CN110906926A - 近地空间全天时高精度swir恒星敏感系统及方法 - Google Patents

近地空间全天时高精度swir恒星敏感系统及方法 Download PDF

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Abstract

近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统及方法，属于星敏感器技术领域，解决了星敏感器在近地空间应用时所面临的输出精度低、探测能力弱的问题。系统包括线性偏振片、线性偏振片旋转组件、平面反射镜、平面反射镜调整组件、光学系统、相机、光谱滤波片、存储器、处理器、时间单元以及控制单元。根据太阳白天或月亮夜晚高度角及方位角，控制平面反射镜摆动，保证太阳白天或月亮夜晚不出现在恒星敏感系统的视场内以及平面反射镜的镜面内，然后计算系统光轴指向下的天空背景偏振方向，使得线性偏振片的透光方向与天空背景偏振方向垂直，获取恒星图像，输出姿态信息。有益效果为：抑制了强天空背景光，提高了系统探测精度以及提升了系统探测能力。

Description

近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统及方法
技术领域
本发明涉及星敏感器技术领域，具体为近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统及方法。
背景技术
全球定位系统Global Positioning System,GPS广泛应用于坦克、装甲车、火炮、飞机以及舰船的导航，GPS系统不受战场烟雾、云层以及沙尘的影响，可以全天候、全天时工作，定位精度高，大幅度地提高了武器装备的作战性能，但GPS系统易受电磁干扰，且在战时一旦GPS系统的卫星星座本体遭受敌方攻击，GPS系统将会丧失其部分功能，甚至有可能完全瘫痪。另外，GPS系统也无法单独提供坦克、装甲车、火炮、飞机以及舰船姿态确定过程中所需要的绝对方位角信息，必须借助其它辅助仪器。惯性导航系统InertialNavigationSystem,INS弥补了GPS系统的不足，INS系统完全自主、隐蔽性好、短时精度高以及数据输出率高，但其长时间运行会产生漂移误差，漂移误差的累积速率为arc-sec/hour或者arc-min/hour。目前，坦克、装甲车、火炮、飞机以及舰船主要使用GPS系统和INS系统组合进行导航，GPS系统用以实现对INS系统漂移误差的周期性校准。综上，亟需寻找一个可以替代GPS系统的备用导航定位系统，以便在战时当GPS系统不可用时，该备用导航定位系统可以实现对INS系统漂移误差的快速校准，或者该备用导航定位系统可以不依赖于INS系统而完成自主定姿、定位。
作为光测设备的星敏感器受背景杂光的影响较大，所以以往星敏感器仅用于卫星、宇宙飞船、火箭等空间航天器的导航。近年随着星惯组合导航技术的不断发展，星敏感器导航技术正由单纯的空间应用逐渐向更广泛的空中、近地面以及海平面领域发展。由于白天天空背景辐射强烈，常见的可见光组件在近地空间的探测能力有限。而相比于可见光相机，短波红外Short Wavelength Infrared,SWIR相机可探测的恒星数目更多；SWIR相机的满阱容量更大；SWIR相机对雾、烟以及霾的敏感性更弱；SWIR相机受白天海平面湍流的影响更小等等。因此，基于SWIR的星敏感器技术已经成为星敏感器近地空间应用的一种趋势。与空间应用的星敏感器相比，近地空间全天时高精度SWIR星敏感器同样以恒星为参照物进行姿态解算，但却可以在大气层内的近地空间完成星图识别以及姿态解算的全部功能，其优点包括：全天时、全天候、成本低、反应快、被动探测、隐蔽性好、可靠性高、自主工作、不受电磁干扰、精度至少可达角秒量级，能够很好地实现对INS系统的姿态输出进行实时更新，甚至可以独立于INS系统进行自主定姿、定位与定向，将近地空间全天时高精度SWIR星敏感器应用于飞机、舰船、导弹等武器系统，可以极大地提高其导航精度、导航可靠性以及战场生存能力。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中星敏感器在近地空间应用时所面临的输出精度低、探测能力弱的问题，提出一种近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统及方法。
本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，包括：线性偏振片1、线性偏振片旋转组件2、平面反射镜3、平面反射镜调整组件4、光学系统6、相机7、光谱滤波片8、存储器9、处理器10、时间单元11和控制单元12；
所述线性偏振片1所在平面与平面反射镜3所在平面平行；
所述线性偏振片旋转组件2固定设置在平面反射镜3镜面一侧；
所述线性偏振片旋转组件2与平面反射镜调整组件4固定连接；
所述线性偏振片1用于抑制天空背景光，增强恒星目标与天空背景的对比度；
所述线性偏振片旋转组件2用于带动线性偏振片1绕旋转中心1-1旋转，进而改变线性偏振片1所在空间平面的透光方向；
所述平面反射镜3的镜面用于反射星光，其非镜面用于遮挡太阳或月亮的直射光；
所述平面反射镜调整组件4用于控制平面反射镜3绕摆动中心3-1摆动，进而间接地改变恒星敏感系统光轴的实际指向；
