CN113218418B - 一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统及方法；本方法通过在空间极高精度指向测量仪器内部设计热光耦合效应自监视组件，建立了与恒星星光成像共光路的模拟星光。该光路可闭环测量空间极高精度指向测量仪器光学成像组件由于空间光热耦合效应产生的成像变化情况，用此测量结果评价恒星星光成像光路的变化。同时，在光学成像组件的核心光学零件上建立温度检测与补偿组件，实时测出不同模拟星光指向变化下的光学零件温度分布情况，通过闭环补偿形成稳定的温度场，达到降低测量仪器低频误差的目的，最终可以定量得到热光耦合对空间极高精度指向测量仪器的影响量。

Description

一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统及 方法

技术领域

本发明涉及恒星指向测量技术领域，特别涉及一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统方法，包括评价原理、硬件组成和相应的方法步骤。

背景技术

空间极高精度指向测量仪器主要指以恒星为参考目标，通过星光定向技术确定飞行器在惯性坐标系下的姿态指向信息。随着航天技术的进一步发展，以大比例尺测绘卫星、自主导航卫星、光学成像侦察卫星、目标监测预警卫星等为代表的高性能卫星对空间指向测量精度提出了极高精度要求，由目前已实现的亚角秒测量精度继续向毫角秒精度逼近。

在空间恒星指向测量技术中，在轨的外热流对测量仪器的低频误差影响不可忽视。在亚角秒精度星光测量仪器的设计中，通过热不敏光机结构、高精度温度控制技术等手段对热光耦合效应进行有效抑制。但这些方法均属于被动手段，其实现思想是通过建立更温和的温度环境降低热冲击对测量仪器的影响，同时采用对温度波动更不敏感的结构进一步提高测量仪器的稳定性。在这个过程中，对于测量仪器受到热光效应后自身的实际变化量不过分评价。通过这样的设计思想，是可以实现0.3″的指向测量精度水平的。

为了进一步提升指向测量精度，使其最终达到毫角秒量级，那么空间热光效应对测量仪器的具体影响程度是需要首先被确认的，从而才可能在此基础上采取更精细的手段，将热光耦合效应产生的测量仪器测量精度的波动量进行补偿，为最终实现毫角秒量级测量精度提供基础。

发明内容

本发明的目的在于基于可空间在轨飞行为前提，建立一种简单可靠的评价方法，该方法首先通过硬件实现测量仪器在热光耦合作用下变化的监测条件，通过采集星光变化的的质心位置，评价测量仪器在轨稳定性漂移程度。本方法能够应于于各类极高精度指向测量仪器中，满足实际工程应用。

本发明的技术解决方案是：一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统，包括：主反射镜、次反射镜、透镜组、自监视组件光源、分光镜、探测器、电加热片和测温电阻；电加热片与测温电阻均粘贴于主反射镜表面；

恒星光依次通过主反射镜、次反射镜、透镜组、分光镜后成像于探测器上，形成恒星星光光路；自监视组件光源发出的模拟星点光依次通过分光镜、透镜组、次反射镜后到达主反射镜表面；经主反射镜反射后，再依次通过次反射镜、透镜组、分光镜成像于探测器上，形成模拟星光光路；恒星星光光路与模拟星光光路共用主反射镜、次反射镜、透镜组、分光镜，这种光路共用的设计实现了双光路的耦合。

当有100％的能量入射分光镜时，有90％的能量经90°反射后进入探测器，10％的能量直接透过分光镜。

所述分光镜将整个光学系统分成两个焦面，一个焦面放置探测器，对目标进行成像，另一个焦面放置自监视组件光源，使得自监视组件光源发出的光经过光学系统后，打到次反射镜的平面表面，再次返回光学系统，最终成像于探测器。

次反射镜的反射面由两部分组成，一个是具有光线汇聚的非球面部分，当光线入射到该表面后，在焦面成像；另一个的平面部分，当光线入射到该表面后，进行180°折返，以平行光的形式再次进入光学系统。

