CN110906925A - 一种恒星与地球紫外临边的探测装置及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空探测技术领域，提供了一种恒星与地球紫外临边的探测装置及探测方法，包括：恒星探测镜头、对称地均布于恒星探测镜头的四周且观测视轴方向指向地球中心的4个地球临边探测镜头，图像传感器包括4个用于分别接收所述4个地球临边探测镜头探测图像的圆形区域(，以及位于4个所述圆形区域的中心圆区域，恒星探测镜头(1)的成像范围区域位于所述中心圆区域；恒星探测镜头用于将恒星成像在中心圆区域，4个地球临边探测镜头用于将地球临边的单边部分环带成像在所述圆形区域上，以对星体进行观测。上述探测装置临边观测角度范围大，能够适应于4000km～36000km轨道范围内对地球临边的观测，适用于变轨和定轨道飞行器应用。

Description

一种恒星与地球紫外临边的探测装置及探测方法
技术领域
本发明涉及航空探测技术领域，尤其涉及一种恒星与地球紫外临边的探测装置及探测方法。
背景技术
天文导航通过不同天体测量组合和技术算法可以实现姿态、位置、速度等全方位的自主导航信息输出，具有安全可靠、高精度、全天实时、精度不随时间漂移等诸多优点，广泛应用于民用、国防、军工等领域。
星敏感器是目前精度最高的天文导航器，可提供秒级的姿态精度，但无法提供飞行器的位置信息，需与其他敏感器协同工作来完成飞行器的全方位自主导航。太阳敏感器和红外地平仪等是目前可与星敏感器系统工作提供姿态和位置信息的导航器，但由于太阳敏感器和红外地平仪等设备测量精度低，难以满足目前对姿态和位置的更高精度需求。由于地球临边具有较稳定的紫外辐射特性，紫外地球敏感器可获得较高的地心矢量精度，星敏感器和紫外地球敏感器的协同工作可提供高精度的导航信息。
星敏感器和紫外地球敏感器的探测方向不同，星敏感器视轴方向与地心矢量方向夹角大于90°，目前星敏感器和紫外地球敏感器复合探测多采用“锥反射镜”实现视场和探测器复用的方案(《三轴紫外光学成像敏感器》，这种方案具有4个不足之处：临边观测角度范围小、单边20°、不适用于变轨道飞行器；观星视场受临边视场限制、且杂光难抑制；观星视场与临边观测视场相互限制；通过半反半透镜进行光路复合，采用球形镜设计，成像像面为曲面，加工制造及装调难度大，工程实现代价高。
故有必要提出一种新的技术方案，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种恒星与地球紫外临边的探测装置及探测方法，以解决现有星体探测时难以满足对姿态和位置高精度探测以及设备加工难度大，工程实现代价高的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种恒星与地球紫外临边的探测装置，所述探测装置包括恒星探测镜头、对称地均布于所述恒星探测镜头的四周且观测视轴方向指向地球中心的4个地球临边探测镜头，所述恒星探测镜头1的观测方向与所述地球临边探测镜头相反；
所述图像传感器包括4个用于分别接收所述4个地球临边探测镜头探测图像的圆形区域，以及位于4个所述圆形区域的中心圆区域，所述圆形区域相对于所述中心圆区域中心对称，所述恒星探测镜头的成像范围区域位于所述中心圆区域；
所述恒星探测镜头用于将恒星成像在所述中心圆区域，所述4个地球临边探测镜头用于将地球临边的单边部分环带成像在所述圆形区域上，以对星体进行观测。
可选地，所述恒星探测镜头和所述4个地球临边探测镜头的成像焦面为同一平面。
可选地，所述恒星探测镜头的焦距范围为20mm～200mm，F/#范围为1.2～2.5，成像视场2ω范围为10°～40°，成像光谱范围为：450nm～850nm。
可选地，所述4个地球临边探测镜头的焦距范围为10mm～50mm，F/#范围为1.5～4，成像视场2ω范围为25°～40°，成像光谱范围为：270nm～350nm。
可选地，所述图像传感器还用于在4个所述地球临边探测镜头将地球临边环带分别成像于所述4个圆形区域上之后，对所成图像进行拟合，得到地球轮廓圆，以计算地心矢量的大小和方向。
可选地，在所述计算地心矢量的大小和方向之后还包括：
根据所述探测装置所在的轨道高度和地球半径计算地球边缘半视场角ω，计算公式为：ω＝arcsin((R+d)/(R+H))；
其中，H为轨道高度，R为地球半径，d为地球紫外临边高度。
可选地，所述地球临边探测镜头在成像时，光轴偏转两次，以将成像视场转向地球临边区域。
本发明实施例的第二方面提供了一种恒星与地球紫外临边的探测方法，应用于如上述第一方面任一项所述的探测装置，包括：
探测装置启动后，通过恒星探测镜头将恒星成像在所述中心圆区域；