所述光学系统6用于恒星成像，所述光学系统6由多个光学镜头组成；
所述相机7用于记录恒星成像结果，即获取星图，所述相机7为SWIR相机；
所述光谱滤波片8位于光学系统6与相机7之间；
所述光谱滤波片8用于光谱透过范围的选取，增强恒星目标与天空背景的对比度；
所述存储器9用于存储相机7、时间单元11和处理器10的信息；
所述处理器10用于得到系统的姿态信息；
所述时间单元11用于输出时间信息；
所述控制单元12用于根据处理器10运算结果控制线性偏振片旋转组件2和平面反射镜调整组件4。
进一步的，所述系统还包括遮光罩5，所述遮光罩5用于抑制天空背景光，反射的恒星星光经遮光罩5以及光学系统6后被相机7接收。
进一步的，所述旋转中心1-1位于线性偏振片的几何中心。
进一步的，所述摆动中心3-1位于平面反射镜镜面的几何中心。
进一步的，所述平面反射镜3的非镜面处设有高消光率黑膜或高消光率黑漆。
进一步的，所述相机7为短曝光SWIR相机。
进一步的，所述平面反射镜3为100％镜面反射镜。
进一步的，所述存储器9存储内容包括导航星表、实拍星图、时间信息、恒星敏感系统初始位置的经度、纬度以及海拔信息、星图预处理算法、星图识别算法、姿态解算算法、月亮位置算法、太阳位置算法、天空背景偏振度算法和天空背景偏振方向算法。
进一步的，所述线性偏振片1、光学系统6和光谱滤波片8工作于J波段、H波段或K波段。
近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统的恒星敏感方法，该方法的步骤为：
步骤S1：根据太阳或月亮的位置并结合恒星敏感系统所在位置的经度、纬度、海拔以及时间信息，得到太阳或月亮方位角及高度角；
步骤S2：根据太阳或月亮位置信息，通过控制单元控制平面反射镜调整组件带动平面反射镜摆动，同时保证太阳以及月亮不出现在恒星敏感系统的视场内以及平面反射镜的镜面内；
步骤S3：计算太阳或月亮直射光方向与平面反射镜的镜面法线之间的夹角，该夹角即为太阳光或月光散射角；
步骤S4：由太阳光或月光散射角大小确定该恒星敏感系统光轴指向下的天空背景偏振度以及天空背景偏振方向；
步骤S5：通过控制单元控制线性偏振片旋转组件带动线性偏振片转动，使得线性偏振片的透光方向与天空背景偏振方向相垂直；
步骤S6：利用相机以短曝光的方式记录恒星图像，并送入存储器；
步骤S7：处理器对恒星图像进行处理，输出恒星敏感系统姿态信息。
本发明的有益效果是：本发明所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统及方法在系统设计、成像方法等方面的创新，将成为空间攻防对抗领域最为核心的理论基础，其解决了现有技术中星敏感器在近地空间应用时所面临的输出精度低、探测能力弱的问题，进而提升近地面武器装备的定姿精度和其抗干扰能力，为复杂作战背景下战略武器的远程机动打击、精确制导以及快速突防提供充分保障，同时也为新一代近地空间全天时星敏感器系统的方案设计、指标论证、评估应用提供可靠的理论方法与技术支持。
本发明可以在大气层内的近地空间完成星图识别以及姿态解算的全部功能，其优点包括：全天时、全天候、成本低、反应快、被动探测、隐蔽性好、可靠性高、自主工作、不受电磁干扰、精度至少可达角秒量级，能够很好地实现对INS系统的姿态输出进行实时更新，甚至可以独立于INS系统进行自主定姿、定位与定向，将近地空间全天时高精度SWIR星敏感器应用于飞机、舰船、导弹等武器系统，可以极大地提高其导航精度、导航可靠性以及战场生存能力。而且本发明可以减少天空背景光的影响，即受背景杂光的影响较小。
附图说明
图1为本发明近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统组成示意图；
图2为本发明近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统线性偏振片平面示意图；
图3为本发明近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统平面反射镜平面示意图；
图4为本发明近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统白天工作原理示意图；
图5为本发明近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统白天工作原理示意图；
图6为本发明近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统白天工作原理示意图；
图7为本发明近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统夜晚工作原理示意图；
图8为本发明近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统夜晚工作原理示意图；
图9为本发明近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统夜晚工作原理示意图；
图10为本发明近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感方法步骤流程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，包括线性偏振片1、线性偏振片旋转组件2、平面反射镜3、平面反射镜调整组件4、光学系统6、相机7、光谱滤波片8、存储器9、处理器10、时间单元11、控制单元12；