所述自监视组件光源发出的是小孔星点光，模拟恒星光特性，发射出指定波长的点光源；该点光源根据几何光学物像转换关系，可以等价于在光学系统物方发出的平行光。

所述电加热片采用矩形加热片，加热片数量为8片，首片粘接于主反射镜的圆柱表面下部，定义该下部与空间极高精度测量仪器在卫星上的结构安装面平行；每个加热片间隔角度45°；加热功率根据空间极高精度指向测量仪器光学通光口径大小和空间极高精度指向测量仪器在轨工作时的空间热辐照情况进行设计，保证加热片在不同空间环境下可以控制主反射镜表面的温度均匀，并保证温度控制温度梯度小于0.3℃。

所述测温电阻为温度传感器，用于测量被测表面的温度水平；测温电阻分为两组，第一组的数量为8个，位置在8片加热片附近。用于测试加热片加热后主反射镜表面温度；另一组为9个，其中一个粘贴于主反射镜后部的镜面中心，测试主反射镜轴上点的温度，其他8个粘贴于主反射镜后部等效视场为0.5 视场的位置；各测点夹角45°；测温电阻的温度测量精度小于0.1℃。

还包括采集与控制电路，实现对主反射镜的温度控制。

一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定方法，步骤如下：

1)空间极高精度指向测量仪器在探测目标恒星光时，恒星光依次通过主反射镜、次反射镜、透镜组、分光镜后成像于探测器上，采集恒星星点，生成空间极高精度指向测量仪器的星点图像；

2)在空间极高精度指向测量仪器中设置分光镜，当有100％的能量入射分光镜时，有90％的能量经90°反射后进入探测器(6)，10％的能量直接透过分光镜；在分光镜后部设置自监视组件光源；自监视组件光源发出的模拟星点光依次通过分光镜、透镜组、次反射镜后到达主反射镜表面；经主反射镜反射后，再依次通过次反射镜、透镜组、分光镜成像于探测器上，形成模拟星光光路；在空间极高精度指向测量仪器的探测器上在采集到目标恒星星点图像的同时，也能采集到自监视星点图像；

3)对探测 器采集到的恒星星点图像与自监视星点图像进行处理，完成热光耦合效应确定。

所述步骤3)对探头器采集到的星点图像进行处理，完成热光耦合效应评价的具体过程为：

31)采用内插算法求星点能量重心，记每个像元超出滤波背景均值的灰度值为E_xy，即该像元的灰度值减去背景均值，则内差求中心的公式如下：

其中：S为该星点的总能量，Exy为星点在探测器某个像元上的灰度值，(x， y)为像元行列坐标，(u，v)为该星点的中心坐标；

32)空间极高精度指向测量仪器在地面标定时，通过温度控制设备对空间极高精度指向测量仪器的光学镜筒设置不同的温度环境，同时通过粘贴于主反射镜表面的测温电阻，测得相应的温度值；对应不同的温度环境，测试自监视星点在探测器上的星点能量重心位置坐标，得出一个标定矩阵，该矩阵中主反射镜的温度与自监视星点的位置变化有一定对应关系；在空间极高精度指向测量仪器在轨工作时，采集测量自监视星点在探测器上的图像，计算出自监视星点能量重心位置坐标的变化量；将该变化量与地面标定得到的矩阵参数比对，得出导致自监视星点能量重心位置变化的主反射镜表面温度信息；以此指导并控制粘贴于主反射镜表面的加热片加热周期，最终将空间极高精度指向测量仪器的主反射镜表面控制到最佳工作温度；

33)在空间极高精度指向测量仪器的主反射镜表面控制到最佳工作温度后，自监视星点的能量重心位置总会同地面理想环境下的重心位置有一定偏差，这种偏差是由空间极高精度指向测量仪器在空间环境下受到热效应产生的热变形带来的；由于自监视星点的成像光路与目标恒星星点的工作光路为耦合光路，所以定义通过自监视星点在空间环境下的能量重心位置偏移量是评价空间极高精度指向测量仪器在轨热光耦合效应水平的指标。

