CN114235171B - 一种星载红外相机全光路定标机构 - Google Patents
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Abstract
一种星载红外相机全光路定标机构，包括滑移机构(2)和滑轨(6)，滑轨(6)安装在星载红外相机(1)下方卫星舱板(4)上，滑移机构(2)在滑轨(6)上滑动。卫星舱板(4)上开设有视窗，视窗外部为冷空间。当星载红外相机(1)处于拍照模式时，滑移机构(2)不对视窗进行遮挡，星载红外相机(1)正常进行拍照。当星载红外相机(1)处于定标模式或者常时飞行模式时，滑移机构(2)沿滑轨(6)移动至视窗处对视窗进行遮挡。滑移机构(2)上设置有热黑体(2021)和冷黑体(2024)，且热黑体(2021)和冷黑体(2024)分别位于同一平面的两侧，星载红外相机(1)镜头通过对准热黑体(2021)进行热定标，通过对准冷黑体(2024)进行冷定标。
Description
技术领域
本发明属于航天光学测量技术领域，涉及一种星载红外相机的定标机构。
背景技术
星载红外相机的标定机构主要面向以卫星为首的航天器应用，应以定标精确、可靠性强、结构紧凑、机构运行对卫星影响较小为设计原则。
目前，常用的星载红外相机的标定机构主要分为半光路定标和全光路定标，半光路定标指定标机构不通过镜头，不经过相机完整光路，直接对探测器进行定标。全光路定标指定标机构通过镜头，走过完整光路后，对探测器进行定标。原理上，半光路定标可以做到结构紧凑，但其定标精确性劣于全光路定标。
在全光路定标方面，有多种技术形式，虽然可以满足全光路定标功能，但在定标精度、结构紧凑、机构运行对卫星影响上都具有多点或单点的损失。以下是几种常见的星载红外相机定标的技术形式：
1、姿轨控调整，整星姿态改变，大范围定标
如专利CN201910955433.5《一种大椭圆轨道微波辐射计在轨定标方法》，采用旋转扫描镜分别对热定标源体和深冷空间的定标方式，要求旋转镜精度高，可靠性强，结构复杂，星内空间占用大。
2、曲柄连杆转动式
如专利CN201911148633.6《一种高可靠性高自锁能力定标机构》，包括驱动组件、执行组件和反馈组件，驱动组件驱动执行组件的打开与闭合，反馈组件反馈执行组件的旋转角度，驱动组件和反馈组件设置在执行组件的相对的两侧，驱动组件还配合有制动器。此种定标机构仅能实现单黑体定标，结构不够紧凑，星内占用空间大。
3、电机涡轮蜗杆式
如专利CN201510618273《一种热红外高光谱成像仪真空控温自锁定实时定标装置》，包括真空黑体组件，蜗轮轴承组件，电机蜗杆组件，安装在热红外高光谱成像仪望远镜前方，利用蜗轮蜗杆实现定标装置的平移来对相机进行在轨实时定标。该专利仅能实现单黑体定标，机构移动速度慢，通用性差。
4、转轴切入式
如专利CN201911093545《一种切入式星载大视场红外相机定标机构》，发射时选用锁定机构对定标机构锁住，卫星进入轨道后再解锁。黑体在黑体碳纤维罩内升温至设定的定标温度后，由步进电机驱动黑体切入光路进行定标；考虑到装置的可靠性，在定标机构中加入了圆柱压缩弹簧，圆柱压缩弹簧的扭矩大于电机断电时的自定位力矩且小于电机正常工作的输出力矩，由此在断电时，圆柱压缩弹簧可将黑体从光路中拉出。该专利自锁性较差，需要位置反馈实现定位功能，一旦出现位置反馈信息传递故障，将可能出现机构自损，且仅能实现单黑体定标。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种定标精度高、对卫星阻力影响小，结构相对紧凑、可实现冷热双重定标的星载红外相机全光路定标机构。
本发明的技术解决方案是：一种星载红外相机全光路定标机构，包括滑移机构和滑轨，滑轨安装在星载红外相机下方的卫星舱板上，滑移机构在滑轨上滑动，所述卫星舱板上开设有视窗，视窗外部为冷空间；当星载红外相机处于拍照模式时，滑移机构不对所述视窗进行遮挡，星载红外相机通过视窗正常进行拍照；当星载红外相机处于定标模式或者常时飞行模式时，滑移机构沿滑轨移动至所述视窗处对所述视窗进行遮挡；所述滑移机构上设置有热黑体和冷黑体，且热黑体和冷黑体分别位于同一平面的两侧，星载红外相机镜头通过对准热黑体进行热定标，通过对准冷黑体进行冷定标。
