CN112504280B - 一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法 - Google Patents

一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法，属于空间飞行器用指向测量敏感器领域。采用压电微位移台支撑敏感器光电探测器，构成稳像系统；当敏感器转动时，在图像曝光时微动台驱动探测器进行补偿运动，减小星点成像拖尾；图像曝光完成后，结合微动台精密位移反馈，给出星点准确坐标，基于星点准确坐标进行测量结果解算并输出。本发明通过稳像提高动态下指向测量敏感器星点定位精度，从而提升敏感器动态精度。

Description

一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法
技术领域
本发明属于空间飞行器用指向测量敏感器领域，涉及一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法。
背景技术
空间指向测量敏感器基于对空间点光源成像探测，测量目标指向测量信息和自身三轴姿态信息，由于其具有高精度、高可靠性等特点，被广泛用于卫星、飞船等各类航天器中。空间指向测量敏感器通过对所拍图像的像斑点进行提取和匹配，进而对指向和姿态信息解算。像斑点提取所得的坐标信息是进行指向和姿态信息解算的基础，在实际使用过程中，受航天器角速度的影响，点光源在敏感器像面的成像位置、在光电探测器积分时间内发生变化，像斑点产生拖尾，降低了成像探测的信噪比，直接影响指向和姿态测量的动态精度。
现有的空间指向测量敏感器，通过降低积分时间、增大光学系统口径、提高探测器性能、复杂图像处理等方法实现敏感器动态精度指标，效果欠佳。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于像面稳像的空间指向测量敏感器实现方法，减少星像点拖尾，提高点光源动态成像探测的信噪比，从而提升空间指向测量敏感器动态精度。
本发明的技术方案是：
一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法，步骤如下：
S1、构建稳像系统：采用压电微位移台支撑敏感器的光电探测器，将压电微位移台的支撑结构固定安装在空间指向测量敏感器底座上，再将光电探测器固定安装在压电微位移台的位移面上，光学镜头通过云台固定安装在空间指向测量敏感器底座上，保证光学镜头焦面与光电探测器感光面重合，构成稳像系统；
S2、速度跟踪动态补偿：当敏感器转动时，在图像曝光生成恒星图像的时间内微位移台承载探测器沿探测器像元行列方向进行补偿运动，补偿位移为s，则当s＝f×tan(w×t)时，减小星点成像拖尾为0；其中，f为敏感器焦距，t为曝光时间，w为敏感器转动角速度；
S3、速度跟踪动态补偿控制：在S2的动态补偿中，以陀螺给出的敏感器转动角速度反馈为速度参考输入wr；对压电陶瓷给出的位移反馈d进行旋转变换，得到微位移台速度实时反馈wf，wf＝Δd/Δt/f，Δ代表微分量；基于wr和wf得出微动补偿量，压电陶瓷控制模块根据微动补偿量确定相应的驱动电信号，驱动压电陶瓷承载光电探测器完成速度跟踪动态补偿控制；
S4、质心计算：S3中速度跟踪动态补偿，与图像曝光均同步触发开始，图像曝光完成时动态补偿同时停止；图像曝光完成后，根据光电探测器生成的恒星图像进行图像处理，完成星点成像初始质心提取，得到初始质心提取结果cp；速度跟踪动态补偿完成后，获取压电陶瓷输出的位移反馈，完成像面位置测量，得到像面位置测量结果dp；结合初始质心提取结果cp和像面位置测量结果dp，给出星点成像质心位置准确坐标fp，fp＝cp+dp，完成质心计算；
