CN117741926A - 惯组捷联式星敏感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及星敏感器领域,尤其涉及一种惯组捷联式星敏感器及其应用,包括安装在惯性导航系统内的整机支架和依次安装在整机支架内的镜头组件和成像组件,镜头组件包括镜筒和安装在镜筒内的光学系统,光学系统采用折转式光路设计,包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜。本发明利用反射镜压缩折叠光路的方法,对星敏感器的光学系统进行压缩,使其尺寸可放入惯性导航系统内部,无需单独使用安装结构对星敏感器光学系统进行安装,从而降低星敏感器的体积、重量及生产成本。同时,星敏感器随着惯性导航系统进行转动,形成环带大视场,在保证平台不动的情况下实现大视场多恒星探测。
Description
技术领域
本发明涉及星敏感器技术领域,尤其涉及一种惯组捷联式星敏感器及其应用。
背景技术
目前,天文导航系统主要使用的仪器是星敏感器,通过星点在图像传感器平面上的投影,进行星图识别,在导航星库中找到相应恒星的赤经和赤纬。在一次观测中观测到多颗恒星的信息,利用星敏感器与载体的几何关系和星矢量在星敏感器坐标系、惯性坐标系中的关系可以得到载体的三轴姿态角。由于恒星在天球惯性坐标系中的位置基本保持不变,因此通过星敏感器测得的姿态信息基本上不存在漂移误差,从这一点来看,可以把星敏感器视为不存在漂移的陀螺。
目前常规的天文导航定位、定姿算法通常需要观测两颗以上的恒星才能完成对位置和姿态的解算。并且在进行导航时,为了获得较好的导航精度,对于恒星的选取也有要求。但在实际飞行过程中,由于星敏感器始终随着飞行器处于不断的运动过程中,同时飞行器还受到当地气象、高度等条件的约束,要同时实现选择两颗及以上的具有较好几何配置关系的恒星比较困难。
发明内容
鉴于上述问题,本发明提出一种惯组捷联式星敏感器及其应用,将直筒式光学系统的星敏感器进行折转压缩后,安装到惯性导航系统内部,通过惯性导航系统带动星敏感器转动,形成环带大视场,在保证平台不动的情况下实现大视场多恒星探测。
一方面,本发明提供一种惯组捷联式星敏感器,包括安装在惯性导航系统内的整机支架和依次安装在整机支架内的镜头组件和成像组件,镜头组件包括镜筒和安装在镜筒内的光学系统,光学系统包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜,第二平面反射镜与第三平面反射镜呈90°夹角摆放,第一平面反射镜、第一透镜、第二透镜与第三透镜依次设置在第二平面反射镜的入射方向上,第四透镜与第五透镜设置在第三平面反射镜的反射方向上;第一透镜与第五透镜为双凸透镜,第二透镜与第四透镜为双凹透镜,第三透镜为弯月透镜;第一透镜、第三透镜与第五透镜均为正光焦度透镜,第二透镜与第四透镜均为负光焦度透镜。
优选地,第一透镜的前表面曲率半径为41.21mm,第一透镜的后表面曲率半径为-39.76mm,第一透镜的中心厚度为7.2mm;第二透镜的前表面曲率半径为-34.43mm,第二透镜的后表面曲率半径为25.87mm,第二透镜的中心厚度为3mm;第三透镜的前表面曲率半径为25.00mm,第三透镜的后表面曲率半径为572.43mm,第三透镜的中心厚度为5.54mm;第四透镜的前表面曲率半径为-14.65mm,第四透镜的后表面曲率半径为14.03mm,第四透镜的中心厚度为3mm;第五透镜的前表面曲率半径为15.15mm,第五透镜的后表面曲率半径为-33.21mm,第五透镜的中心厚度为5.49mm。
优选地,第一平面反射镜与第一透镜之间的空气间隔为30mm;第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为1.26mm;第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为0.20mm;第三透镜与第一平面反射镜之间的空气间隔为11.35mm;第一平面反射镜与第二平面反射镜之间的空气间隔为25mm;第二平面反射镜与第四透镜之间的空气间隔为15mm;第四透镜与第五透镜之间的空气间隔为6.34mm。