本发明的优点在于：

(1)本发明方法提供的方法是基于仪器本身的自我闭环评价。对在轨参数监视及误差校正有指导作用，是实现在轨自诊断的重要手段。该发明不属于现有技术，也没有任何单位或者个人就同样的发明在申请日以前向国务院专利行政部门提出过申请，并记载在申请日以后公布的专利申请文件或者公告的专利文件中，具有很强的新颖性。

(2)本发明在空间极高精度指向测量仪器的设计中，加入了热光耦合自监视组件，通过光路分光自监视、温度闭环测量与控制等方法实现仪器的热力影响自监测、自修正。与现有技术相比，该发明可实现在轨热影响的主动操控能力，极大提高了空间仪器的低频测量误差抑制能力，具有突出的实质性特点和显著进步。

(3)本发明可实现空间极高精度指向测量仪器热光耦合影响的评估及自适应，对实现极高精度指标有明显的贡献作用。

(4)本发明基于现有的工程实现能力，可适用于同类极高精度的光学测量仪器中，为提升极高精度指向测量仪器的市场竞争力奠定基础。

附图说明

图1是一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统方法流程图；

图2是热光耦合效应自监视组件系统组成图；

图3是主反射镜温度检测与加热片补偿位置示意图。

具体实施方式

(1)设计热光耦合效应自监视组件。

空间热光耦合效应指的是空间太阳光、深冷背景低温辐射、卫星平台其他仪器的热辐射或杂光干扰进入星光指向测量仪器后，对测量仪器光学成像系统像质带来的影响，主要表现为成像在探测器上的恒星星点形状及能量分布发生变化，最终导致星点质心提取精度波动，带来测量仪器低频误差，影响仪器测量精度。

为了建立测量仪器光学成像系统热光耦合效应监测条件，在仪器的部件设计中增加了热光耦合自监视组件。该组件内嵌于测量仪器内部，有独立的星光模拟能力，该组件发出的模拟星光通过仪器的光学成像系统成像于探测器上。由于模拟星光与真实的恒星星光成像光路是一致的，最终都采集于同一探测器，所以可以通过对模拟星光星点位置的变化情况，评价处恒星星光的星点位置变化情况以及产生这些变化时核心光学镜片的温度分布情况，这样就可以量化评价测量仪器在某一时刻由于热光耦合效应产生的低频误差情况。

(2)建立光学成像组件温度检测与补偿组件。

空间热光耦合对测量仪器带来的最直接的影响是光学核心零件的温度变化。变化的温度场将导致光学核心零件发生热应力变形，从而影响成像光路，最终带来成像像质的下降。所以仅仅测试出模拟星光在探测器的星点变化情况是不够的，同时还需知道产生变化的温度场分布，并进行温度补偿。

对测量仪器的光学成像组件建立温度场测量及补偿采取的方法是在核心光学镜片表面设置测温点与加温点，实时读取光学成像组件在热光耦合作用下的温场变化数据，根据温度梯度情况，对核心零件进行加温补偿，最终达到理想的温场分布。此时由自监视组件发出的模拟星光在探测器像面上的星点位置将保持稳态。

本发明原理：本发明方法通过设计热光耦合效应自监视组件，建立与恒星星光成像共光路的模拟星光，以测量模拟星光在不同温度热场下的星点位置变化情况评估实际恒星测量光路的变化情况。同时，在光学成像组件的核心光学零件上建立温度检测与补偿组件，实时测出不同模拟星光指向变化下的光学零件温度分布情况，通过闭环补偿形成稳定的温度场，达到降低测量仪器低频误差的目的。

