探头组件仰角示意图；
图5为本发明的电路单元工作流程图；
图6为本发明的电路单元组成框图。
具体实施方式
本发明的基本思路为：一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，包括主结构1、探头组件(含探测器12、探头电路板13、镜座3和光学系统8)、辅助支撑组件(含支撑架5、托环7和压环6)及电路单元；本发明采用双视场组合的方式；电路单元中，光电转换模块接收导航星光子，将其转换为模拟电压信号，输出到模数转换模块；DPU处理模块向光电转换模块和模数转换模块提供驱动信号；制冷模块产生控制电流，实现光电转换模块制冷；模数转换模块实现模拟电压信号到数字信号的转换，并将数字信号下传到DPU处理模块；DPU解算数字信号，输出航向和位置信息。本发明简化了结构形式，具有提高探头观测精度、安装误差可精确测量、提高探测灵敏度、提高星光定向仪导航精度等优点。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
如图1和图2所示，本发明提出一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，包括主结构1、探头组件(含探测器12、探头电路板13、镜座3和光学系统8)、辅助支撑组件(含支撑架5、托环7和压环6)以及电路单元(含二次电源模块、光电转换模块、模数转换模块、制冷模块和DPU处理模块)；
如图1、图3、图4(a)和4(b)所示，主结构1具有两个成90度的安装面，用于安装探头组件，保证两个探头组件的仰角(观测高度角)均为45度，彼此之间成180度分布，提高探测到导航星的概率，提高导航精度，降低海洋表面反射引起的杂散光；观测的高度角越小，红外辐射在空气中经过的路径越长，透过率越低，同时地表反射光在空气中的散射越强，过低的观测角还存在大气折射的视差，当光轴方向与太阳直射方向夹角大于45度时，太阳直射光线可不考虑在内；辅助支撑组件包括支撑架5、托环7和压环6，为光学系统8提供辅助支撑，以减小其悬臂受力，保证导航精度；
如图2(a)和2(b)所示，每个探头组件包括一个探测器12和一个探头电路板13，探测器12为红外探测器，敏感红外波段0.94μm-1.7μm，粘接固定于主结构1上，粘接时须保证探测器12的敏感面与光轴垂直；光学系统8对应探测器12，通过镜座3安装于探测器前端，光学系统8的视场为1.5度圆视场，可实现6.5arcsec的瞬时视场(对角线)，满足总体探测信噪比要求；光学系统8的工作波段为0.8μm～1.7μm；镜座3为光学系统8提供安装接口，镜座3内表面需进行黑色阳极氧化处理，保证黑体发射系数εH≥0.85，以减小杂散光对探测器12的影响；
如图5所示，电路单元的工作流程为：电路初始化后，每个工作周期内，首先探头组件按照设定的时间进行图像积分，并在图像积分的中心时刻触发地平仪及惯导系统的下降沿，接收地平仪和惯导系统的数据，然后对探头组件下传的数字信号进行处理，从而完成星光定向仪的一个工作周期；整个工作周期合理设定曝光时间和接收地平仪与惯导系统数据的时刻，以实现工作流程的优化，提高处理效率；
如图6所示，电路单元包括二次电源模块、光电转换模块、模数转换模块、制冷模块和DPU处理模块；二次电源模块为光电转换模块、模数转换模块、制冷模块和DPU处理模块供电；光电转换模块在DPU处理模块所提供的驱动信号控制下，接收光学系统8收集的导航星光子，将其转换为模拟电压信号，输出到模数转换模块；DPU处理模块向光电转换模块和模数转换模块提供驱动信号，并对PID控制系统进行初始化，基于温度传感器采集的温度和PID控制策略，PID控制器的比例、积分、微分参数的取值范围分别为4～6、0.2～0.5和0.1～0.2，通过比较控制目标和实际温度值，计算采样偏差值和控制量增量，生成控制指令，并根据控制指令产生8位二进制数字控制量，8位二进制数字控制量采用串行输出，接口电路将其转化为8位并行数据，然后提供给制冷模块；制冷模块在DPU处理模块所提供的8位二进制数字控制量控制下，通过D/A转换将8位二进制数字控制量转化为-1.5A～+1.5A范围内的控制电流模拟量，并将控制电流模拟量输出给光电转换模块的制冷器，实现光电转换模块的制冷；模数转换模块在DPU处理模块所提供驱动信号的控制下，实现来自光电转换模块的模拟电压信号到数字信号的转换，并将数字信号下传到DPU处理模块；DPU处理模块采集模数转换模块输出的数字信号，利用现有星敏感器姿态解算quest算法对数字信号进行解算，当星点个数大于2时，可得出一个解，当星点个数等于2时，可得到两个姿态解，利用先验信息剔除一个解，从而得到载体坐标系相对于惯性坐标系的姿态，结合从外部惯导系统获得的先验姿态信息，通过坐标系转换将二者输出的姿态统一在载体坐标系相对于导航坐标系的姿态，得出地理坐标系下载体的航向信息；通过计算地心矢量在惯性坐标系的关系获得载体的地理位置；
