CN109856614B - 星载激光雷达光轴指向测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星载激光雷达光轴指向测量系统，包括卫星平台(100)、激光雷达头部(200)、变形监测单元(300)以及多头星敏组件(400)；所述卫星平台(100)设置在激光雷达头部(200)的底部；所述变形监测单元(300)、多头星敏组件(400)均设置在激光雷达头部(200)上方；其中，所述变形监测单元(300)设置在多头星敏组件(400)的任一侧。本发明提供的星载激光雷达光轴指向测量系统通过高精度惯性测量设备、高稳定度安装基准及高精度结构变形监测设备的综合布局，实现了激光雷达光轴指向的星上高精度自标定，有效提升光轴指向的测量确定精度。

Description

星载激光雷达光轴指向测量系统

技术领域

本发明属于星载测量系统领域，具体地，涉及一种星载激光雷达光轴指向测量系统。

背景技术

随着对地遥感定量化和精细化观测需求的发展升级，主动探测星载激光雷达应用越来越广泛，对卫星平台能源、热控及姿态等保障能力要求越来越高。对于大气环境探测类星载激光雷达，主要是发射主动激光，然后接收回波信号能量以实现目标观测，而不进行成像探测。因此，大气环境探测类激光雷达卫星无法利用地标通过图像配准实现激光雷达的光轴指向校准，这对卫星姿态测量精度保证提出了更高的要求。目前，该姿态测量系统布局已应用在国家民用空间基础设施大气环境监测领域相关卫星型号中。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载激光雷达光轴指向测量系统。

根据本发明提供的一种星载激光雷达光轴指向测量系统，包括卫星平台、激光雷达头部、变形监测单元以及多头星敏组件；

所述卫星平台设置在激光雷达头部的底部；

所述变形监测单元、多头星敏组件均设置在激光雷达头部上方；

其中，所述变形监测单元设置在多头星敏组件的任一侧。

优选地，所述多头星敏组件包括多头星敏机构、星敏支架以及支架外罩；

所述变形监测单元朝向星敏支架的-X面方向设置在星敏支架内；

所述多头星敏机构朝向星敏支架的+X面方向设置在星敏支架内；

所述支架外罩设置在星敏支架的外部。

优选地，所述多头星敏机构包括第一星敏、第二星敏以及第三星敏；

所述第一星敏、第二星敏以及第三星敏这三者的探测光轴均朝向卫星+Y面；

所述探测光轴之间形成预设角度；

所述第一星敏、第二星敏以及第三星敏均设置在星敏支架内。

优选地，所述星敏支架包括支架本体、测量棱镜以及星敏支架加热器；

所述测量棱镜设置在变形监测单元上；

所述星敏支架加热器设置在支架本体上。

优选地，所述支架外罩包括框架、隔热多层板、散热板以及支架外罩加热器；

所述隔热多层板、散热板以及支架外罩加热器均设置在框架上；

所述隔热多层板朝向卫星-Y面设置在第二星敏的一侧；

所述散热板朝向卫星+Y面设置在第一星敏与第三星敏之间；

所述支架外罩加热器设置在散热板的任一侧；

优选地，所述变形监测单元包括光纤、激光出射头、合束棱镜以及折转镜；

所述激光出射头的射头朝向合束棱镜；

所述激光出射头的输出端与光纤相连接；

所述激光出射头的数量为多个；

多个所述激光出射头环绕设置在合束棱镜外侧；

所述折转镜设置在合束棱镜的下方；

所述合束棱镜、测量棱镜构成一个整体。

优选地，所述激光雷达头部包括精度基准板、望远镜、后端处理设备、低能量激光器以及望远镜变形监测用镜组；

所述星敏支架及支架外罩均与精度基准板相接触；

所述望远镜沿OZ方向设置在精度基准板的一侧；

所述多头星敏组件、后端处理设备、低能量激光器以及望远镜变形监测用镜组均沿OX方向设置在精度基准板的另一侧；

所述望远镜变形监测用镜组安装在望远镜上；

其中，所述后端处理设备、低能量激光器以及望远镜变形监测用镜组均设置在多头星敏组件的周围。

优选地，所述支架外罩与星敏支架之间活动连接。

优选地，所述星敏支架的星敏安装面法向与所述多头星敏机构对应星敏的探测光轴的指向方向相同。

优选地，所述第一星敏、第二星敏以及第三星敏这三者分别沿这三者相对应的探测光轴方向从与这三者位置对应的框架所在的平面穿出。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的星载激光雷达光轴指向测量系统通过高精度惯性测量设备、高稳定度安装基准及高精度结构变形监测设备的综合布局，实现了激光雷达光轴指向的星上高精度自标定，有效提升光轴指向的测量确定精度。