以下结合附图1和具体实施例对本发明进行详细说明。

步骤1：热光耦合效应自监视组件设计。

本组件的组成图如附图2所示，由主反射镜1、次反射镜2、透镜组3、自监视组件光源4、分光镜5、探测器6组成。恒星光通过主反射镜1、次反射镜 2、透镜组3、分光镜5成像于探测器6上，形成恒星星光光路。由自监视组件光源4发出的模拟星点光通过分光镜5、透镜组3、次反射镜2到达主反射镜1 表面。该光路经主反射镜1反射后，通过次反射镜2、透镜组3、分光镜5成像于探测器6上，形成模拟星光光路。恒星星光光路与模拟星光光路共用主反射镜1、次反射镜2、透镜组3、分光镜5，这种光路共用的设计实现了双光路的耦合。

本组件的恒星星光光路为目标光成像光路。在光路中，设计了分光镜5。该分光镜可以保证当有100％的能量入射时，有90％的能量经90°反射后进入探测器6，10％的能量直接透过分光镜5。这样的设计可将光学镜头分成两个焦面，一个焦面放置探测器6，对目标进行成像，一个焦面放置自监视组件光源4，使得其发出的光经过光学系统后，打到次反射镜2的平面表面，再次返回光学系统，最终成像于探测器6。

本组件的次反射镜2的反射面由两部分组成，一个是具有光线汇聚的非球面部分，当光线入射到该表面后，可以在焦面成像。另一个的平面部分，当光线入射到该表面后，可以180°折返，以平行光的形式再次进入光学系统。

本组件的自监视组件光源4发出的是小孔星点光，它可以模拟恒星光特性，发射出指定波长的点光源。该点光源根据几何光学物像转换关系，可以等价于在光学系统物方发出的平行光。

本组件采用次反射镜2的不同反光特性，结合分光镜5建立双焦面，可以将自监视组件嵌入正常光学镜头光路，依靠主动光源，确定被测恒星星光由于光学镜头热光耦合原因导致的像质变化带来的成像星点变化情况，实现空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应的评价。

步骤2：光学成像组件温度检测与补偿组件建立。具体的过程如下：

本组件的构型图如图3所示。A1～A8为电加热片。CH1～CH17为测温电阻。电加热片与测温电阻均粘贴于主反射镜1表面。

本组件的电加热片采用矩形加热片，加热片数量为8片，首片粘接于主反射镜1的圆柱表面下部，定义该下部与空间极高精度测量仪器在卫星上的结构安装面平行。每个加热片间隔角度45°。加热功率根据空间极高精度指向测量仪器光学通光口径大小和空间极高精度指向测量仪器在轨工作时的空间热辐照情况进行合理设计，保证加热片在不同空间环境下可以控制主反射镜1表面的温度均匀，并保证温度控制温度梯度小于0.3℃。

本组件的测温电阻为温度传感器，可高精度测量被测表面的温度水平。测温电阻分为两组，第一组的数量为8个，位置在8片加热片附近。用于测试加热片加热后主反射镜1表面温度。另一组为9个，其中一个粘贴于主反射镜1 后部的镜面中心，测试主反射镜1轴上点的温度，其他8个粘贴于主反射镜1 后部等效视场为0.5视场的位置。各测点夹角45°。测温电阻的温度测量精度小于0.1℃。

