CN114894177A - 同轴双视场星敏感器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴双视场星敏感器及其使用方法，该星敏感器包括：透射式成像单元，用于将恒星成像于第一图像传感器上；反射式成像单元，安装在透射式成像单元的后部，且与透射式成像单元同光轴，用于将恒星成像于第二图像传感器上，反射式成像单元的视场小于透射式成像单元，探测星等大于透射式成像单元；第一图像传感器，安装在透射式成像单元的后部，用于将接收到的光学信号转换为电流信号；第二图像传感器，安装在反射式成像单元的后部，用于将接收到的光学信号转换为电流信号；处理器，分别连接第一图像传感器和第二图像传感器，用于完成姿态测量，确定星敏感器的光轴指向。本发明的星敏感器具有较高的姿态测量精度和较大的视场。

Description

同轴双视场星敏感器及其使用方法

技术领域

本发明涉及航天器姿态测量技术领域，尤其涉及一种同轴双视场星敏感器及其使用方法。

背景技术

恒星敏感器(简称为星敏感器)是以恒星为探测对象的高精度空间姿态测量装置，被广泛应用于航天、航空等领域。目前，广泛应用于航天器的星敏感器主要包括：光学系统、图像传感器元件和信号处理单元。现有的星敏感器在使用时，利用光学系统将瞬时视场中的恒星成像于图像传感器元件上，经过光电转换由图像传感器元件的外围电路将转换成的电荷图像读出，基于电荷图像，信号处理单元经过相关算法进行星点提取并计算各星点间的角距，然后将观测星与导航星库中的导航星进行特征匹配，识别出观测星，完成星图识别，最后经过数据处理，确定星敏感器的视轴指向，得出航天器在空间惯性坐标系中的瞬间姿态数据。

星敏感器测量精度是指星敏感器最后输出的姿态角测量精度，它是星敏感器最重要的技术参数和性能指标，而单星测量精度是星敏感器整体精度的基础，它直接影响姿态角测量精度。当星敏感器系统视场和图像传感器像元数一定时，其单星测量精度基本取决于单个像元的角分辨率。其中，单个像元的角分辨率定义为：

其中，σ_pixel表示角分辨率，θ_FOV表示视场角度，N_pixel表示像元数目，L表示图像传感器长度，u表示像元尺寸。

在星敏感器的图像传感器元件确定后，星敏感器的视场和焦距是一对相互制约的关系量，两者的关系具体表示为：

其中，f表示星敏感器的焦距。

同时，现有的星敏感器在俯仰和偏航方向的精度与星数的关系表示为：

其中，σ_star表示单颗星的处理精度，N_stars表示星的数目，σ_{cross-boresight}表示星敏感器在俯仰和偏航方向的精度，理论上，星的数目越多，星敏感器的精度越高。

根据上述各个定义和关系式可知，现有的星敏感器，在图像传感器尺寸确定的情况下，像元尺寸越小单星测量精度越高；在图像传感器尺寸确定的情况下，视场越大，单个像元对应的角分辨率也越大，精度越低。

对于具有快速姿态机动能力的微小卫星来说，一方面要求卫星上安装的星敏感器具有高姿态测量精度，另一方面要求星敏感器具有高动态姿态捕获能力和长期姿态稳定性。为实现上述要求，需要在保持角分辨率的前提下增大星敏感器的视场，以得到长期稳定的高精度测量。理论上，像素尺寸越小，焦距越长，星敏感器的精度越高。但是由于图像传感器的光电转换效率决定了像素越小星等灵敏度越低，星等越高视场中恒星数越少，星敏感器的精度会降低；并且，由于微小卫星质量和体积的限制，要求星敏感器的焦距不能很大，导致现有的星敏感器难以同时满足微小卫星的大视场和高动态的使用需求。

因此，提供一种具有大视场高动态的星敏感器，以为微小卫星提供高精度实时姿态信息成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种同轴双视场星敏感器及其使用方法。