优选的，所述的滑移机构包括滑移机构安装框架、定标叶板、锁定装置、驱动电机、定极电磁铁、多连杆机构，定标叶板为四层板状结构，从上至下依次包括热黑体、加热片、真空隔热板、冷黑体，两端分别通过叶板安装框架和叶板-连杆安装框架并配合轴承安装在滑移机构安装框架上；所述的定标叶板有N个，N≥2；驱动电机机身通过电机安装支架连接至滑移机构安装框架上，驱动电机的电机轴通过联轴器与一个定标叶板的叶板安装框架相连接，每个定标叶板的叶板-连杆安装框架通过铰链与多连杆机构相连接；在驱动电机的转动力作用下，各定标叶板同步旋转；锁定装置用于固定滑移机构安装框架在滑轨上的位置，定极电磁铁安装在滑移机构安装框架上，用于与卫星舱板上的变极电磁铁配合，通过磁力驱动滑移机构安装框架的运动。
优选的，所述的滑移机构还包括定位滑块，定位滑块在滑移机构安装框架上成对安装，安装位置为相邻定标叶板的交界并靠近同一侧定标叶板处，定位滑块由定位安装板进行限位，每一对定位滑块限位一块定标叶板。
优选的，所述的定位滑块采用带反馈功能的限位开关，反馈信号作为驱动电机是否停止转动的控制信号。
优选的，所述的锁定装置包括锁芯、弹簧、电磁铁以及锁定板，其中锁定板安装在卫星舱板上，锁芯、弹簧、电磁铁安装在滑移机构安装框架上，锁定板上对应开设有与锁芯孔洞大小相同的孔洞，由电磁铁与弹簧组合控制可被磁极吸引的锁芯的弹起与收回，在弹起时，锁芯部分露出并伸入锁定板的孔洞中锁定，收回时，锁芯从锁定板的孔洞中缩回。
优选的，所述的N＝2，多连杆机构选用平行四杆机构。
优选的，所述的N大于等于3时，多连杆机构选用平行多连杆机构，多连杆包括一个主动杆和多个从动杆，主动杆与各从动杆平行，主动杆与各从动杆位于同侧的一端通过铰链与传动长连杆连接，转动力由传动长连杆传递至从动杆，从动杆与主动杆等长，转动角速度一致。
优选的，所述的冷黑体与热黑体上都贴有测温片。
优选的，在常时飞行模式下，冷黑体透过视窗面向卫星外部冷空间，热黑体面向卫星内部，星载红外相机处于待机模式。
优选的，所述的滑轨采用阻尼滑轨，在滑移方向两侧的卫星舱板与滑移机构上装设有阻尼材料。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明机构可实现全光路定标，相比于半光路定标，定标精度更高，同时可以实现冷热双重定标，切换平滑隔热可靠；
(2)本发明用于相机三种模式的切换，针对不同任务模式可兼顾冷、热定标、拍照以及常时飞行遮挡，可实现全光路冷、热定标，定标精度高，冷、热定标衔接性好，可较大限度地节省定标机构在卫星上所占空间，在冷、热定标切换时，对卫星阻力影响较小，具有可靠的锁定与限位，具有较高的可靠性与普适性；
(3)飞行模式下，定标机构主体部分可遮盖相机，使相机隔离于卫星舱体内，避免长时间暴露与外部空间受到原子氧或强光的损害，同时冷黑体朝向舱外冷空间，可以在飞行模式下对冷黑体进行充分冷却，具备高效性；
(4)本发明定标机构可用于需要相机高精度定标、空间紧凑、飞行阻力较大的超低轨或低轨卫星，亦可以用于地面、飞机、航天器以及中、高轨道卫星上的相机定标。
附图说明
图1为本发明定标机构的拍照模式示意图；
图2为本发明定标机构的定标模式示意图；
图3为图2的正视图；
图4为本发明定标机构在定标模式下滑移机构的热定标状态示意图；
图5为本发明定标机构在定标模式下滑移机构的冷、热定标翻转状态示意图；
图6为本发明定标机构在定标模式下滑移机构的冷定标状态示意图；
图7为本发明定标机构进行定标示意图；
图8为图7的后视图，其中图a为冷定标状态，b为冷热翻转状态、c为热定标状态；
图9为本发明定标机构的定标叶板示意图；
图10为本发明定标机构的锁定装置示意图；
图11为选用反平行四边形连杆机构翻转示意图，其中图a为冷定标状态，b为冷热翻转状态、c为热定标状态。
附图标记：
1为星载红外相机；2为滑移机构；3为变极电磁铁；4为卫星舱板；5为锁定板；6为滑轨；
201为滑移机构安装框架；202为定标叶板；203为锁定装置；204为联轴器；205为驱动电机；206为电机安装支架；207为透盖；208为定极电磁铁；209为定位安装板；210为多连杆机构；211为定位滑块；
