CN108759869A - 高精度星敏感器支架热变形试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高精度星敏感器支架热变形试验系统,包括温控系统和热变形测量系统,所述温控系统包括温度加载系统和温度测量系统,用于通过对加载温度载荷的反馈控制准确模拟星敏感器支架在轨温度场;所述的热变形测量系统采用基于光电自准直仪的测角系统,用于在规定的测量条件下对星敏感器基准棱镜的光轴矢量进行测量,利用基准棱镜光轴表征星敏感器指向角度,并经过数据分析处理获得星敏感器指向变化情况,验证星敏感器支架热稳定性设计的合理性。本发明解决了卫星星敏感器因支架热变形引发角秒级指向变化的高精度热变形地面验证试验需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种星敏感器支架试验系统,具体涉及一种高精度星敏感器支架热变形试验系统。
背景技术
近年来高分辨率对地观测需求呈现不断增长的态势,对光学遥感卫星的空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率及定位精度等提出了更高的要求。结构热变形是影响光学遥感卫星对地观测分辨率、定位精度的重要因素之一,卫星在轨运行时,有效载荷需满足较高指向精度要求,其适配支撑结构也需满足较高的在轨变形热稳定性要求。为保证有效载荷的正常工作和卫星性能指标的实现,必须对有效载荷的指向精度在地面设计、研制、试验等过程中进行控制和测试验证。
卫星星敏感载荷指向变化的热变形量级一般为几角秒至十几角秒,地球静止轨道卫星对星敏感器指向变化的稳定性要求甚至达到1角秒。在对星敏感器支架热稳定性设计进行地面验证试验时,传统的试验方法采用电子经纬仪建站测量星敏感器指向变化,操作比较复杂、测量环节较多,测量误差约±5″,不能满足角秒级星敏感器指向精度测试需求。
发明内容
本发明针对角秒级星敏感器支架热稳定性设计合理性验证需求,提供了一种高精度星敏感器支架热变形试验系统。
本发明通过以下技术方案实现:
高精度星敏感器支架热变形试验系统,包括温控系统和热变形测量系统,所述温控系统包括温度加载系统和温度测量系统,用于通过对加载温度载荷的反馈控制准确模拟星敏感器支架在轨温度场;
所述的热变形测量系统采用基于光电自准直仪的测角系统,用于在规定的测量条件下对星敏感器基准棱镜的光轴矢量进行测量,利用基准棱镜光轴表征星敏感器指向角度,并经过数据分析处理获得星敏感器指向变化情况,验证星敏感器支架热稳定性设计的合理性。
进一步地,所述温度加载系统采用电加热的方式模拟星敏感器支架的高温端的温度分布,包括:
安装在星敏感器安装面上的加热片,通过选择不同的加热片和加热功率来模拟星敏感器安装面的在轨温度变化;
粘贴在支架导热板背面的热沉,通过流体回路冷却的方法对星敏感器支架的低温端的温度分布进行有效模拟。
进一步地,所述温度测量系统选用灵敏度高、稳定性好、热惯性小的温度传感器;温度反馈控制为闭环自动控制,采用PID控制算法对星敏感器安装面或者星敏感器支架的热沉进行温度加载控制,精密控温精度可以达到±0.2℃。
进一步地,所述热变形测量系统通过以下步骤完成指标的解算:
设置星敏感器基准棱镜的坐标系与星敏感器坐标系保持一致,利用基准棱镜光轴表征星敏感器指向角度;基准棱镜光轴为三维矢量,需要两台光电自准直仪分别测量星敏感器基准棱镜两个正交方向矢量的俯仰角和偏转角进行测量,再通过数学表达式描述出棱镜光轴矢量在星敏感器局部坐标系的表示,进而推导出星敏感器基准棱镜单位矢量在卫星坐标系下的表示,最后再根据热变形指标定义解算星敏感器指向夹角或欧拉角变化情况
本发明具有以下有益效果:
(1)基于PID算法的精密温控系统能够对星敏感器支架的在轨温度分布进行有效模拟;基于光电自准直仪的测角系统具有非接触、精度高、自动化程度高等优点。所述的星敏感器支架热变形试验系统充分考虑了环境条件、试验工装、配套附件等误差项影响,有效可行。
(2)在规定的测量条件下,环境条件引入的测量误差小于0.2″;光电自准直仪在中心视场附近进行测量,测量精度优于0.2″;环境温度变化不超过1℃时,试验工装在试验过程中具有较小的变形量,误差小于0.1″。综合考虑,通过合理配置,所述的星敏感器支架热变形试验系统测试精度优于0.3″,能够满足角秒级(1″)星敏感器指向变化测试需求,其他角秒级角度测量需求也可借鉴。
附图说明
图1为星敏感器支架热变形试验状态示意图。
图2为光电自准直仪测量原理示意图。
图3为星敏感器指向热变形指标解算流程示意图。
图4为本发明实施例高精度星敏感器支架热变形试验系统的工作流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施作详细说明,实施具体步骤以本发明技术方案为前提下进行,这里给出详细的实施方式和具体的操作过程。
如图1所示,本发明实施例提供了一种高精度星敏感器支架热变形试验系统,包括温控系统和热变形测量系统,所述温控系统包括温度加载系统和温度测量系统,用于通过对加载温度载荷的反馈控制准确模拟星敏感器支架在轨温度场;所述的热变形测量系统采用基于光电自准直仪的测角系统,用于在规定的测量条件下对星敏感器基准棱镜的光轴矢量进行测量,利用基准棱镜光轴表征星敏感器指向角度,并经过数据分析处理获得星敏感器指向变化情况,验证星敏感器支架热稳定性设计的合理性。具体的:
温度加载系统
一般情况下,采用电加热的方式模拟星敏感器支架的高温端的温度分布,在星敏感器安装面上安装加热片,通过选择不同的加热片和加热功率来模拟星敏感器安装面的在轨温度变化;在常温常压情况下,将热沉粘贴在支架导热板背面,通过流体回路冷却的方法对星敏感器支架的低温端的温度分布进行有效模拟。
温度测量系统
温度测量系统选用灵敏度高、稳定性好、热惯性小的温度传感器。常用的传感器是热电偶,精密控温时可选用热敏电阻、铂电阻等温度传感器。
温度反馈控制为闭环自动控制,采用PID控制算法对星敏感器安装面或者星敏感器支架的热沉进行温度加载控制,精密控温精度可以达到±0.2℃。
所述热变形测量系统的测量原理为:
典型的光电自准直仪结构如图2所示。分划板和光电传感器位于物镜的两个共轭焦平面上。当平行光束投射到几乎与射束轴垂直的反射镜上时,十字线图像将处于CCD中心位置附近,如果此时将反射镜倾斜某个角度α,则反射像会相对原始位置侧向偏移位移d,偏移量d是倾斜角α和物镜焦距f的函数:
d=2α×f
通过CCD测出偏移量d后,便可计算得出倾斜角α。
所述热变形测量系统通过以下步骤完成指标解算:
设置星敏感器基准棱镜的坐标系与星敏感器坐标系保持一致,利用基准棱镜光轴表征星敏感器指向角度。基准棱镜光轴为三维矢量,需要两台光电自准直仪分别测量星敏感器基准棱镜两个正交方向矢量的俯仰角和偏转角进行测量,再通过数学表达式描述出棱镜光轴矢量在星敏感器局部坐标系的表示,进而推导出星敏感器基准棱镜单位矢量在卫星坐标系下的表示,最后再根据热变形指标定义解算星敏感器指向夹角或欧拉角变化情况,具体流程见图3。
如图4所示,本具体实施使用时,包括如下步骤:
1.在恒温间建立星敏感器支架热变形试验状态,确认参试产品状态及试验设备、工装配套等。
2.温控系统工作,按照目标温度对星敏感器支架进行温度场加载。
3.温度平衡(温度测点变化不超过0.5℃/小时)后,在规定的测量条件下,利用光电自准直仪测量星敏感器基准棱镜角度变化,经过指标解算获得星敏感器指向变化情况。