本发明的技术方案如下：

第一方面，提供了一种同轴双视场星敏感器，所述同轴双视场星敏感器包括：

透射式成像单元，所述透射式成像单元用于将恒星成像于第一图像传感器上；

反射式成像单元，所述反射式成像单元安装在所述透射式成像单元的后部，且与所述透射式成像单元同光轴，用于将恒星成像于第二图像传感器上，所述反射式成像单元的视场小于所述透射式成像单元，所述反射式成像单元的探测星等大于所述透射式成像单元；

所述第一图像传感器，所述第一图像传感器安装在所述透射式成像单元的后部，用于将接收到的光学信号转换为电流信号；

所述第二图像传感器，所述第二图像传感器安装在所述反射式成像单元的后部，用于将接收到的光学信号转换为电流信号；

处理器，所述处理器分别连接所述第一图像传感器和所述第二图像传感器，用于根据所述第一图像传感器和所述第二图像传感器获取的图像信号完成姿态测量，确定所述同轴双视场星敏感器的光轴指向。

在一些可能的实现方式中，所述透射式成像单元包括高斯透镜，所述高斯透镜用于将恒星成像于所述第一图像传感器上。

在一些可能的实现方式中，所述反射式成像单元包括折反射镜头，所述折反射镜头用于将恒星成像于所述第二图像传感器上。

在一些可能的实现方式中，所述透射式成像单元的视场为25°，探测星等为4.8，所述反射式成像单元的视场为8°，探测星等为6.2。

在一些可能的实现方式中，所述第一图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

在一些可能的实现方式中，所述第二图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

在一些可能的实现方式中，还包括遮光罩，所述遮光罩安装在所述反射式成像单元的前部，用于抑制外部杂散光。

在一些可能的实现方式中，还包括电源模块，所述电源模块分别连接所述第一图像传感器、所述第二图像传感器和所述处理器，用于提供电能。

第二方面，还提供了一种同轴双视场星敏感器的使用方法，所述方法包括：

透射式成像单元和反射式成像单元进行恒星成像；

处理器基于透射式成像单元的探测星等进行全天区星图识别；

基于全天区星图识别结果，处理器计算透射式成像单元的光轴指向，计算获取同轴双视场星敏感器的低精度姿态信息；

处理器根据透射式成像单元和反射式成像单元的同轴关系确定反射式成像单元的初始指向，根据反射式成像单元的初始指向和反射式成像单元的探测星等进行星图匹配，计算获取同轴双视场星敏感器的高精度姿态信息；

反射式成像单元根据前一时刻的高精度姿态信息进行恒星的跟踪捕获；

处理器基于反射式成像单元的跟踪捕获结果实时计算获取同轴双视场星敏感器的高精度姿态信息；

其中，当处理器基于跟踪捕获结果不能得到高精度姿态信息时，透射式成像单元利用前一时刻的高精度姿态信息进行恒星的跟踪捕获，处理器基于透射式成像单元的跟踪捕获结果计算获取同轴双视场星敏感器的低精度姿态信息，并根据低精度姿态信息重新进行星图匹配，计算获取高精度姿态信息，反射式成像单元根据高精度姿态信息重新进行恒星的捕获跟踪；

其中，当处理器基于跟踪捕获结果不能得到低精度姿态信息时，处理器基于透射式成像单元的探测星等重新进行全天区星图识别。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的同轴双视场星敏感器及其使用方法通过设置同轴的大视场低星等的透射式成像单元和小视场高星等的反射式成像单元进行配合，并充分利用两个成像单元的姿态确定特点，能够在保证星敏感器具有较高的姿态测量精度的情况下，增大星敏感器的视场，使星敏感器具备高动态姿态确定能力和长期的姿态测量稳定性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的同轴双视场星敏感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例的同轴双视场星敏感器的使用方法的流程图。

附图标记说明：

1-透射式成像单元，2-反射式成像单元，3-第一图像传感器，4-第二图像传感器，5-处理器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