实施例1
本发明全天时星光导航星光定向仪结构采用两个探头组件，探头组件彼此成180度对称分布，每个探头组件的仰角为45度，探头组件的工作波长范围为0.94μm～1.7μm，视场为1.5度圆视场，可以提高导航星的观测概率，探测器的帧频为20Hz，满阱能力为40000电子e-；星光定向仪结构的外包络尺寸L×W×H＝1064×302×640mm3，满足船舶等载体的需求；制冷模块的供电电压为5V，额定功率10W；光电转换模块和模数转换模块的供电电压为5V，额定功率5W；DPU处理模块的供电电压为3.3V，额定功率5W。经仿真计算，单个探头组件视场内具有2颗2MASS星表J波段6.5等导航星的概率为80％，星光定向仪的可实现的航向精度为20arcsec，位置精度为100m，相比于单探头星光定向仪，导航精度更高。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，其特征在于：包括主结构(1)、探头组件(3、8、12、13)、辅助支撑组件(5、6、7)和电路单元；
星光定向仪选择近红外波段为探测波段；
所述主结构(1)，为探头组件(3、8、12、13)、辅助支撑组件(5、6、7)和电路单元提供支撑固定；
所述探头组件(3、8、12、13)共两套，彼此成180度对称分布，仰角均为45度，分别指向不同天区；每套探头组件(3、8、12、13)包括探测器(12)、探头电路板(13)、镜座(3)和光学系统(8)，镜座(3)用于安装光学系统(8)，镜座(3)内表面黑色阳极氧化处理，使黑体发射系数εH≥0.85；光学系统(8)安装于镜座(3)前端，将导航星光子收集到探测器(12)敏感面，探测器(12)敏感导航星光子；
所述辅助支撑组件(5、6、7)为光学系统(8)提供辅助支撑；
所述电路单元包括二次电源模块、光电转换模块、模数转换模块、制冷模块和DPU处理模块；
二次电源模块为光电转换模块、模数转换模块、制冷模块和DPU处理模块供电；
光电转换模块在DPU处理模块所提供得驱动信号控制下，接收探测器(12)敏感的导航星光子，将这些导航星光子转换为模拟电压信号，输出到模数转换模块；
DPU处理模块向光电转换模块和模数转换模块提供驱动信号，基于PID控制算法产生数字控制量并提供给制冷模块；
制冷模块在DPU处理模块提供的数字控制量控制下，产生控制电流，并输出给光电转换模块的制冷器，实现光电转换模块制冷；
模数转换模块在DPU处理模块所提供驱动信号的控制下，实现来自光电转换模块的模拟电压信号到数字信号的转换，并将数字信号下传到DPU处理模块；
DPU处理模块采集模数转换模块输出的数字信号，对数字信号进行解算得到姿态信息，并接收外部惯导系统的姿态信息，通过坐标系转换可得出地理坐标系下星光定向仪结构所安装载体的航向信息，通过计算地心矢量在惯性坐标系中的位置和方向，获得载体的地理位置，从而载体的全天时导航。
2.根据权利要求1所述的一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，其特征在于：所述主结构(1)具有两个夹角成90度的安装面，用于安装探头组件(3、8、12、13)，保证两个探头组件(3、8、12、13)的仰角均为45度，以提高探测到导航星的概率，降低海洋表面反射所引起杂散光造成的影响，提高导航精度。
3.根据权利要求1所述的一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，其特征在于：所述探头组件的探测器(12)为红外探测器，敏感红外波段0.94μm-1.7μm，以适应0.9μm～1.7μm的近红外探测波段和2MASS星表中J波段，即中心波长1.2μm的导航星。
4.根据权利要求1所述的一种用于全天时星光导航的星光定向仪结构，其特征在于：所述电路单元的DPU处理模块中，包括DSP芯片和存储器阵列，用FPGA实现，FPGA产生其他模块的控制信号，接收模数转换模块下传的数字信号，实现对外通讯和数据输出；DSP芯片处理数字信号并完成导航数据计算；存储器阵列存储星表文件、软件代码、程序运行的中间变量以及初始化配置参数。
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