2、本发明提供的星载激光雷达光轴指向测量系统通过星敏支架与支架外罩的分离组合构型，实现了机械变形的高低要求隔离及热控要求分级，有效降低环境保障实施难度。

3、本发明提供的星载激光雷达光轴指向测量系统通过星敏支架测量棱镜与变形监测单元合束棱镜的一体化设计，实现装星测量基准与星上在轨变形测量基准统一，有效减少误差传递环节。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的星载激光雷达光轴指向测量系统的整体结构示意图。

图2为本发明提供的星载激光雷达光轴指向测量系统的星载激光雷达光轴指向测量系统的结构示意图。

图3为本发明提供的星载激光雷达光轴指向测量系统的多头星敏组件及变形监测单元的结构示意图。

图4为本发明提供的星载激光雷达光轴指向测量系统的星敏支架及变形监测单元的结构示意图。

下表为说明书附图中的各个附图标记的含义：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种星载激光雷达光轴指向测量系统，包括卫星平台100、激光雷达头部200、变形监测单元300以及多头星敏组件400；所述卫星平台100设置在激光雷达头部200的底部；所述变形监测单元300、多头星敏组件400均设置在激光雷达头部200上方；其中，所述变形监测单元300设置在多头星敏组件400的任一侧。

所述多头星敏组件400包括多头星敏机构410、星敏支架440以及支架外罩450；所述变形监测单元300朝向星敏支架440的-X面方向设置在星敏支架440内；所述多头星敏机构410朝向星敏支架440的+X面方向设置在星敏支架440内；所述支架外罩450设置在星敏支架440的外部。

所述多头星敏机构410包括第一星敏411、第二星敏412以及第三星敏413；所述第一星敏411、第二星敏412以及第三星敏413这三者的探测光轴均朝向卫星+Y面；所述探测光轴之间形成预设角度；所述第一星敏411、第二星敏412以及第三星敏413均设置在星敏支架440内。

所述星敏支架440包括支架本体441、测量棱镜442以及星敏支架加热器443；所述测量棱镜442设置在变形监测单元300上；所述星敏支架加热器443设置在支架本体441上。

所述支架外罩450包括框架451、隔热多层板452、散热板453以及支架外罩加热器454；所述隔热多层板452、散热板453以及支架外罩加热器454均设置在框架451上；所述隔热多层板452朝向卫星-Y面设置在第二星敏412的一侧；所述散热板453朝向卫星+Y面设置在第一星敏411与第三星敏413之间；所述支架外罩加热器454设置在散热板453的任一侧；

所述变形监测单元300包括光纤310、激光出射头320、合束棱镜330以及折转镜340；所述激光出射头320的射头朝向合束棱镜330；所述激光出射头320的输出端与光纤310相连接；所述激光出射头320的数量为多个；多个所述激光出射头320环绕设置在合束棱镜330外侧；所述折转镜340设置在合束棱镜330的下方；所述合束棱镜330、测量棱镜442构成一个整体。

所述激光雷达头部200包括精度基准板210、望远镜220、后端处理设备230、低能量激光器240以及望远镜变形监测用镜组250；所述星敏支架440及支架外罩450均与精度基准板210相接触；所述望远镜220沿OZ方向设置在精度基准板210的一侧；所述多头星敏组件400、后端处理设备230、低能量激光器240以及望远镜变形监测用镜组250均沿OX方向设置在精度基准板210的另一侧；其中，所述后端处理设备230、低能量激光器240以及望远镜变形监测用镜组250均设置在多头星敏组件400的周围。

所述支架外罩450与星敏支架440之间活动连接。

所述星敏支架440的星敏安装面法向与所述多头星敏机构410对应星敏的探测光轴的指向方向相同。

所述第一星敏411、第二星敏412以及第三星敏413这三者分别沿这三者相对应的探测光轴方向从与这三者位置对应的框架451所在的平面穿出。

所述卫星平台100优选地为安装板，所述星敏支架440的材料优选地采用低热变形高热传导材料；所述星敏支架440的多头星敏机构410及变形监测单元300的安装面均设置有加热器443，以保证星敏支架严苛的热梯度及稳定性要求。