本组件还包括采集与控制电路，实现对主反射镜1的温度控制。

步骤3：对采集的模拟星光星点位置进行评价。

对探测 器6采集到的星点图像进行处理，计算过程如下：

1)采用内插算法求星点能量重心，记每个像元超出滤波背景均值的灰度值为E_xy(即该像元的灰度值减去背景均值)，则内差求中心的公式如下：

其中：S为该星点的总能量，Exy为星点在探测器某个像元上的灰度值，(x， y)为像元行列坐标，(u，v)为该星点的中心坐标。

2)空间极高精度指向测量仪器在地面标定时，通过温度控制设备对空间极高精度指向测量仪器的光学镜筒设置不同的温度环境，同时通过粘贴于主反射镜1表面的测温电阻，测得相应的温度值。对应不同的温度环境，可以测试自监视星点在探测器6 上的星点能量重心位置坐标。可以得出一个标定矩阵，该矩阵中主反射镜1的温度与自监视星点的位置变化是有一定对应关系。在空间极高精度指向测量仪器在轨工作时，采集测量自监视星点在探测器6 上的图像，可计算出自监视星点能量重心位置坐标的变化量。将该变化量与地面标定得到的矩阵参数比对，可以得出导致自监视星点能量重心位置变化的主反射镜1表面温度信息。以此指导并控制粘贴于主反射镜1表面的加热片加热周期，最终将空间极高精度指向测量仪器的主反射镜1表面控制到最佳工作温度。

3)在空间极高精度指向测量仪器的主反射镜1表面控制到最佳工作温度后，自监视星点的能量重心位置总会同地面理想环境下的重心位置有一定偏差，这种偏差是空间极高精度指向测量仪器在空间环境下受到热效应产生的热变形带来的。由于自监视星点的成像光路与目标恒星星点的工作光路为耦合光路，所以可以定义通过自监视星点在空间环境下的能量重心位置偏移量是评价空间极高精度指向测量仪器在轨热光耦合效应水平的指标。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统，其特征在于包括：主反射镜(1)、次反射镜(2)、透镜组(3)、自监视组件光源(4)、分光镜(5)、探测器(6)、电加热片和测温电阻；电加热片与测温电阻均粘贴于主反射镜(1)表面；

恒星光依次通过主反射镜(1)、次反射镜(2)、透镜组(3)、分光镜(5)后成像于探测器(6)上，形成恒星星光光路；自监视组件光源(4)发出的模拟星点光依次通过分光镜(5)、透镜组(3)、次反射镜(2)后到达主反射镜(1)表面；经主反射镜(1)反射后，再依次通过次反射镜(2)、透镜组(3)、分光镜(5)成像于探测器(6)上，形成模拟星光光路；恒星星光光路与模拟星光光路共用主反射镜(1)、次反射镜(2)、透镜组(3)、分光镜(5)，这种光路共用的设计实现了双光路的耦合。

2.根据权利要求1所述的一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统，其特征在于：当有100％的能量入射分光镜(5)时，有90％的能量经90°反射后进入探测器(6)，10％的能量直接透过分光镜(5)。

3.根据权利要求1所述的一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统，其特征在于：所述分光镜(5)将整个光学系统分成两个焦面，一个焦面放置探测器(6)，对目标进行成像，另一个焦面放置自监视组件光源(4)，使得自监视组件光源(4)发出的光经过光学系统后，打到次反射镜(2)的平面表面，再次返回光学系统，最终成像于探测器(6)。

4.根据权利要求1所述的一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统，其特征在于：次反射镜(2)的反射面由两部分组成，一个是具有光线汇聚的非球面部分，当光线入射到该表面后，在焦面成像；另一个的平面部分，当光线入射到该表面后，进行180°折返，以平行光的形式再次进入光学系统。

5.根据权利要求1所述的一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统，其特征在于：所述自监视组件光源(4)发出的是小孔星点光，模拟恒星光特性，发射出指定波长的点光源；该点光源根据几何光学物像转换关系，可以等价于在光学系统物方发出的平行光。

6.根据权利要求1所述的一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统，其特征在于：所述电加热片采用矩形加热片，加热片数量为8片，首片粘接于主反射镜(1)的圆柱表面下部，定义该下部与空间极高精度测量仪器在卫星上的结构安装面平行；每个加热片间隔角度45°；加热功率根据空间极高精度指向测量仪器光学通光口径大小和空间极高精度指向测量仪器在轨工作时的空间热辐照情况进行设计，保证加热片在不同空间环境下可以控制主反射镜(1)表面的温度均匀，并保证温度控制温度梯度小于0.3℃。