S5、在动态情况下，基于星点成像质心位置准确坐标进行空间指向解算并输出，实现空间指向测量敏感器动态测量精度提升。
进一步的，空间指向测量敏感器包括光学镜头、云台、底座、光电探测器、处理单元、压电微位移台、MEMS陀螺和压电陶瓷控制模块，
压电微位移台包括位移面、支撑结构和压电陶瓷，位移面放置在支撑结构内，位移面与支撑结构之间通过压电陶瓷连接，通过压电陶瓷控制模块向压电陶瓷施加驱动电信号，驱动压电陶瓷承载着位移面相对于支撑结构产生微位移，同时压电陶瓷输出位移测量值。
进一步的，未向压电陶瓷施加驱动电信号时，位移面位于行程中心位置，称为零位，此时压电陶瓷输出位移测量值为0。
进一步的，光学镜头将空间恒星成像在光电探测器感光面上，经过光电探测器光电转换生成恒星图像，恒星图像经过处理单元处理，得到空间指向测量结果，MEMS陀螺固定安装在底座上，实时测量空间指向测量敏感器角速度。
进一步的，当空间指向测量敏感器处于静态时，MEMS陀螺角速度反馈为0，压电陶瓷控制模块驱动电信号为0，压电微位移面位于零位，压电陶瓷输出的位移反馈为0，此时光学镜头光轴穿过光电探测器感光面中心，光电探测器生成恒星图像，经过处理单元处理，完成空间指向测量。
进一步的，当空间指向测量敏感器进行转动时，MEMS陀螺给出实时的转动角速度反馈，处理单元根据角速度反馈和压电陶瓷当前位移反馈进行控制解算，得出微动补偿量，压电陶瓷控制模块根据微动补偿量给出相应的驱动电信号，驱动压电陶瓷承载着位移面相对于支撑结构产生补偿微位移，光电探测器生成恒星图像，经过处理单元处理，完成空间指向测量。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明在动态工况下通过压电陶瓷驱动光电探测器进行补偿运动，减小积分时间内星点成像位置变化，减小动态星点成像拖尾长度，从而提高指向测量敏感器动态测量精度；与现有技术相比，本发明无需降低探测器积分时间，无需提升光学系统口径和探测器光电性能保证信噪比，指向测量敏感器动态精度的提升不再受光学和探测器技术限制；
(2)本发明采用速度跟踪动态补偿方式方式对压电微位移台进行位移控制，在曝光时间内对星点成像位置进行补偿，实现探测器对星点成像位置的实时跟踪；与现有技术相比，本发明可使动态条件下积分时间内探测器上的星点成像位置保持不变，有效降低像素不均匀性对动态星点定位的影响；
(3)本发明在探测器积分结束后，进行星点初始质心提取，结合压电陶瓷输出的精密位移反馈，得到星点成像位置准确坐标；与现有技术相比，本发明将原本受成像拖尾干扰无法准确确定的星点坐标偏移量转为可准确确定的微动台直线位移，引入精密直线位移反馈确定星点坐标，提升动态精度。
附图说明
图1为本发明的构成图；
图2为本发明的控制策略图；
图3为本发明的工作步骤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
本发明已应用于某空间极高精度指向测量项目，如图1、2、3所示，具体实施步骤如下：
S1、构建稳像系统：采用压电微位移台支撑敏感器光电探测器，将压电微位移台的支撑结构固定安装在空间指向测量敏感器底座上，再将光电探测器固定安装在压电微位移台的位移面上，光学镜头通过云台固定安装在底座上，保证光学镜头焦面与光电探测器感光面重合，构成稳像系统。针对本项目空间指向超高动态测量精度要求，选择一个位移反馈精度1纳米的压电微位移台，承载像元尺寸4.5微米的光电探测器，构成稳像系统。
S2、速度跟踪动态补偿：当敏感器转动时，在曝光时间内微位移台承载探测器沿探测器像元行列方向进行补偿运动，设敏感器焦距为f，曝光时间t内敏感器转动角速度为w、微位移台的补偿微位移为s，则当s＝f×tan(w×t)时，可以减小星点成像拖尾为0。本项目敏感器焦距为1米，曝光时间10毫秒内敏感器转动角速度为0.06度/秒，当曝光时间内微位移台的补偿微位移达到10.5微米时，星点成像拖尾为0，若不进行速度跟踪动态补偿，星点成像拖尾大于2个像元。
