專利名稱：提高線陣列靜態(tài)紅外地平儀姿態(tài)測(cè)量精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及星載紅外地平儀，具體涉及一種提高線陣列靜態(tài)紅外地平儀姿態(tài)測(cè)量精度的方法。
背景技術(shù)：
紅外地平儀(或稱為紅外地球敏感器，簡(jiǎn)稱地平儀)，是基于對(duì)姿態(tài)參考源地球紅外輻射敏感原理，在軌實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星相對(duì)于局地垂線滾動(dòng)、俯仰姿態(tài)信息測(cè)量的衛(wèi)星姿態(tài)光學(xué)敏感器。根據(jù)地平儀是否包括機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，地平儀可分為掃描式和靜態(tài)兩類；掃描式地平儀可分為圓錐掃描式和擺動(dòng)掃描式兩種，靜態(tài)地平儀分為線陣列和面陣列兩種。自20世紀(jì)50年代美國(guó)GoodRich公司世界上研制出首臺(tái)用于航天器定向的紅外傳感器起，美國(guó)、法國(guó)、日本及意大利等國(guó)相繼開發(fā)出不同類型的掃描式紅外地平儀，經(jīng)過(guò)多年的空間飛行應(yīng)用和發(fā)展，其研制技術(shù)相當(dāng)成熟，產(chǎn)品已定型商業(yè)化。上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著焦平面紅外探測(cè)器的發(fā)展，新一代紅外地平儀主要朝著靜態(tài)方向發(fā)展，因其具有體積小、重量輕、無(wú)掃描機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)而在長(zhǎng)壽命衛(wèi)星、小衛(wèi)星上得到了廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位已研發(fā)出多種類型的掃描式紅外地平儀，主要包括圓錐掃描式和擺動(dòng)掃描式，已廣泛用于國(guó)內(nèi)不同極軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星。近年來(lái)，為了滿足衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)長(zhǎng)壽命、輕量化及低功耗的紅外光學(xué)敏感器的需求，瞄準(zhǔn)國(guó)外同類產(chǎn)品的發(fā)展方向，利用線陣列和面陣列焦平面紅外探測(cè)器研制出靜態(tài)紅外地平儀，并已在軌成功應(yīng)用。目前我國(guó)面陣列靜態(tài)地平儀的精度可達(dá)到0.05° 0.07° (3σ)，線陣列紅外靜態(tài)地平儀的精度約為0.5° 0.7° (30)，從姿態(tài)控制系統(tǒng)的角度出發(fā)能滿足部分衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)控制需求。面陣列靜態(tài)地平儀具有精度高的優(yōu)勢(shì)，但相對(duì)研發(fā)成本較高，且主要適用于高軌衛(wèi)星；而線陣列靜態(tài)地平儀相對(duì)成本低，通過(guò)光機(jī)結(jié)構(gòu)調(diào)整可以適應(yīng)不同軌道高度的衛(wèi)星。線陣列靜態(tài)地平儀中探測(cè)器位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，屬于凝視型結(jié)構(gòu)。測(cè)量原理是衛(wèi)星從太空中看到的地球是一個(gè)在4K冷背景中平均亮度溫度為220K MOK的大圓盤，地平儀的若干個(gè)光學(xué)系統(tǒng)頭部對(duì)著這個(gè)圓盤的邊界看(地球與太空之間的輻射過(guò)渡帶，本質(zhì)上是地球大氣(X)2吸收帶)，將邊界附近的圖像投影到位于焦平面的探測(cè)器上，通過(guò)探測(cè)器輸出的信號(hào)判斷出“邊界”在視場(chǎng)內(nèi)所處的位置，根據(jù)光學(xué)頭部之間的幾何關(guān)系，計(jì)算出衛(wèi)星本體相對(duì)于地球“圓盤”的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的測(cè)量。以中、低軌道的線陣列靜態(tài)地平儀為例，其典型設(shè)計(jì)是按“X”結(jié)構(gòu)對(duì)稱排列四個(gè)探頭(光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器組成，探測(cè)器位于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上)，以降低大氣模型誤差，并互為備份以增加可靠性，如附