优选地,第一透镜与第三透镜的材料为H-ZK20,第二透镜的材料为H-F2,第四透镜的材料为H-QF3,第五透镜的材料为H-ZLAF68C。
优选地,成像组件包括依次设置的焦面组件、焦面相变盒和成像板。
优选地,惯组捷联式星敏感器还包括固定在镜筒上的遮光罩,遮光罩的位置与第一平面反射镜的位置相对应。
优选地,惯组捷联式星敏感器进一步包括与整机支架固定的电连接器。
另一方面,本发明提供一种惯组捷联式星敏感器在天文导航中的应用。
优选地,通过惯性导航系统带动惯组捷联式星敏感器转动,形成环带大视场。
与现有技术相比,本发明利用反射镜压缩折叠光路的方法,对星敏感器的光学系统进行压缩,使其尺寸可放入惯性导航系统内部,无需单独使用安装结构对星敏感器光学系统进行安装,从而降低星敏感器的体积、重量及生产成本。同时,星敏感器随着惯性导航系统进行转动,形成环带大视场,在保证平台不动的情况下实现大视场多恒星探测。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的惯组捷联式星敏感器的结构示意图;
图2是传统的星敏感器的光学系统的结构示意图;
图3是根据本发明实施例提供星敏感器的光学系统的结构示意图;
图4是根据本发明实施例提供的惯组捷联式星敏感器进行环扫的原理示意图。
附图标记包括:整机支架1、镜头组件2、第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25、第一平面反射镜26、第二平面反射镜27、第三平面反射镜28、成像组件3、焦面组件31、焦面相变盒32、成像板33、遮光罩4、电连接器5、窗口6、旋转轴7。
具体实施方式
在下文中,将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中,相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下,它们的名称和功能也相同。因此,将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的惯组捷联式星敏感器的结构。
如图1所示,本发明实施例提供的惯组捷联式星敏感器,包括整机支架1、镜头组件2和成像组件3,镜头组件2和成像组件3分别安装固定在整机支架1内,镜头组件2用于将光线引导至成像组件3上,成像组件3用于成像。
整机支架1安装固定在惯性导航系统内,本发明的改进之处在于通过转动的惯性导航系统带动惯组捷联式星敏感器旋转,从而实现拓展观测视场,实现大视场扫描成像,提高恒星的观测数量。
由于惯性导航系统内部的安装空间有限,所以将整机支架1设计为中空的圆柱体结构,从而缩小整机支架1的体积。
成像组件3采样常规的CMOS探测器,包括焦面组件31、焦面相变盒32和成像板33。
镜头组件2包括镜筒和安装在镜筒内的光学系统,光学系统通过平面反射镜实现折转光路设计。
传统的星敏感器的光学系统为直筒式结构,如图2所示,多个透镜沿光轴方向依次排列,导致轴向尺寸较长,无法安装在整机支架1内。本发明为了将光学系统安装在整机支架1,对直筒式的光学系统进行折转压缩,使其能够装入整机支架1。
图3示出了根据本发明实施例提供星敏感器的光学系统的结构。
如图3所示,光路折转式的光学系统在工作时绕X轴旋转,形成环带大视场,在保证平台不动的情况下实现大视场多恒星探测。光学系统具体包括第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25、第一平面反射镜26、第二平面反射镜27、第三平面反射镜28;其中,第二平面反射镜27与第三平面反射镜28呈90°夹角摆放,第一平面反射镜26、第一透镜21、第二透镜22与第三透镜23依次设置在第二平面反射镜27的入射方向上,第四透镜24与第五透镜25设置在第三平面反射镜28的反射方向上。
通过第一平面反射镜26、第二平面反射镜27、第三平面反射镜28对光路进行折转和压缩,将光学系统的轴向长度转化为纵向长度,从而实现光学系统的小型化,使其能够装入整机支架1。
本发明采用平面反射镜实现光路的折转和压缩,相比同轴折反式光学系统和离轴折反式光学系统,无需采用非球面光学元件,可以大幅度降低生产成本.