调整4个地球临边探测镜头的视场角，将地球临边的单边部分环带成像在所述圆形区域上，以对星体进行观测。
可选地，所述恒星探测镜头和所述4个地球临边探测镜头的成像焦面为同一平面。
可选地，所述恒星探测镜头的焦距范围为20mm～200mm，F/#范围为1.2～2.5，成像视场2ω范围为10°～40°，成像光谱范围为：450nm～850nm。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果：本发明提供的探测装置临边观测角度范围大，能够适应于4000km～36000km轨道范围内对地球临边的观测，适用于变轨和定轨道飞行器应用；观星视场不受临边视场限制，可实现大视场的观星，且观星系统不受地气光的影响，杂光抑制效果更佳；系统工程实现难度大大降低，可采用简单的结构形式，体积重量小，成本低；成像像面为平面，能够同时对地球临边和恒星进行探测，探测器利用率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方法，下面将实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1为本发明实施例提供的恒星与地球紫外临边的探测装置的结构俯视图；
图2为本发明提供的恒星与地球紫外临边的探测装置的对角线视图；
图3为本发明实施例中图像传感器的接收区域示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明提供的实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本发明。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
请参阅图1-3，本发明一种恒星与地球紫外临边的探测装置，包括恒星探测镜头1、对称地均布于所述恒星探测镜头1的四周且观测视轴方向指向地球中心的4个地球临边探测镜头2，所述恒星探测镜头1的观测方向与所述地球临边探测镜头2相反；
所述图像传感器3包括4个用于分别接收所述4个地球临边探测镜头2探测图像的圆形区域32，以及位于4个所述圆形区域32的中心圆区域31，所述圆形区域32相对于所述中心圆区域32中心对称，所述恒星探测镜头1的成像范围区域位于所述中心圆区域31；
所述恒星探测镜头1用于将恒星成像在所述中心圆区域31，所述4个地球临边探测镜头2用于将地球临边的单边部分环带成像在所述圆形区域32上，以对星体进行观测。恒星探测镜头1和所述4个地球临边探测镜头2的成像焦面为同一平面。
具体地，本发明提供的探测装置由5路光学镜头(恒星探测镜头1、4个地球临边探测镜头2)与大靶面图像传感器3组成。其中，恒星探测镜头1和4个地球临边探测镜头2的成像焦平面为同一平面。
4个地球临边探测镜头2均布于恒星探测镜头1的四周，4个地球临边探测镜头2的观测视轴方向指向地球中心，恒星探测镜头1的观测方向与地球临边探测镜头2相反。采用上述镜头位置排布方式不仅可以有效地避免复合系统结构件干涉情况，还可抑制地气光对观星探测的影响。
进一步地，恒星探测镜头1对天空成像，将恒星成像在图像传感器3的中心区域内31，通过星图匹配算法获得飞行器的姿态信息。恒星探测镜头的参数为：焦距范围为20mm～200mm，F/#范围为1.2～2.5，成像视场2ω范围为10°～40°，成像光谱范围为：450nm～850nm。
4个地球临边探测镜头2的系统型式完全一致，通过光轴的2次偏转，将成像视场转向地球临边区域。4个地球临边探测镜头2分别探测地球临边的单边部分环带，并将地球临边环带成像在图像传感器3的边缘4个圆形区域32，通过对称分布的临边环带拟合出完整地球轮廓圆，从而解算出地心矢量大小和方向。
根据轨道高度和地球半径计算公式：
ω＝arcsin((R+d)/(R+H)) (1)
式中，H为轨道高度，R为地球半径，d为地球紫外临边高度，ω为地球边缘半视场角。
当飞行器飞行轨道高度为H＝4000～36000km时，地球临边探测系统的观测视场规划为ω＝Φ17°～Φ78°，单边30.5°。
为保证对地球紫外临边图像探测的完整性，4个地球临边探测镜头2的参数满足：焦距范围为10mm～50mm，F/#范围为1.5～4，成像视场2ω范围为25°～40°，成像光谱范围为：270nm～350nm。
此外，恒星探测镜头1和地球临边探测镜头2均采用像方远心设计，降低了系统对温度的敏感性，提升了系统的稳定性，同时也保证了成像像面的照度均匀性。
探测器的复用方式如图3所示，将图像传感器划分为五个圆形视场区域(4个圆形区域32和中心圆区域31)。其中，恒星探测镜头1的像面成像范围位于图像传感器3中心圆区域31；4个地球临边探测镜头2的像面成像范围分别位于图像传感器3的边缘4个圆形区域32内。