2021为热黑体；2022为加热片；2023为真空隔热板；2024为冷黑体；2025为叶板安装框架；2026为叶板-连杆安装框架；2031为锁芯；2032为弹簧；2033为安装支架；2034为电磁铁；2035为安装底板；2101为主动杆；2102为传动长连杆；2103为从动杆；2104为铰链。
具体实施方式
本发明所涉及的星载红外相机具有三种任务模式，分别为拍照模式、定标模式及常时飞行模式，拍照模式用于星载红外相机遥感观测，定标模式用于对星载红外相机进行黑体定标，常时飞行模式用于卫星常时飞行，不进行遥感观测与定标。进而，定标模式下分为冷定标与热定标。
如图1、2、3所示，本发明星载红外相机全光路定标机构主要由滑移机构2、变极电磁铁3、锁定板5、滑轨6等组成。星载红外相机1、变极电磁铁3、锁定板5、滑轨6皆由固定件安装至卫星舱板4上。
如图4、5所示，滑移机构2主要由滑移机构安装框架201、定标叶板202、锁定装置203、驱动电机205、定极电磁铁208、多连杆机构210、定位滑块211等组成。如图9所示，定标叶板202主要由热黑体2021、加热片2022、真空隔热板2023、冷黑体2024以及叶板安装框架2025、叶板-连杆安装框架2026组成。如图10所示，锁定装置203主要由锁芯2031、弹簧2032、电磁铁2034组成。如图8所示，多连杆机构210主要由主动杆2101、传动长连杆2102、从动杆2103以及铰链2104组成。
如图4～8所示，驱动电机205机身通过电机安装支架206连接至滑移机构安装框架201上，电机轴通过联轴器204与定标叶板202的叶板安装框架2025相连接，定标叶板202另一侧通过叶板-连杆安装框架2026以及铰链2104与多连杆机构210的主动杆2101相连接，周向以销钉固定，轴向以卡箍固定。经由铰链2104连接，转动力由传动杆2102传递至从动杆2103，从动杆2103与主动杆2101等长，转动角速度保持一致。同时，从动杆2103通过叶板-连杆安装框架2026连接对应的定标叶板202，每个定标叶板202两端安装有轴承，轴向由透盖207进行固定。在相邻定标叶板202的交界处，靠近同一侧定标叶板202处，装有定位滑块211，定位滑块211在滑移机构安装框架201上成对安装，定位滑块211由定位安装板209进行限位，每一对定位滑块211限位一块定标叶板202，，具体如图11(a)(b)(c)所示。
对于定标叶板202的数量N，通常取大于等于3块(N≥3)，互相采用多连杆机构210连接，亦可采用2块(N＝2)，互相采用平行四杆机构连接，亦可采用1块(N＝1)。定标叶板202数量越多，在翻转时滑移机构2规划的翻转空间越小，越有利于节省卫星空间减少翻转时卫星所受阻力影响的变化。
多连杆机构210选用平行连杆机构，即主动杆2101与各从动杆2103平行，各定标叶板202转动角速度大小相同方向相同。亦可以在相邻定标叶板202间选用反平行四边形连杆机构连接，即主动杆2101与从动杆2103转动方向相反，角速度不同，但翻转180°的时间相同。如此一来，采用平行连杆机构时，一对定位滑块211只能限位一块定标叶板202，采用反平行四边形连杆机构，一对定位滑块211可以限位相邻两块定标叶板202。
定位滑块211可采用带反馈功能的限位开关，反馈信号可作为驱动电机205是否停止转动的控制信号，亦可采用无反馈功能的普通滑块。
滑移机构安装框架201一侧安装有定极电磁铁208，具有定方向磁极，同时具有根据通电与否改变磁性有无的特性，滑移机构安装框架201另一侧安装有锁定装置203，锁定装置203内部由电磁铁2034与弹簧2032组合控制可被磁极吸引的锁芯2031的弹起与收回，在弹起时，锁芯2031部分露出于锁定装置203，收回时，锁芯2031完全收回于锁定装置203。
定极电磁铁208正对方向的卫星舱板4上对应安装有变极电磁铁3，具有根据改变电流方向而具有相反方向磁极的特性，同时具有根据通电与否改变磁性有无的特性。改变变极电磁铁3的磁极方向可与定极电磁铁208形成相吸与相斥两种状态，同时改变通电状态可使两种电磁铁同时失去磁性。锁定装置203正对方向的卫星舱板4上对应安装有锁定板5，锁定板5上对应开设有与锁定装置弹出锁芯2031孔洞大小相同的孔洞。
