CN108663137B - 一种星敏感器温场测量和指向温漂补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种星敏感器温场测量和指向温漂补偿方法，包括步骤如下：一，计算得到若干组在星敏感器在设定工作温度场分布下的光轴漂移量和热离焦量；二，根据步骤一计算结果，确定能够敏感到光轴漂移量和热离焦量的最少的测温点数量和测温点分布；三，根据步骤一所建模型和步骤二确定的测温点布局预设若干加热器，并计算分析确定控温点数量和分布；四，得到若干相似温度场样本区域的光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式，解算出温度场变化当前值的光轴漂移量和热离焦量；五，通过温场试验标定对步骤四的光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式进行校正；六，计算星敏感器光轴指向的测量数据补偿量。本发明降低了星敏感器光轴热漂移带来的低频率误差。

Description

一种星敏感器温场测量和指向温漂补偿方法

技术领域

本发明涉及一种星敏感器全局温度测量与控制方法，属于空间姿态测量星敏感器设计领域。

背景技术

据已有文献，目前星敏感器克服热影响的方法主要是从无热化设计和控制加热点温度来实现的。

无热化设计主要是针对星敏感器的光学系统或者安装支架开展温度变化情况的星点成像质量稳定性设计。具体而言，光学系统和光学结构具有热胀冷缩效应，因此会使光学零件和结构零件发生变形和光学材料热光学常数的变化，从而导致光学成像质量发生变化，主要表现在热离焦和像的热漂移。热设计的目标就是将这种变化尽量消除或者将这种变化带来的效果减小。

国内学者对于星敏感器热设计和分析已经有研究，如张彧等在《航天环境工程》2016年Vol.33,No.5发表的“环月轨道一体式星敏感器热设计及仿真验证”一文中计算了空间轨道上一体式星敏感器的热外流分布，提出了控制星敏感器工作温度的热控方案，是通过外部包覆和涂热热控漆结合进行热控，设计了一个星敏感器光学系统。闫佩佩和樊学武在《激光与光电子学进展》48，0922202期发表了“大相对孔径甚高精度星敏感器设计”一文，考虑了消热差和抗离焦性能，以保证热环境下的工作性能。国外学者很少专门发表文章讨论这个问题，但在关于星敏感器设计的文章中所提到的热设计也和国内学者采用的方法类似。

由上可见，现有技术对于星敏感器的热环境引起的性能变化通过自身热设计和被动热控解决，对于残存的热差是没有办法消除的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有星敏感器技术中在轨热光轴漂移无法校正的不足，提出一种星敏感器温场测量和指向温漂补偿方法，降低了星敏感器光轴热漂移带来的低频率误差，提高星敏感器的测量精度。

本发明的技术解决方案是：一种星敏感器温场测量和指向温漂补偿方法，包括步骤如下：

步骤一，建立星敏感器光学系统、机械结构和电热器件的三维结构模型和热有限元分析模型，计算热分布对像面离焦和光轴漂移量影响，得到若干组在星敏感器在设定工作温度场分布下的光轴漂移量和热离焦量；

步骤二，根据步骤一计算结果，确定能够敏感到光轴漂移量和热离焦量的最少的测温点数量和测温点分布；

步骤三，根据步骤一所建模型和步骤二确定的测温点布局预设若干加热器，并计算分析确定控温点数量和分布；控温点数量和分布的确定原则是以最少的控温点平衡星敏感器温度梯度，达到设计温度场范围；将控温系统控温后的温度场测量结果作为补偿光轴漂移和像面离焦的计算输入；

步骤四，对步骤一中获得的若干组在星敏感器在设定工作温度场分布下的光轴漂移量和热离焦量进行数学拟合，得到若干相似温度场样本区域的光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式；当温度场发生变化时，利用上述光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式，解算出温度场变化当前值的光轴漂移量和热离焦量；

步骤五，通过温场试验标定对步骤四的光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式进行校正，得到符合实际温度场变化的光轴漂移和离焦量数学拟合公式；

步骤六，将星敏感器温度场测量实际值代入步骤五中获得的符合实际温度场变化的光轴漂移和离焦量数学拟合公式，计算出实际的光轴漂移和离焦量作为星敏感器光轴指向的测量数据补偿量。

所述测温点上布置测温传感器，测温传感器采用分布式光纤光栅温度传感器；所述控温点上布置加热器，加热器采用加热电阻。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明改进了现有技术仅对几个特征测温点进行测量的问题，本发明对于全局温度场进行测量，可以在轨得到温度场对于光轴漂移和像面离焦量的计算值，从而有办法进行补偿。

(2)现有技术温度测量传感器一把采用热敏电阻等电子器件，本发明采用分布式光纤光栅温度传感器，其优势在于没有传感器导线电缆的捆扎和走线繁复，避免了现有技术光学零件温度测量点不能嵌入光学零件之中的问题。

(3)现有技术在星敏感器无热化设计之后温度场失稳导致的光轴温度漂移和像面离焦量无可奈何，本发明提供了温场影响建模补偿的方法，使得星敏感器姿态测量精度大大提高。

(4)依赖本发明技术可以达到星敏感器在轨自动温控的实现，在轨温控的残留量，可以借助星上模型或者下传地面进行光学系统性能变化的计算估计，得到的热离焦和热漂移直接用来校正星图指向。

