本發(fā)明特別涉及一種基于星敏感器的焦平面熱變形的測試方法。

背景技術(shù)：

隨著我國航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，高分辨率對地觀測衛(wèi)星的研制需求日益迫切，其姿態(tài)的精確測量采用的是星敏感器，由此星敏感器是目前航天器姿態(tài)測量的重要部件。要實現(xiàn)高精度姿態(tài)測量，就要對其各個環(huán)節(jié)進行把控。星敏感器通常由光學及精密結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、光電探測器及信號處理電路和軟件等三部分組成。在軌運行期間，空間環(huán)境惡劣，會遇到各種復雜的溫度工況，因此特別考驗光電探測系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性?；谛敲舾衅骷夹g(shù)，光電探測器拍攝視軸指向星空的圖像，圖像經(jīng)過信號處理電路提取出星點的位置和亮度信息，通過星圖識別算法在導航星庫中找到觀測星的對應(yīng)匹配，利用這些匹配星對的方向矢量信息計算出星敏感器三軸姿態(tài)信息，從而確定航天器的空間姿態(tài)。

星敏感器所得到精確的三軸姿態(tài)信息離不開光電探測器的基本保證。光電探測器置于光學系統(tǒng)的焦面位置，用于拍攝視軸指向的星空圖像，得以確定星點的準確位置(包括X方向坐標、Y方向坐標、星點灰度信息等)，主要用于恒星位置的精確定位。從在軌飛行數(shù)據(jù)和地面熱真空試驗可見，環(huán)境溫度的變化對星敏感器所輸出的姿態(tài)角測量精度具有一定影響，由此可知光電探測器在溫度變化的過程中存在形變，以致星點的二維平面坐標發(fā)生變動，在星點質(zhì)心解算過程中引入誤差，所求解的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣及最終所輸出的姿態(tài)精度亦帶入偏差。因此有必要分析焦平面熱變形因素對姿態(tài)計算精度的影響，為獲取高精度姿態(tài)提供基本依據(jù)。

目前，基于焦平面熱變形的測試領(lǐng)域還屬空白，尚未提及該方面的測試與研究。本發(fā)明給出了一種星敏感器焦平面熱變形的測試方法，針對焦平面熱變形對星敏感器姿態(tài)精度的影響進行簡潔有效的測試。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于星敏感器的焦平面熱變形的測試方法，測量星敏感器在周期性溫變激勵下輸出的姿態(tài)測量精度曲線的變化量，進而為修正由于探測器形變帶來的測量誤差提供理論依據(jù)和實際參考。

為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于星敏感器的焦平面熱變形的測試方法，其特點是，包含如下步驟：

S1，將靜態(tài)光星模擬器安裝在星敏感器上，并將靜態(tài)光星模擬器和星敏感器一同置于真空罐中；

S2，對星敏感器的焦平面施加溫度變化激勵，采集星敏感器所輸出的姿態(tài)測量曲線，得出焦平面熱變形對姿態(tài)輸出誤差。

所述的步驟S1中星敏感器通過適配環(huán)固定靜態(tài)光星模擬器，當溫度變化時，所述星敏感器的焦平面的形變高于適配環(huán)和靜態(tài)光星模擬器的形變。

所述的靜態(tài)光星模擬器模擬生成天區(qū)中一幅靜態(tài)星圖，星敏感器對準靜態(tài)星圖拍攝，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會解算出該靜態(tài)星圖所在天區(qū)的赤經(jīng)、赤緯。

所述的步驟S2中在得出焦平面熱變形對姿態(tài)輸出誤差之前需要扣除由于環(huán)境溫度變化導致的星敏感器光軸指向變化趨勢項。

所述的得出焦平面熱變形對姿態(tài)輸出誤差具體包含：

取波動周期內(nèi)的溫度波動、赤經(jīng)波動和赤緯波動數(shù)據(jù)；

計算赤經(jīng)角波動周期最大值及赤緯角波動周期最大值，并得出焦平面熱變形對姿態(tài)輸出誤差。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明通過測量星敏感器在周期性溫變激勵下輸出的姿態(tài)測量精度曲線的變化量，進而為修正由于探測器形變帶來的測量誤差提供理論依據(jù)和實際參考。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于星敏感器的焦平面熱變形的測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明一種基于星敏感器的焦平面熱變形的測試方法流程圖；

圖3為星敏感器熱真空試驗時光軸指向與溫度變化曲線；

圖4為星敏感器熱真空試驗時光軸指向與溫度變化曲線(扣除趨勢項)。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發(fā)明做進一步闡述。

在真空罐中對星敏感器施加溫度變化激勵，探測器像面產(chǎn)生形變，星點位置信息發(fā)生改變，從而所輸出的姿態(tài)曲線產(chǎn)生變化。該變化量的具體計算如下所述。