圖1所示。滾動(dòng)軸與星體飛行方向一致，而俯仰軸垂直與軌道面。A、B、C、D四個(gè)探頭與滾動(dòng)軸和俯仰軸成45°分布，相鄰兩個(gè)探頭光軸夾角為90°，探頭A與C、B與D的夾角由軌道高度決定。假設(shè)四個(gè)線陣列探測(cè)器探測(cè)元有N元，每個(gè)探測(cè)元的視場(chǎng)為θ，探測(cè)器從太空端開始至地球端每個(gè)探測(cè)元分別用第1元 第N元編號(hào)，地球-太空邊界映射到探測(cè)器上所處的探測(cè)元編號(hào)即為其邊界位置值，而地球-太空邊界一般定義為CO2輻射過(guò)渡帶能量的50%處。四個(gè)探頭的探測(cè)器上地球-太空邊界位置值用 PA、PB、Pc> Pd表示，俯仰角P和滾動(dòng)角R的計(jì)算公式為俯仰角P = ^(PA+PB-Pc-PD)0(1)滾動(dòng)角R = ^(PA-PB-Pc + PD)e(2)線陣列靜態(tài)紅外地平儀的結(jié)構(gòu)框圖及處理方法流程圖如附圖2所示。光學(xué)頭部將視場(chǎng)內(nèi)地球-太空邊界附近的圖像投影到焦平面線陣列探測(cè)器上，電子學(xué)處理部分完成對(duì)探測(cè)器的信號(hào)讀出、放大、積分、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換，得到量化后的探測(cè)元數(shù)據(jù)，送入主處理器中。主處理器的處理方法包含圖像預(yù)處理、地球-太空邊界位置檢測(cè)和姿態(tài)計(jì)算。圖像預(yù)處理用來(lái)對(duì)探測(cè)元信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以適合后續(xù)處理，如根據(jù)線陣列探測(cè)器各個(gè)元的響應(yīng)率進(jìn)行非均勻性校正；地球-太空邊界位置檢測(cè)是在預(yù)處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)特定的檢測(cè)方法得到地球-太空邊界所處的位置；姿態(tài)計(jì)算是根據(jù)邊界位置檢測(cè)的結(jié)果，由公式(1) (2)計(jì)算得到衛(wèi)星的滾動(dòng)姿態(tài)角和俯仰姿態(tài)角。地球-太空邊界位置檢測(cè)的穩(wěn)定性和精度決定了地平儀的姿態(tài)測(cè)量精度。探測(cè)元輸出電壓信號(hào)幅度和探測(cè)元實(shí)際接收到14μπι-16. 25μπι波段內(nèi)的紅外輻射能量相關(guān)。以靜態(tài)地平儀中應(yīng)用較多的熱電堆探測(cè)器為例，每個(gè)探測(cè)元輸出電壓信號(hào)反映的是光敏面與基板的溫度差，在基板溫度一致的情況下，地球端與太空端探測(cè)元輸出電壓信號(hào)之間的差異可以反映出地球與太空輻射能量的差異，地平儀根據(jù)輸出信號(hào)量化后的灰度值變化判斷出地球-太空邊界的位置。理想情況下，可以認(rèn)為地球-太空邊界對(duì)應(yīng)探測(cè)器電壓信號(hào)變化梯度最大的地方，從太空端向地球端依次取探測(cè)元信號(hào)，將相鄰兩元信號(hào)值相減，后一元減去前一元，差值最大的地方就是地球-太空邊界。實(shí)際情況中，由于季節(jié)變化、緯度變化會(huì)導(dǎo)致地球輻射量發(fā)生變化，衛(wèi)星在日照區(qū)、陰影區(qū)之間轉(zhuǎn)換導(dǎo)致衛(wèi)星本體溫度變化，太陽(yáng)、冷云等的干擾，探測(cè)器基板溫度分布的不均勻性，探測(cè)器探測(cè)元的不一致性，焦平面軸上與軸外的照度差異，光學(xué)系統(tǒng)的畸變，運(yùn)放、A/D、電源等電子學(xué)噪聲等，這些因素都會(huì)造成探測(cè)器輸出信號(hào)造成影響?，F(xiàn)有的線陣列靜態(tài)紅外地平儀地球-太空邊界位置檢測(cè)方法是依次從探測(cè)器太空端至地球端取連續(xù)四元數(shù)據(jù)，用第η-1，η，η+1，η+2元表示(η的取值在2 Ν-2之間，N為探測(cè)器線元數(shù))，設(shè)探測(cè)器輸出電壓信號(hào)分別為Vlri，Vn，Vn+1，Vn+2，按公式(Vn+2+Vn+1) - (Vn+Vn_i) 求差值，設(shè)差值在η的取值范圍內(nèi)當(dāng)η = P時(shí)取得最大值，則認(rèn)為地球-太空邊界處于第 η元和第η+1之間，并將η作為邊界值輸出。