專利名稱：提高線陣列靜態(tài)紅外地平儀姿態(tài)測量精度的方法
技術領域：
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)測量精度的方法。
背景技術：
紅外地平儀(或稱為紅外地球敏感器，簡稱地平儀)，是基于對姿態(tài)參考源地球紅外輻射敏感原理，在軌實現(xiàn)衛(wèi)星相對于局地垂線滾動、俯仰姿態(tài)信息測量的衛(wèi)星姿態(tài)光學敏感器。根據(jù)地平儀是否包括機械掃描機構，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50年代美國GoodRich公司世界上研制出首臺用于航天器定向的紅外傳感器起，美國、法國、日本及意大利等國相繼開發(fā)出不同類型的掃描式紅外地平儀，經(jīng)過多年的空間飛行應用和發(fā)展，其研制技術相當成熟，產(chǎn)品已定型商業(yè)化。上世紀90年代以來，隨著焦平面紅外探測器的發(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、無掃描機構等特點而在長壽命衛(wèi)星、小衛(wèi)星上得到了廣泛應用。上世紀80年代以來，國內(nèi)相關單位已研發(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掃描式，已廣泛用于國內(nèi)不同極軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星。近年來，為了滿足衛(wèi)星平臺對長壽命、輕量化及低功耗的紅外光學敏感器的需求，瞄準國外同類產(chǎn)品的發(fā)展方向，利用線陣列和面陣列焦平面紅外探測器研制出靜態(tài)紅外地平儀，并已在軌成功應用。目前我國面陣列靜態(tài)地平儀的精度可達到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，但相對研發(fā)成本較高，且主要適用于高軌衛(wèi)星；而線陣列靜態(tài)地平儀相對成本低，通過光機結構調整可以適應不同軌道高度的衛(wèi)星。線陣列靜態(tài)地平儀中探測器位于光學系統(tǒng)的焦平面上，屬于凝視型結構。測量原理是衛(wèi)星從太空中看到的地球是一個在4K冷背景中平均亮度溫度為220K MOK的大圓盤，地平儀的若干個光學系統(tǒng)頭部對著這個圓盤的邊界看(地球與太空之間的輻射過渡帶，本質上是地球大氣(X)2吸收帶)，將邊界附近的圖像投影到位于焦平面的探測器上，通過探測器輸出的信號判斷出“邊界”在視場內(nèi)所處的位置，根據(jù)光學頭部之間的幾何關系，計算出衛(wèi)星本體相對于地球“圓盤”的姿態(tài)，實現(xiàn)對衛(wèi)星姿態(tài)的測量。以中、低軌道的線陣列靜態(tài)地平儀為例，其典型設計是按“X”結構對稱排列四個探頭(光學系統(tǒng)和探測器組成，探測器位于光學系統(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四個探頭與滾動軸和俯仰軸成45°分布，相鄰兩個探頭光軸夾角為90°，探頭A與C、B與D的夾角由軌道高度決定。假設四個線陣列探測器探測元有N元，每個探測元的視場為θ，探測器從太空端開始至地球端每個探測元分別用第1元 第N元編號，地球-太空邊界映射到探測器上所處的探測元編號即為其邊界位置值，而地球-太空邊界一般定義為CO2輻射過渡帶能量的50%處。四個探頭的探測器上地球-太空邊界位置值用 PA、PB、Pc> Pd表示，俯仰角P和滾動角R的計算公式為俯仰角P = ^(PA+PB-Pc-PD)0(1)滾動角R = ^(PA-PB-Pc + PD)e(2)線陣列靜態(tài)紅外地平儀的結構框圖及處理方法流程圖如附圖2所示。光學頭部將視場內(nèi)地球-太空邊界附近的圖像投影到焦平面線陣列探測器上，電子學處理部分完成對探測器的信號讀出、放大、積分、采樣保持、A/D轉換，得到量化后的探測元數(shù)據(jù)，送入主處理器中。主處理器的處理方法包含圖像預處理、地球-太空邊界位置檢測和姿態(tài)計算。圖像預處理用來對探測元信號進行調理以適合后續(xù)處理，如根據(jù)線陣列探測器各個元的響應率進行非均勻性校正；地球-太空邊界位置檢測是在預處理數(shù)據(jù)的基礎上，通過特定的檢測方法得到地球-太空邊界所處的位置；姿態(tài)計算是根據(jù)邊界位置檢測的結果，由公式(1) (2)計算得到衛(wèi)星的滾動姿態(tài)角和俯仰姿態(tài)角。地球-太空邊界位置檢測的穩(wěn)定性和精度決定了地平儀的姿態(tài)測量精度。探測元輸出電壓信號幅度和探測元實際接收到14μπι-16. 25μπι波段內(nèi)的紅外輻射能量相關。以靜態(tài)地平儀中應用較多的熱電堆探測器為例，每個探測元輸出電壓信號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元輸出電壓信號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，可以認為地球-太空邊界對應探測器電壓信號變化梯度最大的地方，從太空端向地球端依次取探測元信號，將相鄰兩元信號值相減，后一元減去前一元，差值最大的地方就是地球-太空邊界。