试验系统有效性分析,进行测量系统不确定度评估及试验有效性评价。
1.试验状态建立
在恒温间内建立星敏感器支架热变形试验状态,如图1所示。星敏感器支架与支撑工装之间采用采用隔热安装,再一体安装在光学隔振平台上;基于光电自准直仪的测角系统与安装支撑固定连接,并一体安装在光学隔振平台上。
(1)产品状态
试验产品包括星敏感器支架以及星敏感器结构件/模拟件。热变形试验时,可采用星敏感器结构件,或者选用钛合金材料设计星敏感器模拟件(模拟星敏感器刚度特性及底面安装特性),再隔热安装在星敏感器支架上,并提供与基准棱镜的安装接口。
(2)试验工装
试验工装(含星敏感器支架支撑、测角系统安装支撑等)采用低热膨胀系数材料设计,并具有较大刚度,使试验工装在试验过程中具有较小的变形量。另外,通过外贴热电偶和布置千分表监测点的方式,对试验工装的温度特性和变形情况进行监测。
2.测量条件
环境温度、湿度、空气扰动,设备预热时间,台面支撑,棱镜附件等均会对试验结果产生影响,试验过程中,测量条件如下:
环境温度:20±3℃,温度波动小于1℃;
相对湿度:45%~65%;
热变形测量时,空调关闭,照明关闭,禁止人员走动或大声喧哗;
自准直仪在环境条件下放置至少12个小时,再通电预热4小时,才能进行正式测试;
参试产品和测量设备均放置在光学隔振平台;自准直仪与基准棱镜之间的距离应近可能短,以减小空气扰动的影响并提供最大的测量范围。
基准棱镜采用高纯石英玻璃设计,底座为殷钢材料,棱镜镜面的反射率≥95%(λ=450nm~750nm);面型精度RMS≤0.03λ。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (4)
1.高精度星敏感器支架热变形试验系统,包括温控系统和热变形测量系统,其特征在于:
所述温控系统包括温度加载系统和温度测量系统,用于通过对加载温度载荷的反馈控制准确模拟星敏感器支架在轨温度场;
所述的热变形测量系统采用基于光电自准直仪的测角系统,用于在规定的测量条件下对星敏感器基准棱镜的光轴矢量进行测量,利用基准棱镜光轴表征星敏感器指向角度,并经过数据分析处理获得星敏感器指向变化情况,验证星敏感器支架热稳定性设计的合理性。
2.如权利要求1所述的高精度星敏感器支架热变形试验系统,其特征在于,所述温度加载系统采用电加热的方式模拟星敏感器支架的高温端的温度分布,包括:
安装在星敏感器安装面上的加热片,通过选择不同的加热片和加热功率来模拟星敏感器安装面的在轨温度变化;
粘贴在支架导热板背面的热沉,通过流体回路冷却的方法对星敏感器支架的低温端的温度分布进行有效模拟。
3.如权利要求1所述的高精度星敏感器支架热变形试验系统,其特征在于,所述温度测量系统选用灵敏度高、稳定性好、热惯性小的温度传感器;温度反馈控制为闭环自动控制,采用PID控制算法对星敏感器安装面或者星敏感器支架的热沉进行温度加载控制,精密控温精度可以达到±0.2℃。
4.如权利要求1所述的高精度星敏感器支架热变形试验系统,其特征在于,所述热变形测量系统通过以下步骤完成指标的解算:
设置星敏感器基准棱镜的坐标系与星敏感器坐标系保持一致,利用基准棱镜光轴表征星敏感器指向角度;基准棱镜光轴为三维矢量,需要两台光电自准直仪分别测量星敏感器基准棱镜两个正交方向矢量的俯仰角和偏转角进行测量,再通过数学表达式描述出棱镜光轴矢量在星敏感器局部坐标系的表示,进而推导出星敏感器基准棱镜单位矢量在卫星坐标系下的表示,最后再根据热变形指标定义解算星敏感器指向夹角或欧拉角变化情况。
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