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以有效的抑制探測(cè)器非均勻性、地球輻射量變化等因素的影響，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)算簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是輸出地球-太空邊界位置值為整數(shù)，誤差為士 1元，使得地平儀姿態(tài)測(cè)量精度受制于單個(gè)探測(cè)元的視場(chǎng)角。線陣列靜態(tài)地平儀為凝視型結(jié)構(gòu)，在線陣列探測(cè)器探測(cè)元數(shù)目確定的前提下，邊界位置為整數(shù)值會(huì)導(dǎo)致探測(cè)元瞬時(shí)視場(chǎng)角和系統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量范圍、系統(tǒng)測(cè)量精度相互制約。在保證一定姿態(tài)測(cè)量范圍的要求下，探測(cè)元瞬時(shí)視場(chǎng)角被限制，使得實(shí)用中線陣列靜態(tài)紅外地平儀在測(cè)量精度上還低于高精度的掃描式地平儀，但由于靜態(tài)地平儀沒(méi)有掃描機(jī)構(gòu)， 在質(zhì)量、體積、功耗以及使用壽命上具有明顯優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展空間十分巨大。如果能提高線陣列紅外靜態(tài)地平儀的姿態(tài)測(cè)量精度到更高的水平，同時(shí)能保證地平儀足夠的測(cè)角范圍，則可以直接滿足許多小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的發(fā)展需求，滿足小型化、低造價(jià)、智能化、高精度、高穩(wěn)定性、低功耗和長(zhǎng)壽命的發(fā)展方向，具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在不改變現(xiàn)有線陣列靜態(tài)紅外地平儀的光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子學(xué)硬件的基礎(chǔ)上，提高地平儀姿態(tài)測(cè)量精度，解決探測(cè)元瞬時(shí)視場(chǎng)角與測(cè)量精度、姿態(tài)測(cè)量范圍相互制約的問(wèn)題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種提高線陣列靜態(tài)紅外地平儀姿態(tài)測(cè)量精度的方法，該方法著眼于地球-太空過(guò)渡帶對(duì)應(yīng)的探測(cè)元信號(hào)隨地球-太空邊界在探測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)而規(guī)律性變化的特點(diǎn)，研究這種變化規(guī)律并建立高精度測(cè)量模型，根據(jù)高精度測(cè)量模型由相應(yīng)探測(cè)元信號(hào)幅度推知高精度的邊界值。本發(fā)明的原理如下排除噪聲的影響，相同的積分時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器輸出信號(hào)與光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)、地球輻射量、地球-太空邊界位置三者函數(shù)相關(guān)，地平儀的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)是確定的，排除地球輻射量的影響就可研究探測(cè)器輸出信號(hào)和地球-太空邊界位置之間的關(guān)系公式，根據(jù)公式由探測(cè)器輸出電壓信號(hào)推知地球-太空邊界位置。本發(fā)明所提供的高精度檢測(cè)方法流程圖如附圖3所示，包含6個(gè)步驟(1)地球-太空邊界位置初判；( 參考信號(hào)的選取；C3)探測(cè)器信號(hào)歸一化；(4)邊界判定元選?。? 高精度地球-太空邊界位置檢測(cè)；(6)高精度姿態(tài)計(jì)算。 1.地球-太空邊界位置初判假定地平儀所用線陣列探測(cè)器元數(shù)為N，采用背景技術(shù)中所述的線陣列靜態(tài)紅外地平儀地球-太空邊界位置檢測(cè)方法，從地平儀其中一個(gè)探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)中判定出地球-太空邊界位置值P (P為整數(shù)，取值范圍為1 N)，表示地球-太空邊界處于探測(cè)器的第P元上。