参见图1，第一方面，本发明一实施例提供了一种同轴双视场星敏感器，该同轴双视场星敏感器包括：

透射式成像单元1，透射式成像单元1用于将恒星成像于第一图像传感器3上；

反射式成像单元2，反射式成像单元2安装在透射式成像单元1的后部，且与透射式成像单元1同光轴，用于将恒星成像于第二图像传感器4上，反射式成像单元2的视场小于透射式成像单元1，反射式成像单元2的探测星等大于透射式成像单元1；

第一图像传感器3，第一图像传感器3安装在透射式成像单元1的后部，用于将接收到的光学信号转换为电流信号；

第二图像传感器4，第二图像传感器4安装在反射式成像单元2的后部，用于将接收到的光学信号转换为电流信号；

处理器5，处理器5分别连接第一图像传感器3和第二图像传感器4，用于根据第一图像传感器3和第二图像传感器4获取的图像信号完成姿态测量，确定同轴双视场星敏感器的光轴指向。

以下对本发明一实施例提供的同轴双视场星敏感器的工作过程进行具体说明：

具体地，该同轴双视场星敏感器在进行空间姿态测量时，透射式成像单元1和第一图像传感器3，以及反射式成像单元2和第二图像传感器4实时进行恒星成像；处理器5根据透射式成像单元1和第一图像传感器3的成像结果、透射式成像单元1的探测星等进行全天区星图识别；基于全天区星图识别结果，处理器5计算透射式成像单元1的光轴指向，计算获取同轴双视场星敏感器的较低精度姿态信息，根据透射式成像单元1和反射式成像单元2的同轴关系确定反射式成像单元2的初始指向，根据反射式成像单元2的初始指向和反射式成像单元2的探测星等进行星图匹配，计算获取同轴双视场星敏感器的较高精度姿态信息；反射式成像单元2根据前一时刻的较高精度姿态信息实时进行恒星的跟踪捕获；处理器5基于反射式成像单元2的跟踪捕获结果实时计算获取同轴双视场星敏感器的较高精度姿态信息；当处理器5基于反射式成像单元2的跟踪捕获结果不能计算得到同轴双视场星敏感器的较高精度姿态信息时，透射式成像单元1利用前一时刻的较高精度姿态信息进行恒星的跟踪捕获，处理器5基于透射式成像单元1的跟踪捕获结果计算获取同轴双视场星敏感器的较低精度姿态信息，并根据较低精度姿态信息和反射式成像单元2的探测星等重新进行星图匹配，计算获取同轴双视场星敏感器的较高精度姿态信息，反射式成像单元2根据同轴双视场星敏感器的较高精度姿态信息重新进行恒星的捕获跟踪；当处理器5基于透射式成像单元1的跟踪捕获结果不能计算得到同轴双视场星敏感器的较低精度姿态信息时，处理器5基于透射式成像单元1的探测星等重新进行全天区星图识别，基于全天区星图识别结果，处理器5、透射式成像单元1和反射式成像单元2重新进行上述处理过程。

可见，本发明一实施例提供的同轴双视场星敏感器通过设置同轴的大视场低星等的透射式成像单元1和小视场高星等的反射式成像单元2进行配合，并充分利用两个成像单元的姿态确定特点，能够在保证星敏感器具有较高的姿态测量精度的情况下，增大星敏感器的视场，使星敏感器具备高动态姿态确定能力和长期的姿态测量稳定性。

上述的透射式成像单元1可以包括高斯透镜，高斯透镜将恒星成像于第一图像传感器3上。

上述的反射式成像单元2可以包括折反射镜头，折反射镜头将恒星成像于第二图像传感器4上。

本发明一实施例中，透射式成像单元1和反射式成像单元2的视场大小可以根据实际需求进行设置，透射式成像单元1和反射式成像单元2的探测星等也可以根据实际需求进行设计。例如，透射式成像单元1的视场为25°，探测星等为4.8，反射式成像单元2的视场为8°，探测星等为6.2。