(5)本发明的方法可与卫星控制系统形成大回路的验证，再根据大回路的验证结果，调整温场模型。

附图说明

图1星敏感器热控方法功能流程框图。

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本发明进行说明。

如图1所示，一种星敏感器温场测量和指向温漂补偿方法，步骤如下：

步骤一，建立星敏感器光机结构和电热器件的三维结构造型和热有限元分析模型，建立热分布对于像面离焦和光轴漂移量影响计算模型，可以得到在星敏感器某工作温度场分布下的光轴漂移量和热离焦量，如此计算大量的温度场分布对应的光轴漂移和热离焦量。

步骤二，根据步骤一计算结果，优化确定能够敏感到光轴漂移量和离焦量的最少的测温点数量和分布。

步骤三，控温点数量和分布的确定是以步骤一所建模型和步骤二测温点布局预设若干加热器后进行计算分析确定的，原则是以最少的控温点快速平衡星敏感器温度梯度，达到设计温度场范围。控温系统加热控温后温度场测量结果作为补偿光轴漂移和像面离焦的计算输入。由步骤四以后步骤完成光轴漂移和像面离焦的补偿。

步骤四，对于大量的温度场分布对应的光轴漂移和离焦量进行数学拟合，得到若干相似温度场样本区域的光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式，温度场发生变化时，可用上述数学拟合公式解算出温度场变化当前值的光轴漂移量和热离焦量。

步骤五，通过温场试验标定对步骤四的数学拟合公式进行校正，得到符合实际温度场变化的光轴漂移和离焦量数学拟合公式。

步骤六，建立温度场分布对应光轴漂移和像面离焦量之间的关系数据库。数据库包括有限数量的离散温度场测温点温度分布与由每个温度场分布带来的光轴偏移量和像面离焦量，还包括离散温度场之间的非测温区域的拟合计算公式。

步骤七，将星敏感器温度场测量实际值代入光轴漂移和离焦量数学拟合公式计算出实际的光轴漂移和离焦量，作为星敏感器光轴指向的测量数据补偿量。

测温点布置测温传感器，测温传感器一般采用分布式光纤光栅温度传感器，这种传感器在一根光纤上可以制作串行的多个测量传感器。控温点布置加热器，所采用加热器一般采用加热电阻，也可以采用其它类型传感器测温和其它加热器加热，原则上均与被测体嵌入贴合。

本发明凭借星敏感器全局温场测量和热模型计算的方法，建立了星敏感器温场与性能(光轴漂移和像面离焦量)的数据库，数据库包含了工作温度范围内大量温场与性能模型计算与标定后的数据，同时还包含了未测量温场的插值拟合计算公式，这就为在轨实时补偿光轴漂移和像面离焦量创造了条件，这也是现有技术没有的技术方案。这种补偿量可以在轨实时进行，或者将温场测量值传回地面进行精细化处理，得到更加精准的补偿量，对于摄影测量测绘遥感相机而言是非常有效的一种定位精度提高手段。

实施例：

已知一个星敏感器主要技术指标如下：

精度：0.3″(3σ)，光轴指向；σ为标准方差；

2″(3σ)，垂直光轴指向；

0.3″(3σ)(温度场变化的热光轴最大漂移)；

焦距：300mm

视场：2.2°(圆视场)

数据更新率：≥50Hz

重量：不超过5Kg

按照本发明，该星敏感器的热控方法如下：

步骤一，首先采用商业化专业软件，Sol idEdge、Nastran、Patran等建立星敏感器光机结构的三维图，按照能够表征光学系统成像性能变化的星敏感器光机和电路设计结果建立热分析有限元模型，采用成熟的热分析商业设计软件如Nastran、Ansys或者Ideas等，进行星敏感器整机热变形分析，得到光学零件表面形状和零件之间相对位置的变化量；再将这些变化量转化到成熟的光学设计软件如美国ORA公司的CODE-V，OPTOTek公司的ZEMAX等所能接受的数据格式，代入光学系统设计数据参数中，同时将温度场作用下的透射光学零件材料的热光学常数分布和折射率、阿贝数变化后的值代入光学系统设计数据参数中，重新评价光学系统的质量，就可以得到某种温度常下的像面离焦和光轴漂移量。

步骤二，基于所建立的结构模型和热有限元分析模型，首先按照星敏感器光机结构中光学零组件和焦平面组件实际构型设置测温点布局，如反射镜片可以在背面嵌入温度测量传感器，与镜体合二为一，利于测温点真实表征镜体温度。再如对于透镜，可在镜片外圆抠槽埋设测温传感器，也是为了达到测温点传感器能够真实表征镜片本身温度。全局结构上可以布置若干温度传感器，在光学零件上、结构上、安装基座上、探测器安装座上分别选择测温点安置测温传感器，以稀疏的测温点分布表征星敏感器全局温度场，以测量整机环境下星敏感器的温度分布，测温点的数量确定原则是用最少的测温点数覆盖整机全局温度场的测量，在温度场中相邻测温点温差在0.1℃～0.3℃时可以得到光轴漂移和离焦量达到要求的灵敏度，比如光轴漂移的灵敏度(如0.1″)和像面离焦灵敏度(如10μm)。