2.參考信號(hào)的選取參考信號(hào)的選取的功能是結(jié)合地平儀的特點(diǎn)，屏蔽掉探測(cè)器非均勻性、冷云干擾等多種影響因素，在探測(cè)器每幀輸出的電壓信號(hào)中選擇合適的地球參考信號(hào)與太空參考信號(hào)?！疤諈⒖夹盘?hào)”即是視場(chǎng)內(nèi)全是太空背景的探測(cè)元電壓信號(hào)，而“地球參考信號(hào)”即是視場(chǎng)內(nèi)看到的都是地球的探測(cè)元電壓信號(hào)。太空參考信號(hào)Vspaee計(jì)算公式Vspace=YViIiP-X)(3)Vi表示單個(gè)地平儀頭部中探測(cè)器從太空端向地球端第i個(gè)探測(cè)元輸出的電壓信號(hào)量化值，P為第1步中計(jì)算出的邊界位置值。地球參考信號(hào)Vearth計(jì)算公式
權(quán)利要求
1. 一種提高線陣列靜態(tài)紅外地平儀姿態(tài)測(cè)量精度的方法，其特征在于包括以下步驟1)地球-太空邊界位置初判采用背景技術(shù)中所述的線陣列靜態(tài)紅外地平儀地球-太空邊界位置檢測(cè)方法，從地平儀一個(gè)探頭的探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)中判定出地球-太空邊界位置值P，即地球-太空邊界處于探測(cè)器的第P元上，P為整數(shù)，取值范圍為1 N，N為地平儀所用線陣列探測(cè)器元數(shù)；2)參考信號(hào)的選取在探測(cè)器每幀輸出的電壓信號(hào)中選擇合適的地球參考信號(hào)與太空參考信號(hào)，太空參考信號(hào)Vspare計(jì)算公式Vspace=YjVlIiP-X)⑴/=1Vi表示單個(gè)地平儀頭部中探測(cè)器從太空端向地球端第i個(gè)探測(cè)元輸出的電壓信號(hào)量化值；地球參考信號(hào)Vearth計(jì)算公式Vearth = max (VP+2，...，Vn)(2)其中VP+2，Vn表示從太空端向地球端第P+2個(gè)探測(cè)元至第N個(gè)探測(cè)元輸出的電壓信號(hào)；3)探測(cè)元信號(hào)歸一化根據(jù)地球參考信號(hào)與太空參考信號(hào)，對(duì)探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行灰度拉伸，歸一化為0 100之間的數(shù)值，歸一化處理公式V' i = 100 (Vi-Vspace)/(Vearth-Vspace)(3)其中V' i表示單個(gè)地平儀頭部?jī)?nèi)探測(cè)器從太空端向地球端的第i個(gè)探測(cè)元電壓信號(hào)歸一化后的值，依公式3對(duì)所有探測(cè)器的探測(cè)元電壓信號(hào)進(jìn)行歸一化處理；4)邊界判定元選取根據(jù)地平儀的表示過(guò)渡帶映射到探測(cè)器上所占的探測(cè)元數(shù)的參數(shù)α/θ選取邊界判定元，其中α為地球-太空邊界CO2輻射過(guò)渡帶對(duì)地平儀張角，θ為地平儀中探測(cè)器單個(gè)探測(cè)元的視場(chǎng)角，具體選取方法如下當(dāng)α/θ <<1時(shí)，單個(gè)探測(cè)元視場(chǎng)角遠(yuǎn)大于過(guò)渡帶張角，邊界判定元選擇歸一化后的第P元，記為V' ρ；當(dāng)α/θ < 1時(shí)，邊界判定元選擇歸一化后的第P元和第Ρ+1元數(shù)據(jù)，記為V' ρ和 V' P+1 ；當(dāng)1 < α / θ < 2時(shí)，邊界判定元選擇歸一化后的第Ρ-1，P，Ρ+1三個(gè)元； 當(dāng)2 < α/θ <3時(shí)，邊界判定元選擇歸一化后的第Ρ-1，P，P+l，Ρ+2四個(gè)元；5)高精度地球-太空邊界位置檢測(cè)對(duì)步驟4中選取的邊界判定元求和，記為V' ■，其計(jì)算公式為 當(dāng) α/θ << 1 時(shí)，V' _ = V' ρ； 當(dāng) α/θ 彡 1 時(shí)，V' _ = V' p+V P+1 ； 當(dāng) 1< α/θ <2 時(shí)，V' sim = V' h+V' p+V' P+1 ； 當(dāng)2< α/θ <3 時(shí)，V' sim = V' h+V' p+V' P+1+V P+2 ； 將判定元之和代入高精度地球-太空邊界位置值的公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高線陣列靜態(tài)紅外地平儀姿態(tài)測(cè)量精度的方法，其特征在于步驟5中所述的常數(shù)V' high和V' 