进一步地，第一图像传感器3和第二图像传感器4可以采用任一种传感器元件，只要能够将透射式成像单元1和反射式成像单元2采集的光学信号转换为电流信号即可。

可选的，第一图像传感器3可以为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

同理，第二图像传感器4也可以为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

进一步地，该同轴双视场星敏感器还可以包括遮光罩，遮光罩安装在反射式成像单元2的前部，且覆盖透射式成像单元1，用于抑制外部杂散光。

由于透射式成像单元1和反射式成像单元2的成像面的位置不同，透射式成像单元1位于反射式成像单元2的前部，通过在反射式成像单元2的前部安装遮光罩，并使遮光罩覆盖透射式成像单元1，能够同时实现大视场和小视场的遮光。

进一步地，该同轴双视场星敏感器还可以包括电源模块，电源模块分别连接第一图像传感器3、第二图像传感器4和处理器5，用于提供电能。

通过设置独立的电源模块，利用电源模块提供星敏感器工作所需电能，无需外接电源，能够提高该星敏感器的使用便利性。

参见图2，第二方面，本发明一实施例提供的一种上述的同轴双视场星敏感器的使用方法，该方法包括以下步骤：

透射式成像单元1和反射式成像单元2进行恒星成像；

处理器5基于透射式成像单元1的探测星等进行全天区星图识别；

基于全天区星图识别结果，处理器5计算透射式成像单元1的光轴指向，计算获取同轴双视场星敏感器的低精度姿态信息；

处理器5根据透射式成像单元1和反射式成像单元2的同轴关系确定反射式成像单元2的初始指向，根据反射式成像单元2的初始指向和反射式成像单元2的探测星等进行星图匹配，计算获取同轴双视场星敏感器的高精度姿态信息；

反射式成像单元2根据前一时刻的高精度姿态信息进行恒星的跟踪捕获；

处理器5基于反射式成像单元2的跟踪捕获结果实时计算获取同轴双视场星敏感器的高精度姿态信息；

其中，当处理器5基于跟踪捕获结果不能得到高精度姿态信息时，透射式成像单元1利用前一时刻的高精度姿态信息进行恒星的跟踪捕获，处理器5基于透射式成像单元1的跟踪捕获结果计算获取同轴双视场星敏感器的低精度姿态信息，并根据低精度姿态信息重新进行星图匹配，计算获取高精度姿态信息，反射式成像单元2根据高精度姿态信息重新进行恒星的捕获跟踪；

其中，当处理器5基于跟踪捕获结果不能得到低精度姿态信息时，处理器5基于透射式成像单元1的探测星等重新进行全天区星图识别。

更具体地，该同轴双视场星敏感器在使用时，透射式成像单元1和第一图像传感器3，以及反射式成像单元2和第二图像传感器4实时进行恒星成像；处理器5根据透射式成像单元1和第一图像传感器3的成像结果、透射式成像单元1的探测星等进行全天区星图识别；基于全天区星图识别结果，处理器5计算透射式成像单元1的光轴指向，计算获取同轴双视场星敏感器的较低精度姿态信息，根据透射式成像单元1和反射式成像单元2的同轴关系确定反射式成像单元2的初始指向，根据反射式成像单元2的初始指向和反射式成像单元2的探测星等进行星图匹配，计算获取同轴双视场星敏感器的较高精度姿态信息；反射式成像单元2根据前一时刻的较高精度姿态信息实时进行恒星的跟踪捕获；处理器5基于反射式成像单元2的跟踪捕获结果实时计算获取同轴双视场星敏感器的较高精度姿态信息；当处理器5基于反射式成像单元2的跟踪捕获结果不能计算得到同轴双视场星敏感器的较高精度姿态信息时，透射式成像单元1利用前一时刻的较高精度姿态信息进行恒星的跟踪捕获，处理器5基于透射式成像单元1的跟踪捕获结果计算获取同轴双视场星敏感器的较低精度姿态信息，并根据较低精度姿态信息和反射式成像单元2的探测星等重新进行星图匹配，计算获取同轴双视场星敏感器的较高精度姿态信息，反射式成像单元2根据同轴双视场星敏感器的较高精度姿态信息重新进行恒星的捕获跟踪；当处理器5基于透射式成像单元1的跟踪捕获结果不能计算得到同轴双视场星敏感器的较低精度姿态信息时，处理器5基于透射式成像单元1的探测星等重新进行全天区星图识别，基于全天区星图识别结果，处理器5、透射式成像单元1和反射式成像单元2重新进行上述处理过程。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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 (9)