另外需要说明的是,同轴折反式光学系统存在中心遮拦的问题,而离轴折反式光学系统虽然能够解决该问题,但是会导致径向尺寸要远大于本发明的星敏感器光学系统,无法装进惯性导航系统。
第一透镜21与第五透镜25为双凸透镜,第二透镜22与第四透镜24为双凹透镜,第三透镜23为弯月透镜;第一透镜21、第三透镜23与第五透镜25均为正光焦度透镜,第二透镜22与第四透镜24均为负光焦度透镜。正负透镜交叉使用,具有较好的光焦度平衡性,降低各透镜的灵敏度。
本发明充分利用第三透镜23与第四透镜24之间的空气/真空的光学长度,加入两片夹角为90°的第二平面反射镜27、第三平面反射镜28,实现光学系统折转和压缩,第一平面反射镜26的设置能够光学系统的入射光束与出射光束(即将入射到成像组件3的光束)空间垂直。
第一透镜21的前表面曲率半径为41.21mm,第一透镜21的后表面曲率半径为-39.76mm,第一透镜21的中心厚度为7.2mm;第二透镜22的前表面曲率半径为-34.43mm,第二透镜22的后表面曲率半径为25.87mm,第二透镜22的中心厚度为3mm;第三透镜23的前表面曲率半径为25.00mm,第三透镜23的后表面曲率半径为572.43mm,第三透镜23的中心厚度为5.54mm;第四透镜24的前表面曲率半径为-14.65mm,第四透镜24的后表面曲率半径为14.03mm,第四透镜24的中心厚度为3mm;第五透镜25的前表面曲率半径为15.15mm,第五透镜25的后表面曲率半径为-33.21mm,第五透镜25的中心厚度为5.49mm。
第一透镜21与第二透镜22之间的空气间隔为1.26mm;第二透镜22与第三透镜23之间的空气间隔为0.20mm;第三透镜23与第一平面反射镜26之间的空气间隔为11.35mm;第一平面反射镜26与第二平面反射镜27之间的空气间隔为25mm;第二平面反射镜27与第四透镜24之间的空气间隔为15mm;第四透镜24与第五透镜25之间的空气间隔为6.34mm。
第一透镜21与第三透镜23的材料为H-ZK20,H-ZK20玻璃是一种重冕玻璃,具有较高折射率,有利于单色像差校正;第二透镜22的材料为H-F2,H-F2玻璃是一种火石玻璃有利于校正色差;第四透镜24的材料为H-QF3,H-QF3玻璃是一种轻火石玻璃,有利于校正色差;第五透镜25的材料为H-ZLAF68C,H-ZLAF68C玻璃为重镧火石玻璃,具有很高的折射率,有利于高级色差消除,并且用于校正主光线角度,实现像方远心。
本发明采用像方远心设计,不仅增加了光学系统的抗离焦能力,还有利于各视场成像效果一致,有利于增加后截距的长度,便于探测器的安装。
本发明提供的惯组捷联式星敏感器的镜头F数为4,视场角为6°,整个光学系统经过折转压缩后,可以放入直径110mm,厚度70mm的圆柱型的整机支架1内,并且在放入光学系统后,整机支架1内还有空间放置CMOS探测器及遮光罩4和电连接器5,可以实现太阳遮蔽角不大于30°。
上述内容详细说明了本发明实施例提供的捷联式星敏感器的结构,与捷联式星敏感器相对应,本发明提供一种惯组捷联式星敏感器在天文导航中的应用。
先将捷联式星敏感器装入惯性导航系统,通过转动的惯性导航系统带动惯组捷联式星敏感器沿图3中的X轴旋转,形成环带大视场,在保证平台不动的情况下实现大视场多恒星探测。
图4示出了根据本发明实施例提供的惯组捷联式星敏感器进行环扫的原理。
如图4所示,以简化的镜头组件2和成像组件3对惯组捷联式星敏感器的环扫原理进行说明:
在天文导航中,舱内需要尽量减少开窗面积,本发明通过中光学系统与成像组件的布局,保证镜头组件2在绕着旋转轴7旋转时,成像组件3能够接收到入射光,从而不必在舱内开设一个很大面积的窗口6,并且镜头组件2的视野不会被遮挡,能够连续成像。
应该理解,可以使用上面所示的各种形式的流程,重新排序、增加或删除步骤。例如,本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行,只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果,本文在此不进行限制。