所述线性偏振片1所在平面与平面反射镜3所在平面平行；
所述线性偏振片1用于抑制天空背景光，增强恒星目标与天空背景的对比度；
所述线性偏振片1的旋转中心1-1位于线性偏振片1的几何中心,线性偏振片1的旋转中心1-1位于线性偏振片的几何中心，旋转后，线性偏振片1所在空间平面的透光方向1-2变为透光方向1-2′，并且透光方向1-2′与此时的天空偏振方向相垂直，如图2所示；
所述线性偏振片旋转组件2固定设置在平面反射镜3镜面一侧；
所述线性偏振片旋转组件2与平面反射镜调整组件4固定连接；
所述线性偏振片旋转组件2用于带动线性偏振片1绕旋转中心1-1旋转，进而改变线性偏振片1所在空间平面的透光方向,所述平面反射镜3的摆动中心3-1位于平面反射镜镜面的几何中心，如图3所示；
平面反射镜3的非镜面处可做消光处理，如粘贴高消光率黑膜或喷刷高消光率黑漆，用于吸收太阳或月亮直射光，避免产生散射或衍射杂光；
所述平面反射镜3，其非镜面用于遮挡太阳白天或月亮夜晚的直射光，即保证太阳白天以及月亮夜晚不出现在近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统的视场内以及平面反射镜3的镜面内；
所述平面反射镜3为100％镜面反射镜；
所述平面反射镜调整组件4用于控制平面反射镜3绕摆动中心3-1摆动，进而间接地改变恒星敏感系统光轴的实际指向；
所述平面反射镜3以及平面反射镜调整组件4，其在功能上扩大了恒星敏感系统的天空搜索范围，同时便于追踪亮星以及躲避云层；
所述光学系统6用于恒星成像，所述光学系统6由多个光学镜头组成；
所述相机7用于记录恒星成像结果，即获取星图，所述相机7为SWIR相机；
所述光谱滤波片8用于光谱透过范围的选取，增强恒星目标与天空背景的对比度；
所述光谱滤波片8位于光学系统6与相机7之间；
所述线性偏振片1、光学系统6和光谱滤波片8工作于J波段、H波段或K波段；
所述存储器9用于存储相机7、时间单元11和处理器10的信息，具体包括导航星表、实拍星图、时间信息、恒星敏感系统初始位置的经度、纬度以及海拔信息、星图预处理算法、星图识别算法、姿态解算算法、月亮位置算法、太阳位置算法、天空背景偏振度算法和天空背景偏振方向算法；
所述处理器10，用于得到系统的姿态信息，所述的姿态信息根据太阳位置算法或月亮位置算法、天空背景偏振度算法、天空背景偏振方向算法、星图预处理算法、星图识别算法以及姿态解算算法计算获得；
所述时间单元11用于输出时间信息，包括年、月、日、时、分、秒；
所述控制单元12用于根据处理器10运算结果控制线性偏振片旋转组件2和平面反射镜调整组件4。
本发明所述的系统还包括遮光罩5，所述遮光罩5用于抑制天空背景光，即非恒星星光，反射的恒星星光经遮光罩5以及光学系统6后被相机7接收。
工作原理：
当太阳14位于天空不同位置处时，平面反射镜调整组件4通过控制平面反射镜3绕摆动中心摆动，使得太阳直射光14-1不能照射到近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统的视场16-2内以及平面反射镜3的镜面内。恒星13发出的直射光线13-1沿光轴16-1′传播，依次经线性偏振片1、平面反射镜3、线性偏振片1后继续沿光轴16-1传播，之后经过遮光罩5、光学系统6、光谱滤波片8后被相机7接收，实现星图的快速获取。其中，光轴16-1与光轴16-1′关于平面反射镜3的法线3-1对称。实际应用时，太阳光照射的方向大致有三种情形，针对三种情形，本装置如图4、图5及图6所示设置。
当月亮15位于天空不同位置处时，平面反射镜调整组件4通过控制平面反射镜3绕摆动中心摆动，使得月亮直射光15-1不能照射到近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统的视场16-2内以及平面反射镜3的镜面内。恒星13发出的直射光线13-1沿光轴16-1′传播，依次经线性偏振片1、平面反射镜3、线性偏振片1后继续沿光轴16-1传播，之后经过遮光罩5、光学系统6、光谱滤波片8后被相机7接收，实现星图的快速获取。其中，光轴16-1与光轴16-1′关于平面反射镜3的法线3-1对称。实际应用时，月光照射的方向大致有三种情形，针对三种情形，本装置如图7、图8及图9所示设置。
本发明所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，为进一步地减小了系统的尺寸以及体积，便于工程应用，可将遮光罩的消光能力指标要求降低，甚至可以不使用遮光罩5。
上述内容中所述处理器10所涉及的算法可参考如下论文：
1、月亮位置算法
《Solar eclipse monitoring for solar energy applications using thesolar and moon position algorithms》
2、太阳位置方法
《Solar Position Algorithm for Solar Radiation Applications》
3、天空背景偏振度算法、天空背景偏振方向算法
(1)《全天候天空散射光偏振模式研究》