探测装置进行探测时，通过恒星探测镜头将恒星成像在所述中心圆区域；调整4个地球临边探测镜头的视场角，将地球临边的单边部分环带成像在所述圆形区域上，以对星体进行观测；恒星探测镜头根据视场内恒星图像，采用星图匹配的方法，确定探测装置的姿态信息；4个地球临边探测镜头分别获取了地球临边的四个扇形区域，通过对扇形区域的边缘提取，获得4段地球临边的圆弧，采用曲线拟合方法确定4段圆弧的最佳拟合圆，即为地球的整个临边图像，拟合圆的圆心即为地球图像的质心位置，进而计算出地心矢量。根据探测装置的姿态信息和地心矢量信息便可解算出探测装置的位置和速度等信息，实现探测装置的自主导航。本发明提供的探测装置临边观测角度范围大，能够适应于4000km～36000km轨道范围内对地球临边的观测，适用于变轨和定轨道飞行器应用；观星视场不受临边视场限制，可实现大视场的观星，且观星系统不受地气光的影响，杂光抑制效果更佳；系统工程实现难度大大降低，可采用简单的结构形式，体积重量小，成本低；成像像面为平面，能够同时对地球临边和恒星进行探测，探测器利用率高。
以上实施例仅用于对本发明进行说明，而非限定；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应该理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种恒星与地球紫外临边的探测装置，其特征在于，所述探测装置包括恒星探测镜头(1)、对称地均布于所述恒星探测镜头(1)的四周且观测视轴方向指向地球中心的4个地球临边探测镜头(2)，所述恒星探测镜头1的观测方向与所述地球临边探测镜头(2)相反；
所述图像传感器(3)包括4个用于分别接收所述4个地球临边探测镜头(2)探测图像的圆形区域(32)，以及位于4个所述圆形区域(32)的中心圆区域(31)，所述圆形区域(32)相对于所述中心圆区域(31)中心对称，所述恒星探测镜头(1)的成像范围区域位于所述中心圆区域(31)；
所述恒星探测镜头(1)用于将恒星成像在所述中心圆区域(31)，所述4个地球临边探测镜头(2)用于将地球临边的单边部分环带成像在所述圆形区域(32)上，以对星体进行观测。
2.根据权利要求1所述的恒星与地球紫外临边的探测装置，其特征在于，所述恒星探测镜头(1)和所述4个地球临边探测镜头(2)的成像焦面为同一平面。
3.根据权利要求2所述的恒星与地球紫外临边的探测装置，其特征在于，所述恒星探测镜头(1)的焦距范围为20mm～200mm，F/#范围为1.2～2.5，成像视场2ω范围为10°～40°，成像光谱范围为：450nm～850nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的恒星与地球紫外临边的探测装置，其特征在于，所述4个地球临边探测镜头(2)的焦距范围为10mm～50mm，F/#范围为1.5～4，成像视场2ω范围为25°～40°，成像光谱范围为：270nm～350nm。
5.根据权利要求1所述的恒星与地球紫外临边的探测装置，其特征在于，所述图像传感器(3)还用于在4个所述地球临边探测镜头(2)将地球临边环带分别成像于所述4个圆形区域(32)上之后，对所成图像进行拟合，得到地球轮廓圆，以计算地心矢量的大小和方向。
6.根据权利要求1所述的恒星与地球紫外临边的探测装置，其特征在于，在所述计算地心矢量的大小和方向之后还包括：
根据所述探测装置所在的轨道高度和地球半径计算地球边缘半视场角ω，计算公式为：ω＝arcsin((R+d)/(R+H))；
其中，H为轨道高度，R为地球半径，d为地球紫外临边高度。
7.根据权利要求1所述的恒星与地球紫外临边的探测装置，其特征在于，所述地球临边探测镜头(2)在成像时，光轴偏转两次，以将成像视场转向地球临边区域。
8.一种恒星与地球紫外临边的探测方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的探测装置，包括：
探测装置启动后，通过恒星探测镜头将恒星成像在所述中心圆区域；
调整4个地球临边探测镜头的视场角，将地球临边的单边部分环带成像在所述圆形区域上，以对星体进行观测。
9.根据权利要求8所述的恒星与地球紫外临边的探测装置，其特征在于，所述恒星探测镜头和所述4个地球临边探测镜头的成像焦面为同一平面。
10.根据权利要求9所述的恒星与地球紫外临边的探测装置，其特征在于，所述恒星探测镜头的焦距范围为20mm～200mm，F/#范围为1.2～2.5，成像视场2ω范围为10°～40°，成像光谱范围为：450nm～850nm。
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