下面对本发明提供的星载激光雷达光轴指向测量系统进行进一步说明：

如图1至图4所示，在精度基准板210上设置三维直角坐标系OXYZ，其中，OX、OY、OZ分别为OXYZ的三个坐标轴，OX的正轴向指向卫星飞行方向，OZ的正轴向指向卫星对地面，根据右手坐标系，则OY的正轴向指向卫星背阳面；其中，垂直于OX坐标轴的平面为X面；X面的法向与OX方向一致的为+X面，X面的法向与OX方向相反的为-X面；垂直于OY坐标轴的平面为Y面，Y面的法向与OY方向一致的为+Y面，Y面的法向与OY方向相反的为-Y面；垂直于OZ坐标轴的平面为Z面，Z面的法向与OZ方向一致的为+Z面，Z面的法向与OZ方向相反的为-Z面；同时,在星敏支架440上也设置三维直角坐标系O₁X₁Y₁Z₁，坐标系O₁X₁Y₁Z₁与坐标系OXYZ对应坐标轴方向一致。

本发明提供的星载激光雷达光轴指向高精度测量系统，优选地适用于太阳同步轨道卫星，所述第一星敏411、第二星敏412以及第三星敏413构成高精度卫星姿态测量装置；所述星敏支架440、支架外罩450构成高稳定度安装基准；通过变形监测单元300实现激光雷达头部200的望远镜220与星敏支架440之间的实时变形监测。其中，望远镜220安装在精度基准板210的正面，即，所述望远镜220沿OZ方向设置在精度基准板210的一侧；望远镜220上安装有变形监测用镜组250，后端处理设备230及低能量激光器240等安装在精度基准板210的背面，即，精度基准板210的另一侧；低能量激光器240生成用于变形监测的主动激光；所述特定构型的星敏支架440及支架外罩450直接安装在精度基准板210的背面特定位置，星敏支架440上安装多头星敏组合，即多头星敏机构410和变形监测单元300，星敏支架440、变形监测单元300及多头星敏机构410的底部位于支架外罩450的内部，多头星敏机构410顶部探测镜筒窗口则位于支架外罩450的外部。

优选地，支架外罩450、星敏支架440及安装在其上面的多头星敏组合410位于精度基准板210背面(+Z面)，即精度基准板210的另一侧的右上方(靠近+X面、+Y面)；低能量激光器240位于支架外罩450外部，且与支架外罩450临近安装。

第一星敏411、第二星敏412以及第三星敏413的探测光轴均是指向卫星+Y面一侧的，需要说明的是，不同的星敏的探测光轴之间是呈一定夹角的，例如，夹角为90°，并且要求太阳光、地球反射光、卫星星体杂散光等不会进入任一个星敏的探测视场，星敏支架440的星敏安装面的法向需与对应星敏的探测光轴指向一致。

所述变形监测单元300安装在星敏支架的-X面，变形监测单元300安装区域同时设置有星敏支架440的测量棱镜442，作为多头星敏组合及变形监测单元300的安装精度基准。

优选地，所述合束棱镜330与星敏支架440的精测棱镜442为一个整体，具体地说，所述合束棱镜330与精测棱镜442为同一零件的不同构成部分，且由同一材料一体加工而成，从而实现安装测量精度基准与星上在轨变形测量基准一致。

优选地，星敏支架440选用低热变形高热传导材料制作，且星敏支架440的第一星敏411、第二星敏412以及第三星敏413及变形监测单元300安装面附近均布置有星敏支架加热器443，以保证星敏支架440严苛的热梯度及稳定性要求。

低能量激光器240生成的激光通过变形监测单元300和望远镜变形测量镜组250后分别进入激光雷达头部200的后端处理设备230，实现激光雷达头部200的望远镜220与星敏支架440之间的相对变形实时监测。

所述散热板453朝向卫星+Y面，散热板453上布置支架外罩加热器454，保证星敏支架440热环境稳定及可控。

所述星敏支架440及支架外罩450除与精度基准板210隔热安装接触外，与其他部件均不接触，同时星敏支架440与支架外罩450也是不接触的，减少结构及热耦合，保证星敏支架440稳定性，降低支架外罩450精度要求。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种星载激光雷达光轴指向测量系统，其特征在于，包括卫星平台(100)、激光雷达头部(200)、变形监测单元(300)以及多头星敏组件(400)；

所述卫星平台(100)设置在激光雷达头部(200)的底部；

所述变形监测单元(300)、多头星敏组件(400)均设置在激光雷达头部(200)上方；

其中，所述变形监测单元(300)设置在多头星敏组件(400)的任一侧；

在星载激光雷达光轴指向测量系统中还包括了一个三维直角坐标系OXYZ，其中，OX、OY、OZ分别为OXYZ的三个坐标轴，OX的正轴向指向卫星飞行方向，OZ的正轴向指向卫星对地面，根据右手坐标系，则OY的正轴向指向卫星背阳面；