(2)《天空光偏振特性及其测试仪器的研究》
4、星图预处理算法
《Noise suppression algorithm of short-wave infrared star image fordaytime star sensor》
5、星图识别算法、姿态解算算法
《Ground Based Attitude Determination Using a SWIR Star Tracker》
根据国内外文献中记载的J波段、H波段、K波段的定义如下：
In infrared astronomy,the J band refers to an atmospherictransmission window(1.1to 1.4um)centred on 1.25micrometres(in the near-infrared).
In infrared astronomy,the H band refers to an atmospherictransmission window centred on 1.65micrometres with a Full width at halfmaximum of 0.35micrometres.
In infrared astronomy,the K band is an atmospheric transmissionwindow centered on 2.2μm(in the near-infrared 136THz range).
短波红外(Short Wavelength Infrared,SWIR)相机在J波段、H波段以及K波段的天空背景辐射强度更低、大气透过率更高；
本发明的创新工作体现在：基于光机电一体化的设计思想，近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统及方法有效结合了线性偏振片1、线性偏振片旋转组件2、平面反射镜3以及平面反射镜调整组件4等相关元件，不仅扩大了恒星目标搜索范围，抑制了强天空背景光，提升了恒星敏感系统探测能力，同时相比于三视场全天时星敏感器，也减小了恒星敏感系统的结构复杂程度，降低了恒星敏感系统设计难度。
本发明所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统可以不依赖于GPS系统或者INS系统进行独立工作。
本发明所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统可以对INS系统所输出的姿态以及位置信息进行实时更新。
本发明所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统还可以与其它装置、组件以及设备等组合使用，用于提供近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统所在平台的经度、纬度以及方位信息。
在具体实施时，相机7的类型为InGaAs PIN-Photodiode，像素阵列为1280×1024，像素尺寸为10μm×10μm，光谱范围为0.4μm～1.7μm，尺寸L×W×H为87.30mm×78.86mm×79.30mm，感光区域为12.80mm×10.24mm，量子效率为>80％@1.55μm。
相机的类型还可以为InGaAs PIN-Photodiode，像素阵列为640×512，像素尺寸为15μm×15μm，光谱范围为0.4μm～1.7μm，尺寸L×W×H为89.48mm×123.14mm×87.54mm，感光区域为9.60mm×7.68mm，量子效率为>80％@1.55μm。
相机的类型还可以为InGaAs PIN-Photodiode，像素阵列为640×512，像素尺寸为15μm×15μm，光谱范围为0.9μm～1.7μm，尺寸L×W×H为41.90mm×30.00mm×12.84mm，感光区域为9.60mm×7.68mm，量子效率为>70％from 1μm to 1.6μm。
本系统还可以与倾斜仪组合使用，用于提供近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统所在平台的经度、纬度以及方位信息。
本发明还包括一种基于近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统的方法，该方法步骤如下：
步骤S1：根据太阳白天或月亮夜晚位置计算模型，结合恒星敏感系统所在位置的经度、纬度、海拔以及时间信息，得到太阳白天或月亮夜晚方位角及高度角；
步骤S2：基于此时的太阳白天或月亮夜晚位置信息，通过控制单元控制平面反射镜调整组件带动平面反射镜摆动，同时保证太阳白天以及月亮夜晚不出现在恒星敏感系统的视场内以及平面反射镜的镜面内；
步骤S3：计算太阳白天或月亮夜晚直射光方向与平面反射镜的镜面法线之间的夹角，该夹角即为太阳光白天或月光夜晚散射角；
步骤S4：由太阳光白天或月光夜晚散射角大小可进一步确定该恒星敏感系统光轴指向下的天空背景偏振度以及天空背景偏振方向；
步骤S5：通过控制单元控制线性偏振片旋转组件带动线性偏振片转动，使得线性偏振片的透光方向与天空偏振方向相垂直；
步骤S6：相机以短曝光的方式记录恒星图像，并送入存储器；
步骤S7：处理器对恒星图像进行处理，输出恒星敏感系统姿态信息。本方法如图10所示。