7.根据权利要求1所述的一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统，其特征在于：所述测温电阻为温度传感器，用于测量被测表面的温度水平；测温电阻分为两组，第一组的数量为8个，位置在8片加热片附近， 用于测试加热片加热后主反射镜(1)表面温度；另一组为9个，其中一个粘贴于主反射镜(1)后部的镜面中心，测试主反射镜(1)轴上点的温度，其他8个粘贴于主反射镜(1)后部等效视场为0.5视场的位置；各测点夹角45°；测温电阻的温度测量精度小于0.1℃。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定系统，其特征在于：还包括采集与控制电路，实现对主反射镜(1)的温度控制。

9.一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定方法，其特征在于步骤如下：

1)空间极高精度指向测量仪器在探测目标恒星光时，恒星光依次通过主反射镜(1)、次反射镜(2)、透镜组(3)、分光镜(5)后成像于探测器(6)上，采集恒星星点，生成空间极高精度指向测量仪器的星点图像；

2)在空间极高精度指向测量仪器中设置分光镜(5)，当有100％的能量入射分光镜(5)时，有90％的能量经90°反射后进入探测器(6)，10％的能量直接透过分光镜(5)；在分光镜(5)后部设置自监视组件光源(4)；自监视组件光源(4)发出的模拟星点光依次通过分光镜(5)、透镜组(3)、次反射镜(2)后到达主反射镜(1)表面；经主反射镜(1)反射后，再依次通过次反射镜(2)、透镜组(3)、分光镜(5)成像于探测器(6)上，形成模拟星光光路；在空间极高精度指向测量仪器的探测器(6)上在采集到目标恒星星点图像的同时，也能采集到自监视星点图像；

3)对探测 器(6)采集到的恒星星点图像与自监视星点图像进行处理，完成热光耦合效应确定。

10.根据权利要求9所述的一种空间极高精度指向测量仪器热光耦合效应确定方法，其特征在于：所述步骤3)对探测 器(6)采集到的星点图像进行处理，完成热光耦合效应评价的具体过程为：

31)采用内插算法求星点能量重心，记每个像元超出滤波背景均值的灰度值为E_xy，即该像元的灰度值减去背景均值，则内差求中心的公式如下：

其中：S为该星点的总能量，Exy为星点在探测器某个像元上的灰度值，(x，y)为像元行列坐标，(u，v)为该星点的中心坐标；

32)空间极高精度指向测量仪器在地面标定时，通过温度控制设备对空间极高精度指向测量仪器的光学镜筒设置不同的温度环境，同时通过粘贴于主反射镜(1)表面的测温电阻，测得相应的温度值；对应不同的温度环境，测试自监视星点在探测器(6 )上的星点能量重心位置坐标，得出一个标定矩阵，该矩阵中主反射镜(1)的温度与自监视星点的位置变化有一定对应关系；在空间极高精度指向测量仪器在轨工作时，采集测量自监视星点在探测器(6 )上的图像，计算出自监视星点能量重心位置坐标的变化量；将该变化量与地面标定得到的矩阵参数比对，得出导致自监视星点能量重心位置变化的主反射镜(1)表面温度信息；以此指导并控制粘贴于主反射镜(1)表面的加热片加热周期，最终将空间极高精度指向测量仪器的主反射镜(1)表面控制到最佳工作温度；

33)在空间极高精度指向测量仪器的主反射镜(1)表面控制到最佳工作温度后，自监视星点的能量重心位置总会同地面理想环境下的重心位置有一定偏差，这种偏差是由空间极高精度指向测量仪器在空间环境下受到热效应产生的热变形带来的；由于自监视星点的成像光路与目标恒星星点的工作光路为耦合光路，所以定义通过自监视星点在空间环境下的能量重心位置偏移量是评价空间极高精度指向测量仪器在轨热光耦合效应水平的指标。

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