定标模式下，星载红外相机1进行定标，滑移机构2位于星载红外相机1的正下方，锁定装置203处于锁芯2031弹出状态，锁芯2031部分插入于固定在卫星舱板4上的锁定板5中，以使滑移机构2限位固定，不会在定标模式下发生串动。星载红外相机1定标分为全光路热黑体定标与冷黑体定标，如图8所示，在定标准备阶段，星载红外相机1处于待机模式，此时热黑体2021面向卫星内部，冷黑体2024面向卫星外部，滑移机构2对应的底板卫星舱板4位置开设有视窗，视窗外部为冷空间，此时进行定标准备工作，定标叶板202内部加热片2022通电工作，为热黑体2021进行标定温度的加热，同时冷黑体2024与外部冷空间接触进行降温，冷黑体2024与热黑体2021、加热片2022之间由真空隔热板2023进行热隔离。冷黑体2024与热黑体2021上都贴有测温片，当测量热黑体2021、冷黑体2024达到标定所需温度且温度均匀时，准备工作结束，进入定标阶段，星载红外相机1处于定标模式，镜头对准热黑体2021先进行热定标，热定标结束后，驱动电机205转动，对定标叶板202进行翻转，多个定标叶板202经由多连杆机构210相互连接，可同步联动转动，在翻转过程，定标叶板202拨动定位滑块211，限位至定标叶板202翻转180°。定标叶板202翻转180°后，热黑体2021面向卫星外部，冷黑体2024面向卫星内部，此时进行冷定标。冷定标结束后，驱动电机205反向转动，定标叶板202反方向拨动定位滑块211，限位至定标叶板202翻转180°。至此，定标模式结束，进入常时飞行模式，在常时飞行模式下冷黑体2024透过视窗面向卫星外部冷空间，热黑体2021面向卫星内部，星载红外相机1处于待机模式。常时飞行模式滑移机构2遮挡视窗，起到保护星载红外相机1探测器不受意外强光、激光等照射伤害，同时可保护星载红外相机1在常时飞行时不受外部空间粒子对镜头、镜片击打、摩擦伤害。
滑移机构2的滑移运动采用定极与变极电磁铁相斥力与吸引力驱动，亦可以采用音圈电机、电机丝杠螺母机构、电机曲柄滑块机构、电磁铁弹簧组合机构进行滑移运动的驱动。滑轨6采用阻尼滑轨，亦可采用普通滑轨，同时在滑移方向两侧的卫星舱板4与滑移机构2安装框架上装设有阻尼材料，以达到防止机构间、机构与舱板间碰撞损坏目的。
当卫星具有拍照任务时，进入拍照模式，此时滑移机构2上的锁定装置203发生解锁，改变电流有无使电磁铁2034产生磁性，吸引锁芯2031，压缩弹簧2032，使锁芯2031完全收回于锁定装置203中。解锁完成后，改变电流有无使安装在滑移机构2上的定极电磁铁208产生磁性，同时改变电流有无与方向使安装在卫星舱板4上的变极电磁铁3具有磁性，此时定极电磁铁208与变极电磁铁3临近磁极为互异，产生吸引力，使滑移机构2通过导轨6相对于底部卫星舱板4发生滑动，从星载红外相机1下方滑移至变极电磁铁3一侧，使星载红外相机1通过底板卫星舱板4所开视窗可对卫星外部空间进行拍摄，在拍摄模式下，定标机构不发生任何翻转。
星载红外相机1拍摄结束后，恢复常时飞行模式，改变变极电磁铁3电流方向，保持定极电磁铁208通电特性，此时定极电磁铁208与变极电磁铁3临近磁极为相同，产生排斥力，使滑移机构2通过导轨6相对于底部卫星舱板4发生滑动，从变极电磁铁3一侧滑移至星载红外相机1下方，而后锁定装置203进行锁定，改变电流有无使电磁铁2034失去磁性，在弹簧2032的作用下，弹起锁芯2031，使锁芯2031部分处于锁定装置203中、另一部分插入锁定板5对应孔洞内，实现滑移机构2的锁定。
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 (9)
1.一种星载红外相机全光路定标机构，其特征在于：包括滑移机构(2)和滑轨(6)，滑轨(6)安装在星载红外相机(1)下方的卫星舱板(4)上，滑移机构(2)在滑轨(6)上滑动，所述卫星舱板(4)上开设有视窗，视窗外部为冷空间；当星载红外相机(1)处于拍照模式时，滑移机构(2)不对所述视窗进行遮挡，星载红外相机(1)通过视窗正常进行拍照；当星载红外相机(1)处于定标模式或者常时飞行模式时，滑移机构(2)沿滑轨(6)移动至所述视窗处对所述视窗进行遮挡；所述滑移机构(2)上设置有热黑体(2021)和冷黑体(2024)，且热黑体(2021)和冷黑体(2024)分别位于同一平面的两侧，星载红外相机(1)镜头通过对准热黑体(2021)进行热定标，通过对准冷黑体(2024)进行冷定标；