首先在结构允许情况下尽可能多设，满足原则后再逐渐减少，直到刚好满足原则要求，此时的测温点数量和布局即是星敏感器全局测温点布局方案。建模时测温点处测温传感器与结构本体之间按照贴合安置方式，采用环氧树脂胶固定。按照测温点传感器固定方式热计算建模，理论上预设温度场各个测温点温度示值，不同的温度场预设方式可以随着星敏感器的结构构型和光学系统构型确定，采用多种预设方法，如可以沿着光轴方向增减，沿着垂直于光轴方向增减，以光轴为轴沿着360°圆周的各个方位角增减，尽可能涵盖可能发生的各种温度分布情形。

步骤三，依据步骤一所建结构和热分析模型，以及依据步骤二测温点布局，预设若干加热器后进行计算分析，控温点预设布局可以按照测温点布局进行，也可以去掉一些加热后对于全局温度场变化不敏感的加热点，加热点的功能通过加热器加热调整温度场中温度变化剧烈的测温点区域，使整个星敏感器全局温度场控制在测温点示值预设范围内，如此则可以利用步骤五补偿公式进行所测量补偿。

步骤四，按照步骤二确定的测温点数量和布局，预设好温度场的种种温度分布，分别计算出对应的光轴漂移量和像面离焦量，总结拟合相邻测温点之间光轴漂移量和像面离焦量的插值公式，作为实际测量时补偿计算的公式。

步骤五，步骤四得到的公式需在试验中进行标定，标定方法如下：把星敏感器放在真空罐中，星敏感器周围安置热沉以制造不同的温度场分布，真空罐具有光学窗口和密封穿罐过度接插件，可以将星敏感器模拟器的星光照射进星敏感器，在星敏感器焦平面成像，视频采集电路采集图像由穿罐接插件导出罐外，有计算机存储与处理，通过星敏感器模拟器的星点像处理出星点的像面坐标，由于真空罐内热沉的升温变化导致测温点温度变化，进而导致星点的像面坐标的漂移，这也就是代表光轴热漂移，同时由星点弥散斑的变化，加之光学系统的设计参数分析，可以判定像面离焦量。与理论建模分析的结果相比较，即可得到插值拟合公式的修正量。

步骤六，在星敏感器工作温度范围内，按照步骤二产生离散温度场的方法，产生大量的温度场计算样本，然后对应每种温度场进行计算光轴漂移量和像面离焦量，并且经过步骤五的标定，获得相邻温度场之间温度分布场的光轴漂移量和像面离焦量计算插值公式，作为数据库原始数据。构成数据库。

步骤七，当星敏感器在轨运行时，由于轨道上热外流的交替变化导致星敏感器温度场的交替变化，从而导致光轴漂移和离焦量的变化，此时调用步骤六数据库，将星敏感器温度场测量实际值代入光轴漂移和离焦量数学拟合公式计算出实际的光轴漂移和离焦量，作为星敏感器光轴指向的测量数据补偿量。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种星敏感器温场测量和指向温漂补偿方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一，建立星敏感器光学系统、机械结构和电热器件的三维结构模型和热有限元分析模型，计算热分布对像面离焦和光轴漂移量影响，得到若干组在星敏感器在设定工作温度场分布下的光轴漂移量和热离焦量；

步骤二，根据步骤一计算结果，确定能够敏感到光轴漂移量和热离焦量的最少的测温点数量和测温点分布；测温点上布置测温传感器；

步骤三，根据步骤一所建模型和步骤二确定的测温点分布预设若干加热器，并计算分析确定控温点数量和分布，控温点预设布局可以按照测温点布局进行，也可以去掉一些加热后对于全局温度场变化不敏感的加热点；控温点数量和分布的确定原则是以最少的控温点平衡星敏感器温度梯度，达到设计温度场范围，在上述确定的控温点上布置加热器；将控温系统加热控温后的温度场测量结果作为补偿光轴漂移和像面离焦的计算输入；

步骤四，对步骤一中获得的若干组在星敏感器在设定工作温度场分布下的光轴漂移量和热离焦量进行数学拟合，得到若干相似温度场样本区域的光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式；当温度场发生变化时，利用上述光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式，解算出温度场变化当前值的光轴漂移量和热离焦量；

步骤五，通过温场试验标定对步骤四的光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式进行校正，得到符合实际温度场变化的光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式；

步骤六，将星敏感器温度场测量实际值代入步骤五中获得的符合实际温度场变化的光轴漂移量和热离焦量数学拟合公式，计算出实际的光轴漂移量和热离焦量作为星敏感器光轴指向的测量数据补偿量。

2.根据权利要求1所述的一种星敏感器温场测量和指向温漂补偿方法，其特征在于，所述测温传感器采用分布式光纤光栅温度传感器；所述加热器采用加热电阻。