本发明所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统及方法在系统设计、成像方法等方面的创新，将成为空间攻防对抗领域最为核心的理论基础，其解决了现有技术中星敏感器在近地空间应用时所面临的输出精度低、探测能力弱的问题，进而提升近地面武器装备的定姿精度和其抗干扰能力，为复杂作战背景下战略武器的远程机动打击、精确制导以及快速突防提供充分保障，同时也为新一代近地空间全天时星敏感器系统的方案设计、指标论证、评估应用提供可靠的理论方法与技术支持。
本发明主要用于坦克、装甲车、导弹、飞机以及舰船等武器装备的定姿、定位以及定向。
本发明所述的天空背景光主要是指太阳光或月光经大气散射后所形成的天空背景。
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，其特征在于包括：线性偏振片(1)、线性偏振片旋转组件(2)、平面反射镜(3)、平面反射镜调整组件(4)、光学系统(6)、相机(7)、光谱滤波片(8)、存储器(9)、处理器(10)、时间单元(11)和控制单元(12)；
所述线性偏振片(1)所在平面与平面反射镜(3)所在平面平行；
所述线性偏振片旋转组件(2)固定设置在平面反射镜(3)镜面一侧；
所述线性偏振片旋转组件(2)与平面反射镜调整组件(4)固定连接；
所述线性偏振片(1)用于抑制天空背景光，增强恒星目标与天空背景的对比度；
所述线性偏振片旋转组件(2)用于带动线性偏振片(1)绕旋转中心(1-1)旋转，进而改变线性偏振片(1)所在空间平面的透光方向；
所述平面反射镜(3)的镜面用于反射星光，其非镜面用于遮挡太阳或月亮的直射光；
所述平面反射镜调整组件(4)用于控制平面反射镜(3)绕摆动中心(3-1)摆动，进而间接地改变恒星敏感系统光轴的实际指向；
所述光学系统(6)用于恒星成像，所述光学系统(6)由多个光学镜头组成；
所述相机(7)用于记录恒星成像结果，即获取星图，所述相机(7)为SWIR相机；
所述光谱滤波片(8)位于光学系统(6)与相机(7)之间；
所述光谱滤波片(8)用于光谱透过范围的选取，增强恒星目标与天空背景的对比度；
所述存储器(9)用于存储相机(7)、时间单元(11)和处理器(10)的信息；
所述处理器(10)用于得到系统的姿态信息；
所述时间单元(11)用于输出时间信息；
所述控制单元(12)用于根据处理器(10)运算结果控制线性偏振片旋转组件(2)和平面反射镜调整组件(4)。
2.根据权利要求1所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，其特征在于所述系统还包括遮光罩(5)，所述遮光罩(5)用于抑制天空背景光，反射的恒星星光经遮光罩(5)以及光学系统(6)后被相机(7)接收。
3.根据权利要求1所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，其特征在于所述旋转中心(1-1)位于线性偏振片的几何中心。
4.根据权利要求1所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，其特征在于所述摆动中心(3-1)位于平面反射镜镜面的几何中心。
5.根据权利要求1所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，其特征在于所述平面反射镜(3)的非镜面处设有高消光率黑膜或高消光率黑漆。
6.根据权利要求1所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，其特征在于所述相机(7)为短曝光SWIR相机。
7.根据权利要求1所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，其特征在于所述平面反射镜(3)为100％镜面反射镜。
8.根据权利要求1所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，其特征在于所述存储器(9)存储内容包括导航星表、实拍星图、时间信息、恒星敏感系统初始位置的经度、纬度以及海拔信息、星图预处理算法、星图识别算法、姿态解算算法、月亮位置算法、太阳位置算法、天空背景偏振度算法和天空背景偏振方向算法。
9.根据权利要求1所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统，其特征在于所述线性偏振片(1)、光学系统(6)和光谱滤波片(8)工作于J波段、H波段或K波段。
10.基于权利要求1所述的近地空间全天时高精度SWIR恒星敏感系统的恒星敏感方法，其特征在于该方法的步骤为：
步骤S1：根据太阳或月亮的位置并结合恒星敏感系统所在位置的经度、纬度、海拔以及时间信息，得到太阳或月亮方位角及高度角；
步骤S2：根据太阳或月亮位置信息，通过控制单元控制平面反射镜调整组件带动平面反射镜摆动，同时保证太阳以及月亮不出现在恒星敏感系统的视场内以及平面反射镜的镜面内；
步骤S3：计算太阳或月亮直射光方向与平面反射镜的镜面法线之间的夹角，该夹角即为太阳光或月光散射角；
步骤S4：由太阳光或月光散射角大小确定该恒星敏感系统光轴指向下的天空背景偏振度以及天空背景偏振方向；
步骤S5：通过控制单元控制线性偏振片旋转组件带动线性偏振片转动，使得线性偏振片的透光方向与天空背景偏振方向相垂直；