S3、速度跟踪动态补偿控制：前述动态补偿中，处理单元以陀螺给出的敏感器转动角速度反馈为速度参考输入wr；处理单元对压电陶瓷给出的位移反馈d进行旋转变换，得到微位移台速度实时反馈wf，wf＝Δd/Δt/f，Δ代表微分量；将wr和wf代入控制解算，得出微动补偿量，压电陶瓷控制模块根据微动补偿量给出相应的驱动电信号，驱动压电陶瓷承载光电探测器完成微动调整。
S4、质心计算：前述速度跟踪动态补偿，与图像曝光均由同一个触发源同步触发开始，图像曝光完成时动态补偿同时停止；图像曝光完成后，由处理单元根据光电探测器生成的恒星图像进行图像处理，完成星点成像初始质心提取；速度跟踪动态补偿完成后，获取压电陶瓷输出的位移反馈，完成像面位置测量；结合初始质心提取结果cp和像面位置测量结果dp，给出星点成像位置准确坐标fp，fp＝cp+dp，完成质心计算。
空间指向测量敏感器包括光学镜头、云台、底座、光电探测器、处理单元、压电微位移台、MEMS陀螺和压电陶瓷控制模块，
压电微位移台包括位移面、支撑结构和压电陶瓷，位移面放置在支撑结构内，位移面与支撑结构之间通过压电陶瓷连接，通过压电陶瓷控制模块向压电陶瓷施加驱动电信号，驱动压电陶瓷承载着位移面相对于支撑结构产生微位移，同时压电陶瓷输出位移测量值。
未向压电陶瓷施加驱动电信号时，位移面位于行程中心位置，称为零位，此时压电陶瓷输出位移测量值为0。
光学镜头将空间恒星成像在光电探测器感光面上，经过光电探测器光电转换生成恒星图像，恒星图像经过处理单元处理，得到空间指向测量结果，MEMS陀螺固定安装在底座上，实时测量空间指向测量敏感器角速度。
当空间指向测量敏感器处于静态时，MEMS陀螺角速度反馈为0，压电陶瓷控制模块驱动电信号为0，压电微位移面位于零位，压电陶瓷输出的位移反馈为0，此时光学镜头光轴穿过光电探测器感光面中心，光电探测器生成恒星图像，经过处理单元处理，完成空间指向测量。
当空间指向测量敏感器进行转动时，MEMS陀螺给出实时的转动角速度反馈，处理单元根据角速度反馈和压电陶瓷当前位移反馈进行控制解算，得出微动补偿量，压电陶瓷控制模块根据微动补偿量给出相应的驱动电信号，驱动压电陶瓷承载着位移面相对于支撑结构产生补偿微位移，光电探测器生成恒星图像，经过处理单元处理，完成空间指向测量。
由于本发明在项目实施中位移反馈精度达到1纳米，像面位置测量结果dp的精度达到1纳米，在敏感器焦距为1米的情况下，动态对测量精度的影响可以忽略。在动态情况下，基于本发明获取的星点成像位置准确坐标进行空间指向解算并输出，动态测量精度可与静态基本一致，避免星点成像拖尾影响，实现空间指向测量敏感器动态测量精度提升。
本发明在动态工况下通过压电陶瓷驱动光电探测器进行补偿运动，减小积分时间内星点成像位置变化，减小动态星点成像拖尾长度，从而提高指向测量敏感器动态测量精度；与现有技术相比，本发明无需降低探测器积分时间，无需提升光学系统口径和探测器光电性能保证信噪比，指向测量敏感器动态精度的提升不再受光学和探测器技术限制；
本发明采用速度跟踪动态补偿方式方式对压电微位移台进行位移控制，在曝光时间内对星点成像位置进行补偿，实现探测器对星点成像位置的实时跟踪；与现有技术相比，本发明可使动态条件下积分时间内探测器上的星点成像位置保持不变，有效降低像素不均匀性对动态星点定位的影响；
本发明在探测器积分结束后，进行星点初始质心提取，结合压电陶瓷输出的精密位移反馈，得到星点成像位置准确坐标；与现有技术相比，本发明将原本受成像拖尾干扰无法准确确定的星点坐标偏移量转为可准确确定的微动台直线位移，引入精密直线位移反馈确定星点坐标，提升动态精度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法，其特征在于，步骤如下：