實際情況中，由于季節(jié)變化、緯度變化會導致地球輻射量發(fā)生變化，衛(wèi)星在日照區(qū)、陰影區(qū)之間轉換導致衛(wèi)星本體溫度變化，太陽、冷云等的干擾，探測器基板溫度分布的不均勻性，探測器探測元的不一致性，焦平面軸上與軸外的照度差異，光學系統(tǒng)的畸變，運放、A/D、電源等電子學噪聲等，這些因素都會造成探測器輸出信號造成影響?，F(xiàn)有的線陣列靜態(tài)紅外地平儀地球-太空邊界位置檢測方法是依次從探測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為探測器線元數(shù))，設探測器輸出電壓信號分別為Vlri，Vn，Vn+1，Vn+2，按公式(Vn+2+Vn+1) - (Vn+Vn_i) 求差值，設差值在η的取值范圍內(nèi)當η = P時取得最大值，則認為地球-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)點是可以有效的抑制探測器非均勻性、地球輻射量變化等因素的影響，抗干擾能力強，運算簡單，便于實現(xiàn)；缺點是輸出地球-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)測量精度受制于單個探測元的視場角。線陣列靜態(tài)地平儀為凝視型結構，在線陣列探測器探測元數(shù)目確定的前提下，邊界位置為整數(shù)值會導致探測元瞬時視場角和系統(tǒng)姿態(tài)測量范圍、系統(tǒng)測量精度相互制約。在保證一定姿態(tài)測量范圍的要求下，探測元瞬時視場角被限制，使得實用中線陣列靜態(tài)紅外地平儀在測量精度上還低于高精度的掃描式地平儀，但由于靜態(tài)地平儀沒有掃描機構， 在質量、體積、功耗以及使用壽命上具有明顯優(yōu)勢，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)測量精度到更高的水平，同時能保證地平儀足夠的測角范圍，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、智能化、高精度、高穩(wěn)定性、低功耗和長壽命的發(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)紅外地平儀的光學機械結構、電子學硬件的基礎上，提高地平儀姿態(tài)測量精度，解決探測元瞬時視場角與測量精度、姿態(tài)測量范圍相互制約的問題。為達到上述目的，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)測量精度的方法，該方法著眼于地球-太空過渡帶對應的探測元信號隨地球-太空邊界在探測器視場內(nèi)移動而規(guī)律性變化的特點，研究這種變化規(guī)律并建立高精度測量模型，根據(jù)高精度測量模型由相應探測元信號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，相同的積分時間內(nèi)，探測器輸出信號與光學系統(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，地平儀的光學系統(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器輸出信號和地球-太空邊界位置之間的關系公式，根據(jù)公式由探測器輸出電壓信號推知地球-太空邊界位置。本發(fā)明所提供的高精度檢測方法流程圖如附圖3所示，包含6個步驟(1)地球-太空邊界位置初判；( 參考信號的選??；C3)探測器信號歸一化；(4)邊界判定元選??；( 高精度地球-太空邊界位置檢測；(6)高精度姿態(tài)計算。 1.地球-太空邊界位置初判假定地平儀所用線陣列探測器元數(shù)為N，采用背景技術中所述的線陣列靜態(tài)紅外地平儀地球-太空邊界位置檢測方法，從地平儀其中一個探測器輸出的電壓信號中判定出地球-太空邊界位置值P (P為整數(shù)，取值范圍為1 N)，表示地球-太空邊界處于探測器的第P元上。2.參考信號的選取參考信號的選取的功能是結合地平儀的特點，屏蔽掉探測器非均勻性、冷云干擾等多種影響因素，在探測器每幀輸出的電壓信號中選擇合適的地球參考信號與太空參考信號?！疤諈⒖夹盘枴奔词且晥鰞?nèi)全是太空背景的探測元電壓信號，而“地球參考信號”即是視場內(nèi)看到的都是地球的探測元電壓信號。太空參考信號Vspaee計算公式Vspace=YViIiP-X)(3)Vi表示單個地平儀頭部中探測器從太空端向地球端第i個探測元輸出的電壓信號量化值，P為第1步中計算出的邊界位置值。地球參考信號Vearth計算公式
權利要求