上述具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是,根据设计要求和其他因素,可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种惯组捷联式星敏感器,其特征在于,包括安装在惯性导航系统内的整机支架和依次安装在所述整机支架内的镜头组件和成像组件,所述镜头组件包括镜筒和安装在所述镜筒内的光学系统,所述光学系统包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜,所述第二平面反射镜与所述第三平面反射镜呈90°夹角摆放,所述第一平面反射镜、所述第一透镜、所述第二透镜与所述第三透镜依次设置在所述第二平面反射镜的入射方向上,所述第四透镜与所述第五透镜设置在所述第三平面反射镜的反射方向上;所述第一透镜与所述第五透镜为双凸透镜,所述第二透镜与所述第四透镜为双凹透镜,所述第三透镜为弯月透镜;所述第一透镜、所述第三透镜与所述第五透镜均为正光焦度透镜,所述第二透镜与第四透镜均为负光焦度透镜。
2.根据权利要求1所述的惯组捷联式星敏感器,其特征在于,所述第一透镜的前表面曲率半径为41.21mm,所述第一透镜的后表面曲率半径为-39.76mm,所述第一透镜的中心厚度为7.2mm;
所述第二透镜的前表面曲率半径为-34.43mm,所述第二透镜的后表面曲率半径为25.87mm,所述第二透镜的中心厚度为3mm;
所述第三透镜的前表面曲率半径为25.00mm,所述第三透镜的后表面曲率半径为572.43mm,所述第三透镜的中心厚度为5.54mm;
所述第四透镜的前表面曲率半径为-14.65mm,所述第四透镜的后表面曲率半径为14.03mm,所述第四透镜的中心厚度为3mm;
所述第五透镜的前表面曲率半径为15.15mm,所述第五透镜的后表面曲率半径为-33.21mm,所述第五透镜的中心厚度为5.49mm。
3.根据权利要求2所述的惯组捷联式星敏感器,其特征在于,
所述第一平面反射镜与所述第一透镜之间的空气间隔为30mm;
所述第一透镜与所述第二透镜之间的空气间隔为1.26mm;
所述第二透镜与所述第三透镜之间的空气间隔为0.20mm;
所述第三透镜与所述第一平面反射镜之间的空气间隔为11.35mm;
所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜之间的空气间隔为25mm;
所述第二平面反射镜与所述第四透镜之间的空气间隔为15mm;
所述第四透镜与所述第五透镜之间的空气间隔为6.34mm。
4.根据权利要求3所述的惯组捷联式星敏感器,其特征在于,所述第一透镜与所述第三透镜的材料为H-ZK20,所述第二透镜的材料为H-F2,所述第四透镜的材料为H-QF3,所述第五透镜的材料为H-ZLAF68C。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的惯组捷联式星敏感器,其特征在于,所述成像组件包括依次设置的焦面组件、焦面相变盒和成像板。
6.根据权利要求5所述的惯组捷联式星敏感器,其特征在于,还包括固定在所述镜筒上的遮光罩,所述遮光罩的位置与所述第一平面反射镜的位置相对应。
7.根据权利要求5所述的惯组捷联式星敏感器,其特征在于,进一步包括与所述整机支架固定的电连接器。
8.一种权利要求1~7中任一项所述的惯组捷联式星敏感器在天文导航中的应用。
9.根据权利要求8所述的惯组捷联式星敏感器在天文导航中的应用,其特征在于,通过所述惯性导航系统带动所述惯组捷联式星敏感器转动,形成环带大视场。
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