S1、构建稳像系统：采用压电微位移台支撑敏感器的光电探测器，将压电微位移台的支撑结构固定安装在空间指向测量敏感器底座上，再将光电探测器固定安装在压电微位移台的位移面上，光学镜头通过云台固定安装在空间指向测量敏感器底座上，保证光学镜头焦面与光电探测器感光面重合，构成稳像系统；
S2、速度跟踪动态补偿：当敏感器转动时，在图像曝光生成恒星图像的时间内微位移台承载探测器沿探测器像元行列方向进行补偿运动，补偿位移为s，则当s＝f×tan(w×t)时，减小星点成像拖尾为0；其中，f为敏感器焦距，t为曝光时间，w为敏感器转动角速度；
S3、速度跟踪动态补偿控制：在S2的动态补偿中，以陀螺给出的敏感器转动角速度反馈为速度参考输入wr；对压电陶瓷给出的位移反馈d进行旋转变换，得到微位移台速度实时反馈wf，wf＝Δd/Δt/f，Δ代表微分量；基于wr和wf得出微动补偿量，压电陶瓷控制模块根据微动补偿量确定相应的驱动电信号，驱动压电陶瓷承载光电探测器完成速度跟踪动态补偿控制；
S4、质心计算：S3中速度跟踪动态补偿，与图像曝光均同步触发开始，图像曝光完成时动态补偿同时停止；图像曝光完成后，根据光电探测器生成的恒星图像进行图像处理，完成星点成像初始质心提取，得到初始质心提取结果cp；速度跟踪动态补偿完成后，获取压电陶瓷输出的位移反馈，完成像面位置测量，得到像面位置测量结果dp；结合初始质心提取结果cp和像面位置测量结果dp，给出星点成像质心位置准确坐标fp，fp＝cp+dp，完成质心计算；
S5、在动态情况下，基于星点成像质心位置准确坐标进行空间指向解算并输出，实现空间指向测量敏感器动态测量精度提升；
空间指向测量敏感器包括光学镜头、云台、底座、光电探测器、处理单元、压电微位移台、MEMS陀螺和压电陶瓷控制模块，
压电微位移台包括位移面、支撑结构和压电陶瓷，位移面放置在支撑结构内，位移面与支撑结构之间通过压电陶瓷连接，通过压电陶瓷控制模块向压电陶瓷施加驱动电信号，驱动压电陶瓷承载着位移面相对于支撑结构产生微位移，同时压电陶瓷输出位移测量值。
2.如权利要求1所述的一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法，其特征在于，未向压电陶瓷施加驱动电信号时，位移面位于行程中心位置，称为零位，此时压电陶瓷输出位移测量值为0。
3.如权利要求1所述的一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法，其特征在于，光学镜头将空间恒星成像在光电探测器感光面上，经过光电探测器光电转换生成恒星图像，恒星图像经过处理单元处理，得到空间指向测量结果，MEMS陀螺固定安装在底座上，实时测量空间指向测量敏感器角速度。
4.如权利要求1所述的一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法，其特征在于，当空间指向测量敏感器处于静态时，MEMS陀螺角速度反馈为0，压电陶瓷控制模块驱动电信号为0，压电微位移面位于零位，压电陶瓷输出的位移反馈为0，此时光学镜头光轴穿过光电探测器感光面中心，光电探测器生成恒星图像，经过处理单元处理，完成空间指向测量。
5.如权利要求1所述的一种空间指向测量敏感器动态精度提升方法，其特征在于，当空间指向测量敏感器进行转动时，MEMS陀螺给出实时的转动角速度反馈，处理单元根据角速度反馈和压电陶瓷当前位移反馈进行控制解算，得出微动补偿量，压电陶瓷控制模块根据微动补偿量给出相应的驱动电信号，驱动压电陶瓷承载着位移面相对于支撑结构产生补偿微位移，光电探测器生成恒星图像，经过处理单元处理，完成空间指向测量。
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