步骤S6：利用相机以短曝光的方式记录恒星图像，并送入存储器；
步骤S7：处理器对恒星图像进行处理，输出恒星敏感系统姿态信息。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111536965A (zh) * 2020-05-25 2020-08-14 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种以全天空成像为背景的星图显示方法
CN111650757A (zh) * 2020-06-23 2020-09-11 上海航天控制技术研究所 采用偏振滤光的全天时星敏感器的光学系统及其使用方法
CN114608564A (zh) * 2022-05-11 2022-06-10 北京航空航天大学 一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1196125A (zh) * 1995-07-07 1998-10-14 阿奇开发公司 非成象光学聚能器及发光器的设计
US20060085130A1 (en) * 2004-10-18 2006-04-20 Trex Enterprises Corporation Daytime stellar imager for attitude determination
US20060085129A1 (en) * 2004-10-18 2006-04-20 Trex Enterprises Corp. Daytime stellar imager
CN101701822A (zh) * 2009-11-06 2010-05-05 中国人民解放军国防科学技术大学 基于光学联合变换相关的星敏感器星跟踪方法
CN102927982A (zh) * 2012-09-29 2013-02-13 哈尔滨工业大学 双光谱的自主导航敏感器及其设计方法
FR2981448A1 (fr) * 2011-10-18 2013-04-19 Floch Albert Le Dispositif de detection de la direction d'un soleil cache, base sur un depolariseur birefringent
US20160041265A1 (en) * 2014-08-06 2016-02-11 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Star Tracker
CN106441281A (zh) * 2016-09-09 2017-02-22 北京控制工程研究所 一种小型长寿命高精度星敏感器
WO2017218899A1 (en) * 2016-06-16 2017-12-21 Cahoy Kerri Lynn Satellite tracking with a portable telescope and star camera
US20170370725A1 (en) * 2015-01-21 2017-12-28 Centre National D'etudes Spatiales Daytime and nighttime stellar sensor with active polarizer
CN107677265A (zh) * 2017-09-01 2018-02-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种组合全天时星敏感器
CN107883945A (zh) * 2017-10-11 2018-04-06 北京控制工程研究所 一种无太阳抑制角星敏感器
CN108286966A (zh) * 2018-01-24 2018-07-17 北京航空航天大学 一种自适应多光谱偏振导航传感器及其定向方法
CN108645401A (zh) * 2018-04-03 2018-10-12 中国人民解放军国防科技大学 基于姿态关联图像叠加的全天时星敏感器星点提取方法
CN109540129A (zh) * 2018-11-30 2019-03-29 上海航天控制技术研究所 一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法
CN110285808A (zh) * 2019-07-10 2019-09-27 北京航空航天大学 一种基于无限维空间的用于星敏感器的仪器星等转换方法
US20190331762A1 (en) * 2013-10-22 2019-10-31 Polaris Sensor Technologies, Inc. Celestial Positioning System and Method

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1196125A (zh) * 1995-07-07 1998-10-14 阿奇开发公司 非成象光学聚能器及发光器的设计
US20060085130A1 (en) * 2004-10-18 2006-04-20 Trex Enterprises Corporation Daytime stellar imager for attitude determination