設(shè)探測器所拍實測星點的位置坐標為(x，y)，為描述星點在空間的位置，將探測器像平面坐標系轉(zhuǎn)換成像空間坐標系，坐標原點在星敏感器的光心位置，z軸與星敏感器的光軸重合，x、y與探測器面的邊緣平行，星點在星敏感器本體坐標系下的位置為[x y z]t。星點為焦距在探測器靶面上的垂足，(x′，y′)為畸變校正后的星點質(zhì)心，均由標定結(jié)果可知。因此星光方向矢量在星敏感器本體坐標系下的坐標如公式(1)：

式中f為星敏感器焦距?；贘2000.0坐標系對應(yīng)在天球坐標系下的坐標如公式(2)，則星光方向矢量在天球坐標系下的坐標為：

w＝T (3)

T為姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。通過Quest算法，即可求出星敏感器所拍星圖的姿態(tài)計算結(jié)果。此時如果光電探測器形變所致星點位置信息變化為(Δx,Δy)，則實際觀測星矢量與理想的星矢量存在偏差，由上述公式可知，所輸出的姿態(tài)計算結(jié)果亦隨之改變，因此焦平面熱變形對星敏感器輸出的測量姿態(tài)引入誤差。

截取-50℃低溫保持數(shù)據(jù)段進行探測器溫變激勵。在-50℃低溫保持過程中控制致冷器至一定溫度，觀測星敏感器輸出姿態(tài)曲線的變化。開致冷器后的數(shù)據(jù)曲線圖，再與其之前保存的數(shù)據(jù)曲線進行對比即是焦平面由于周期溫變激勵產(chǎn)生形變對星點位置變化的影響。取該波動周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進行評估，從而求出焦平面組件熱變形造成的測量誤差。

為此，如圖1、2所示，本發(fā)明提供了一種基于星敏感器的焦平面熱變形的測試方法，包含如下步驟：

S1，將靜態(tài)光星模擬器1安裝在星敏感器2上，并將靜態(tài)光星模擬器1和星敏感器2一同置于真空罐3中；其中星敏感器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4相連。使用輕量化的適配環(huán)套在星敏感器遮光罩上，在其上安放匹配好的靜態(tài)光星模模擬器。本實施例中，采用的星敏感器和靜態(tài)光星模模擬器均采用無熱設(shè)計的方法處理溫度對產(chǎn)品的成像質(zhì)量的影響，即通過一定的補償技術(shù)，使光學系統(tǒng)在一個較大的溫變環(huán)境下保持焦距不變或變化微小。避免由于溫差對空間光學系統(tǒng)的精度帶入的巨大影響。

S2，真空罐內(nèi)開始抽真空，使之真空度保持在1.3×10³pa，然后開始升降溫至±50℃循環(huán)，致冷器對星敏感器的焦平面施加溫度變化激勵，采集星敏感器所輸出的姿態(tài)測量曲線，得出焦平面熱變形對姿態(tài)輸出誤差。

上述的靜態(tài)光星模擬器模擬生成天區(qū)中一幅靜態(tài)星圖，星敏感器對準靜態(tài)星圖拍攝數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會解算出該星圖所在天區(qū)的赤經(jīng)、赤緯。

上述的步驟S1中星敏感器通過適配環(huán)固定靜態(tài)光星模擬器，當溫度變化時，所述星敏感器的焦平面的形變高于適配環(huán)和靜態(tài)光星模擬器的形變。

上述的步驟S2中在得出焦平面熱變形對姿態(tài)輸出誤差之前需要扣除由于環(huán)境溫度變化導致的星敏感器光軸指向變化趨勢項，該趨勢項通過7階多項式擬合求出，如圖3?？鄢蟪嘟?jīng)、赤緯的波動僅與致冷器施加的溫變激勵相關(guān)，由此可以考核焦平面溫度形變引入的測量誤差。

上述的得出焦平面熱變形對姿態(tài)輸出誤差具體包含：

通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可得出溫度波動曲線、姿態(tài)(赤經(jīng)、赤緯)波動曲線，取波動周期內(nèi)的溫度波動、赤經(jīng)波動和赤緯波動數(shù)據(jù)；

由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)扣除趨勢項后所得姿態(tài)曲線如圖4，取赤經(jīng)角波動周期最大值與赤緯角波動周期最大值，可得出焦平面熱變形對姿態(tài)輸出誤差，設(shè)赤經(jīng)角波動周期最大值為a，赤緯角波動周期最大值為b，焦平面溫度變化導致的光軸漂移量可估算為溫度變化量為N℃，則焦平面熱變形造成的測量誤差約為M/N(arcsec/℃)。

綜上所述，本發(fā)明一種基于星敏感器的焦平面熱變形的測試方法，測量星敏感器在周期性溫變激勵下輸出的姿態(tài)測量精度曲線的變化量，進而為修正由于探測器形變帶來的測量誤差提供理論依據(jù)和實際參考。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。