所述的滑移机构(2)包括滑移机构安装框架(201)、定标叶板(202)、锁定装置(203)、驱动电机(205)、定极电磁铁(208)、多连杆机构(210)，定标叶板(202)为四层板状结构，从上至下依次包括热黑体(2021)、加热片(2022)、真空隔热板(2023)、冷黑体(2024)，两端分别通过叶板安装框架(2025)和叶板-连杆安装框架(2026)并配合轴承安装在滑移机构安装框架(201)上；所述的定标叶板(202)有N个，N≥2；驱动电机(205)机身通过电机安装支架(206)连接至滑移机构安装框架(201)上，驱动电机(205)的电机轴通过联轴器(204)与一个定标叶板(202)的叶板安装框架(2025)相连接，每个定标叶板(202)的叶板-连杆安装框架(2026)通过铰链(2104)与多连杆机构(210)相连接；在驱动电机(205)的转动力作用下，各定标叶板(202)同步旋转；锁定装置(203)用于固定滑移机构安装框架(201)在滑轨(6)上的位置，定极电磁铁(208)安装在滑移机构安装框架(201)上，用于与卫星舱板(4)上的变极电磁铁(3)配合，通过磁力驱动滑移机构安装框架(201)的运动。
2.根据权利要求1所述的一种星载红外相机全光路定标机构，其特征在于：所述的滑移机构(2)还包括定位滑块(211)，定位滑块(211)在滑移机构安装框架(201)上成对安装，安装位置为相邻定标叶板(202)的交界并靠近同一侧定标叶板(202)处，定位滑块(211)由定位安装板(209)进行限位，每一对定位滑块(211)限位一块定标叶板(202)。
3.根据权利要求2所述的一种星载红外相机全光路定标机构，其特征在于：所述的定位滑块(211)采用带反馈功能的限位开关，反馈信号作为驱动电机(205)是否停止转动的控制信号。
4.根据权利要求1所述的一种星载红外相机全光路定标机构，其特征在于：所述的锁定装置(203)包括锁芯(2031)、弹簧(2032)、电磁铁(2034)以及锁定板(5)，其中锁定板(5)安装在卫星舱板(4)上，锁芯(2031)、弹簧(2032)、电磁铁(2034)安装在滑移机构安装框架(201)上，锁定板(5)上对应开设有与锁芯(2031)孔洞大小相同的孔洞，由电磁铁(2034)与弹簧(2032)组合控制可被磁极吸引的锁芯(2031)的弹起与收回，在弹起时，锁芯(2031)部分露出并伸入锁定板(5)的孔洞中锁定，收回时，锁芯(2031)从锁定板(5)的孔洞中缩回。
5.根据权利要求1所述的一种星载红外相机全光路定标机构，其特征在于：所述的N＝2，多连杆机构(210)选用平行四杆机构。
6.根据权利要求1所述的一种星载红外相机全光路定标机构，其特征在于：所述的N大于等于3时，多连杆机构(210)选用平行多连杆机构，多连杆包括一个主动杆(2101)和多个从动杆(2103)，主动杆(2101)与各从动杆(2103)平行，主动杆(2101)与各从动杆(2103)位于同侧的一端通过铰链(2104)与传动长连杆(2102)连接，转动力由传动长连杆(2102)传递至从动杆(2103)，从动杆(2103)与主动杆(2101)等长，转动角速度一致。
7.根据权利要求1所述的一种星载红外相机全光路定标机构，其特征在于：所述的冷黑体(2024)与热黑体(2021)上都贴有测温片。
8.根据权利要求1所述的一种星载红外相机全光路定标机构，其特征在于：在常时飞行模式下，冷黑体(2024)透过视窗面向卫星外部冷空间，热黑体(2021)面向卫星内部，星载红外相机(1)处于待机模式。
9.根据权利要求1所述的一种星载红外相机全光路定标机构，其特征在于：所述的滑轨(6)采用阻尼滑轨，在滑移方向两侧的卫星舱板(4)与滑移机构(2)上装设有阻尼材料。
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