1.一种同轴双视场星敏感器，其特征在于，包括：

透射式成像单元，所述透射式成像单元用于将恒星成像于第一图像传感器上；

反射式成像单元，所述反射式成像单元安装在所述透射式成像单元的后部，且与所述透射式成像单元同光轴，用于将恒星成像于第二图像传感器上，所述反射式成像单元的视场小于所述透射式成像单元，所述反射式成像单元的探测星等大于所述透射式成像单元；

所述第一图像传感器，所述第一图像传感器安装在所述透射式成像单元的后部，用于将接收到的光学信号转换为电流信号；

所述第二图像传感器，所述第二图像传感器安装在所述反射式成像单元的后部，用于将接收到的光学信号转换为电流信号；

处理器，所述处理器分别连接所述第一图像传感器和所述第二图像传感器，用于根据所述第一图像传感器和所述第二图像传感器获取的图像信号完成姿态测量，确定所述同轴双视场星敏感器的光轴指向。

2.根据权利要求1所述的同轴双视场星敏感器，其特征在于，所述透射式成像单元包括高斯透镜，所述高斯透镜用于将恒星成像于所述第一图像传感器上。

3.根据权利要求1所述的同轴双视场星敏感器，其特征在于，所述反射式成像单元包括折反射镜头，所述折反射镜头用于将恒星成像于所述第二图像传感器上。

4.根据权利要求1所述的同轴双视场星敏感器，其特征在于，所述透射式成像单元的视场为25°，探测星等为4.8，所述反射式成像单元的视场为8°，探测星等为6.2。

5.根据权利要求1所述的同轴双视场星敏感器，其特征在于，所述第一图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

6.根据权利要求1所述的同轴双视场星敏感器，其特征在于，所述第二图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

7.根据权利要求1所述的同轴双视场星敏感器，其特征在于，还包括遮光罩，所述遮光罩安装在所述反射式成像单元的前部，用于抑制外部杂散光。

8.根据权利要求1所述的同轴双视场星敏感器，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块分别连接所述第一图像传感器、所述第二图像传感器和所述处理器，用于提供电能。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的同轴双视场星敏感器的使用方法，其特征在于，所述方法包括：

透射式成像单元和反射式成像单元进行恒星成像；

处理器基于透射式成像单元的探测星等进行全天区星图识别；

基于全天区星图识别结果，处理器计算透射式成像单元的光轴指向，计算获取同轴双视场星敏感器的低精度姿态信息；

处理器根据透射式成像单元和反射式成像单元的同轴关系确定反射式成像单元的初始指向，根据反射式成像单元的初始指向和反射式成像单元的探测星等进行星图匹配，计算获取同轴双视场星敏感器的高精度姿态信息；

反射式成像单元根据前一时刻的高精度姿态信息进行恒星的跟踪捕获；

处理器基于反射式成像单元的跟踪捕获结果实时计算获取同轴双视场星敏感器的高精度姿态信息；

其中，当处理器基于跟踪捕获结果不能得到高精度姿态信息时，透射式成像单元利用前一时刻的高精度姿态信息进行恒星的跟踪捕获，处理器基于透射式成像单元的跟踪捕获结果计算获取同轴双视场星敏感器的低精度姿态信息，并根据低精度姿态信息重新进行星图匹配，计算获取高精度姿态信息，反射式成像单元根据高精度姿态信息重新进行恒星的捕获跟踪；

其中，当处理器基于跟踪捕获结果不能得到低精度姿态信息时，处理器基于透射式成像单元的探测星等重新进行全天区星图识别。

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