的值確定方法如下1)設(shè)在探測(cè)器上移動(dòng)一個(gè)探測(cè)元對(duì)應(yīng)地球模擬器“邊界”冷板移動(dòng)的距離為L(zhǎng)，將其細(xì)分為M步，讓“邊界”在地平儀4個(gè)探測(cè)器的視場(chǎng)內(nèi)從太空端至地球端逐步移動(dòng)，每步移動(dòng) L/M的距離，對(duì)應(yīng)“邊界”在探測(cè)器上移動(dòng)1/M元，按順序記錄下每步對(duì)應(yīng)的線陣列探測(cè)器輸出信號(hào)；2)根據(jù)地球模擬器計(jì)算出每步移動(dòng)所對(duì)應(yīng)的真實(shí)的地球-太空邊界值Py在地球模擬器已精確標(biāo)校初始零位的條件下，可直接由幾何關(guān)系計(jì)算出每步移動(dòng)對(duì)應(yīng)的“邊界”準(zhǔn)確值已；在地球模擬器初始零位精度不高的條件下，按“邊界”移動(dòng)的順序進(jìn)行地球-太空邊界位置初判時(shí)，用P-0. 5來(lái)描述判定的整數(shù)邊界位置值從P-I變?yōu)镻所對(duì)應(yīng)的位置，用公式(5) 來(lái)描述這個(gè)跳變位置之后移動(dòng)第k步所對(duì)應(yīng)的真實(shí)邊界值。Pr = p-0. 5+k/M(5)Pr為真實(shí)的地球-太空邊界值，k為相對(duì)于跳變位置邊界移動(dòng)的第k步，M為移動(dòng)的步距細(xì)分值；3)按權(quán)利要求1所述的1-4步驟對(duì)記錄的探測(cè)器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行處理，按“邊界”移動(dòng)的順序?qū)⑦x取的邊界判定元求和得到V' ■，并按“邊界”移動(dòng)順序描繪成曲線，其中，橫坐標(biāo)為移動(dòng)的步數(shù)，縱軸為歸一化后的判定元之和V' ■；判定元之和的曲線呈鋸齒波狀， 對(duì)鋸齒波的峰值求平均值，作為V' high;對(duì)鋸齒波的谷值求平均值，作為V' lOT，將V' high、 V' 代入公式G)，計(jì)算出每步移動(dòng)所對(duì)應(yīng)的地球-太空邊界值P'；4)計(jì)算每步移動(dòng)所對(duì)應(yīng)位置的地球-太空邊界位置檢測(cè)值P'與真實(shí)值&之間的最大誤差與標(biāo)準(zhǔn)誤差；5)按上述1-4步驟多次重復(fù)測(cè)量計(jì)算，以迭代的形式優(yōu)化參數(shù)，并在改變地球模擬器熱板的溫度以模擬地球輻射量變化的情況下測(cè)試，調(diào)整V' high和V' lOT的參數(shù)以優(yōu)化高精度的檢測(cè)公式，使得本發(fā)明所述的高精度檢測(cè)方法在各種條件下都能將誤差控制在理想的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高星載線陣列靜態(tài)紅外地平儀精度的方法，它包括地球-太空邊界位置初判、參考信號(hào)的選取、探測(cè)器信號(hào)歸一化、邊界判定元選取、高精度地球-太空邊界位置檢測(cè)和高精度姿態(tài)計(jì)算。本發(fā)明結(jié)合地平儀的特點(diǎn)，著眼于過(guò)渡帶對(duì)應(yīng)的探測(cè)元信號(hào)隨地球-太空邊界在探測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)而規(guī)律性變化的特點(diǎn)，創(chuàng)新地提出利用“邊界判定元”高精度的定位地球-太空邊界位置的方法來(lái)提高地平儀姿態(tài)測(cè)量精度。本發(fā)明克服了目前地平儀設(shè)計(jì)中探測(cè)元瞬時(shí)視場(chǎng)角與測(cè)量精度、姿態(tài)測(cè)量范圍相互制約的問(wèn)題，還具有計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)，通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，可應(yīng)用到不同軌道高度的星載線陣列靜態(tài)紅外地平儀中。
文檔編號(hào)G01C21/24GK102175247SQ20111000877
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者崔維鑫, 張濤, 朱進(jìn)興, 謝宗寶, 韓開亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所