1. 一種提高線陣列靜態(tài)紅外地平儀姿態(tài)測量精度的方法，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-太空邊界位置檢測方法，從地平儀一個探頭的探測器輸出的電壓信號中判定出地球-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器元數(shù)；2)參考信號的選取在探測器每幀輸出的電壓信號中選擇合適的地球參考信號與太空參考信號，太空參考信號Vspare計算公式Vspace=YjVlIiP-X)⑴/=1Vi表示單個地平儀頭部中探測器從太空端向地球端第i個探測元輸出的電壓信號量化值；地球參考信號Vearth計算公式Vearth = max (VP+2，...，Vn)(2)其中VP+2，Vn表示從太空端向地球端第P+2個探測元至第N個探測元輸出的電壓信號；3)探測元信號歸一化根據(jù)地球參考信號與太空參考信號，對探測器輸出的電壓信號進行灰度拉伸，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表示單個地平儀頭部內(nèi)探測器從太空端向地球端的第i個探測元電壓信號歸一化后的值，依公式3對所有探測器的探測元電壓信號進行歸一化處理；4)邊界判定元選取根據(jù)地平儀的表示過渡帶映射到探測器上所占的探測元數(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輻射過渡帶對地平儀張角，θ為地平儀中探測器單個探測元的視場角，具體選取方法如下當α/θ <<1時，單個探測元視場角遠大于過渡帶張角，邊界判定元選擇歸一化后的第P元，記為V' ρ；當α/θ < 1時，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1 < α / θ < 2時，邊界判定元選擇歸一化后的第Ρ-1，P，Ρ+1三個元； 當2 < α/θ <3時，邊界判定元選擇歸一化后的第Ρ-1，P，P+l，Ρ+2四個元；5)高精度地球-太空邊界位置檢測對步驟4中選取的邊界判定元求和，記為V' ■，其計算公式為 當 α/θ << 1 時，V' _ = V' ρ； 當 α/θ 彡 1 時，V' _ = V' p+V P+1 ； 當 1< α/θ <2 時，V' sim = V' h+V' p+V' P+1 ； 當2< α/θ <3 時，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)設在探測器上移動一個探測元對應地球模擬器“邊界”冷板移動的距離為L，將其細分為M步，讓“邊界”在地平儀4個探測器的視場內(nèi)從太空端至地球端逐步移動，每步移動 L/M的距離，對應“邊界”在探測器上移動1/M元，按順序記錄下每步對應的線陣列探測器輸出信號；2)根據(jù)地球模擬器計算出每步移動所對應的真實的地球-太空邊界值Py在地球模擬器已精確標校初始零位的條件下，可直接由幾何關系計算出每步移動對應的“邊界”準確值已；在地球模擬器初始零位精度不高的條件下，按“邊界”移動的順序進行地球-太空邊界位置初判時，用P-0. 5來描述判定的整數(shù)邊界位置值從P-I變?yōu)镻所對應的位置，用公式(5) 來描述這個跳變位置之后移動第k步所對應的真實邊界值。Pr = p-0. 5+k/M(5)Pr為真實的地球-太空邊界值，k為相對于跳變位置邊界移動的第k步，M為移動的步距細分值；3)按權利要求1所述的1-4步驟對記錄的探測器輸出電壓信號進行處理，按“邊界”移動的順序將選取的邊界判定元求和得到V' ■，并按“邊界”移動順序描繪成曲線，其中，橫坐標為移動的步數(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， 對鋸齒波的峰值求平均值，作為V' high;對鋸齒波的谷值求平均值，作為V' lOT，將V' high、 V' 代入公式G)，計算出每步移動所對應的地球-太空邊界值P'；4)計算每步移動所對應位置的地球-太空邊界位置檢測值P'與真實值&之間的最大誤差與標準誤差；5)按上述1-4步驟多次重復測量計算，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試，調整V' high和V' lOT的參數(shù)以優(yōu)化高精度的檢測公式，使得本發(fā)明所述的高精度檢測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、參考信號的選取、探測器信號歸一化、邊界判定元選取、高精度地球-太空邊界位置檢測和高精度姿態(tài)計算。本發(fā)明結合地平儀的特點，著眼于過渡帶對應的探測元信號隨地球-太空邊界在探測器視場內(nèi)移動而規(guī)律性變化的特點，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提高地平儀姿態(tài)測量精度。本發(fā)明克服了目前地平儀設計中探測元瞬時視場角與測量精度、姿態(tài)測量范圍相互制約的問題，還具有計算量小，易于實現(xiàn)，通用性強的特點，可應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G01C21/24GK102175247SQ20111000877
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權日2011年1月14日
發(fā)明者崔維鑫, 張濤, 朱進興, 謝宗寶, 韓開亮 申請人:中國科學院上海技術物理研究所