在所述三维直角坐标系中，垂直于OX坐标轴的平面为X面；X面的法向与OX方向一致的为+X面，X面的法向与OX方向相反的为-X面；垂直于OY坐标轴的平面为Y面，Y面的法向与OY方向一致的为+Y面，Y面的法向与OY方向相反的为-Y面；垂直于OZ坐标轴的平面为Z面，Z面的法向与OZ方向一致的为+Z面，Z面的法向与OZ方向相反的为-Z面；所述多头星敏组件(400)包括多头星敏机构(410)、星敏支架(440)以及支架外罩(450)；

在所述星敏支架(440)上设置三维直角坐标系O₁X₁Y₁Z₁，坐标系O₁X₁Y₁Z₁与坐标系OXYZ对应坐标轴方向一致；所述变形监测单元(300)朝向星敏支架(440)的-X面方向设置在星敏支架(440)内；

所述多头星敏机构(410)朝向星敏支架(440)的+X面方向设置在星敏支架(440)内；

所述支架外罩(450)设置在星敏支架(440)的外部。

2.根据权利要求1所述的星载激光雷达光轴指向测量系统，其特征在于，所述多头星敏机构(410)包括第一星敏(411)、第二星敏(412)以及第三星敏(413)；

所述第一星敏(411)、第二星敏(412)以及第三星敏(413)这三者的探测光轴均朝向卫星+Y面；

所述探测光轴之间形成预设角度；

所述第一星敏(411)、第二星敏(412)以及第三星敏(413)均设置在星敏支架(440)内。

3.根据权利要求1所述的星载激光雷达光轴指向测量系统，其特征在于，所述星敏支架(440)包括支架本体(441)、测量棱镜(442)以及星敏支架加热器(443)；

所述测量棱镜(442)设置在变形监测单元(300)上；

所述星敏支架加热器(443)设置在支架本体(441)上。

4.根据权利要求3所述的星载激光雷达光轴指向测量系统，其特征在于，所述支架外罩(450)包括框架(451)、隔热多层板(452)、散热板(453)以及支架外罩加热器(454)；

所述隔热多层板(452)、散热板(453)以及支架外罩加热器(454)均设置在框架(451)上；

所述隔热多层板(452)朝向卫星-Y面设置在第二星敏(412)的一侧；

所述散热板(453)朝向卫星+Y面设置在第一星敏(411)与第三星敏(413)之间；

所述支架外罩加热器(454)设置在散热板(453)的任一侧。

5.根据权利要求3所述的星载激光雷达光轴指向测量系统，其特征在于，所述变形监测单元(300)包括光纤(310)、激光出射头(320)、合束棱镜(330)以及折转镜(340)；

所述激光出射头(320)的射头朝向合束棱镜(330)；

所述激光出射头(320)的输出端与光纤(310)相连接；

所述激光出射头(320)的数量为多个；

多个所述激光出射头(320)环绕设置在合束棱镜(330)外侧；

所述折转镜(340)设置在合束棱镜(330)的下方；

所述合束棱镜(330)、测量棱镜(442)构成一个整体。

6.根据权利要求1所述的星载激光雷达光轴指向测量系统，其特征在于，所述激光雷达头部(200)包括精度基准板(210)、望远镜(220)、后端处理设备(230)、低能量激光器(240)以及望远镜变形监测用镜组(250)；

所述星敏支架(440)及支架外罩(450)均与精度基准板(210)相接触；

所述望远镜(220)沿OZ方向设置在精度基准板(210)的一侧；

所述多头星敏组件(400)、后端处理设备(230)、低能量激光器(240)以及望远镜变形监测用镜组(250)均沿OX方向设置在精度基准板(210)的另一侧；

所述望远镜变形监测用镜组(250)安装在望远镜(220)上；

其中，所述后端处理设备(230)、低能量激光器(240)以及望远镜变形监测用镜组(250)均设置在多头星敏组件(400)的周围。

7.根据权利要求6所述的星载激光雷达光轴指向测量系统，其特征在于，所述支架外罩(450)与星敏支架(440)之间活动连接。

8.根据权利要求2所述的星载激光雷达光轴指向测量系统，其特征在于，所述星敏支架(440)的星敏安装面法向与所述多头星敏机构(410)对应星敏的探测光轴的指向方向相同。

9.根据权利要求8所述的星载激光雷达光轴指向测量系统，其特征在于，所述第一星敏(411)、第二星敏(412)以及第三星敏(413)这三者分别沿这三者相对应的探测光轴方向从与这三者位置对应的框架(451)所在的平面穿出。

Images