US20060085129A1 (en) * 2004-10-18 2006-04-20 Trex Enterprises Corp. Daytime stellar imager
CN101701822A (zh) * 2009-11-06 2010-05-05 中国人民解放军国防科学技术大学 基于光学联合变换相关的星敏感器星跟踪方法
FR2981448A1 (fr) * 2011-10-18 2013-04-19 Floch Albert Le Dispositif de detection de la direction d'un soleil cache, base sur un depolariseur birefringent
CN102927982A (zh) * 2012-09-29 2013-02-13 哈尔滨工业大学 双光谱的自主导航敏感器及其设计方法
US20190331762A1 (en) * 2013-10-22 2019-10-31 Polaris Sensor Technologies, Inc. Celestial Positioning System and Method
US20160041265A1 (en) * 2014-08-06 2016-02-11 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Star Tracker
US20170370725A1 (en) * 2015-01-21 2017-12-28 Centre National D'etudes Spatiales Daytime and nighttime stellar sensor with active polarizer
WO2017218899A1 (en) * 2016-06-16 2017-12-21 Cahoy Kerri Lynn Satellite tracking with a portable telescope and star camera
CN106441281A (zh) * 2016-09-09 2017-02-22 北京控制工程研究所 一种小型长寿命高精度星敏感器
CN107677265A (zh) * 2017-09-01 2018-02-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种组合全天时星敏感器
CN107883945A (zh) * 2017-10-11 2018-04-06 北京控制工程研究所 一种无太阳抑制角星敏感器
CN108286966A (zh) * 2018-01-24 2018-07-17 北京航空航天大学 一种自适应多光谱偏振导航传感器及其定向方法
CN108645401A (zh) * 2018-04-03 2018-10-12 中国人民解放军国防科技大学 基于姿态关联图像叠加的全天时星敏感器星点提取方法
CN109540129A (zh) * 2018-11-30 2019-03-29 上海航天控制技术研究所 一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法
CN110285808A (zh) * 2019-07-10 2019-09-27 北京航空航天大学 一种基于无限维空间的用于星敏感器的仪器星等转换方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
崔祥祥,等: ""适用于小视场星敏感器的导航星表构建方法"", 《红外与激光工程》 *
汪洪源,等: ""天基空间目标红外动态辐射特性建模与仿真"", 《红外与激光工程》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111536965A (zh) * 2020-05-25 2020-08-14 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种以全天空成像为背景的星图显示方法
CN111536965B (zh) * 2020-05-25 2023-06-06 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种以全天空成像为背景的星图显示方法
CN111650757A (zh) * 2020-06-23 2020-09-11 上海航天控制技术研究所 采用偏振滤光的全天时星敏感器的光学系统及其使用方法
CN111650757B (zh) * 2020-06-23 2022-04-08 上海航天控制技术研究所 采用偏振滤光的全天时星敏感器的光学系统及其使用方法
CN114608564A (zh) * 2022-05-11 2022-06-10 北京航空航天大学 一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法
CN114608564B (zh) * 2022-05-11 2022-07-29 北京航空航天大学 一种基于夜间月光偏振-星光信息融合的组合定位方法

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