天文导航的天体敏感器课件.ppt
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1、天文与深空导航学,主讲:魏二虎 教授,1/104,ppt课件,第一章天文与深空导航的理论基础第二章天文导航的天体敏感器 第三章高轨地球卫星自主天文导航 第四章深空探测器的自主天文导航原理与方法 第五章VLBI技术用于深空探测器导航的原理与方法 第六章USB技术用于深空探测器导航的原理与方法 第七章脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原 理与方法第八章其他导航技术在深空探测中应用与国内外深空探测计划,目录,2/104,ppt课件,2.1引 言2.2天体敏感器分类2.3恒星敏感器,3/104,ppt课件,2.1引 言(3-20),航天器天文导航是利用天体敏感器测得的天体(月球、地球、太阳、其他行
2、星和恒星)方位信息进行航天器位置计算的一种定位导航方法。天文导航系统由天体测量部分和导航解算部分组成。天体测量部分一般由天体敏感器和相应的接口电路组成。根据不同的任务和飞行区域,可以采用的天体敏感器有太阳敏感器、地球敏感器、恒星敏感器、天文望远镜及行星照相仪等。,4/104,ppt课件,2.1引言,根据不同的任务和飞行区域,可以采用的天体敏感器有太阳敏感器、地球敏感器、恒星敏感器、天文望远镜行星照相仪等。,5/104,ppt课件,2.2天体敏感器分类,按不同的分类规则,天体敏感器可分为以下几种类型。按敏感天体的不同分为:地球敏感器、太阳敏感器、恒星敏感器、月球敏感器和行星敏感器等,6/104,
3、ppt课件,2.2天体敏感器分类,Date:01 February 2007Satellite:LISA PathfinderDepicts:Digital Sun Sensor,including removable alignment cubeLocation:Galileo Avionica,ItalyCopyright:Galileo Avionica,7/104,ppt课件,2.2天体敏感器分类,STD15S-mk2 Infrared Earth Sensor:Objectives,8/104,ppt课件,2.2天体敏感器分类,The Star Sensor KM 1301 prov
4、ides inertial and relative attitude determination for small satellites.FeaturesStar Sensor body:112 x 115 x 115 mm Height:105 mm(w/o baffle),170 mm(w/baffle)Mass:0.78 kg Power:typical 4.2 W 12 V DC Field of view:21 x 31 Update frequency:4 Hz Accuracy:+/-0.02(2 sigma)Time to first acquisition:0.5 s D
5、ata interface:RS422/485 Operating modes:inertial,relative,camera,9/104,ppt课件,2.2天体敏感器分类,按所敏感光谱的不同分为:可见光敏感器、红外敏感器和紫外敏感器。其中紫外敏感器是近年发展起来的一种新型敏感器,它不仅可以敏感恒星,还可以敏感地球、月球和太阳,且抗干扰能力强。,10/104,ppt课件,2.2天体敏感器分类,The GB5-A series is a low cost visible light sensor Features:1.RoHS compliant;CMOS technology 2.High
6、IR rejection-integrated optical filter 3.Current output highly linear VS light level 4.Near human eye photopic response 5.Integrated high gain photo-current amplifier 6.Dark-current cancellation 7.Temperature stable,11/104,ppt课件,2.2天体敏感器分类,InfraRed Earth Sensor IRES N2,The sensor main characteristic
7、s are:Mass:2.3kg Power consumption:3.5W Optical Wavelength:14m-16m Continuous sensor operation altitude:15350km 140000km Field of View:5.5 Narrow Scan,11 Wide Scan Accuracy,at GEO:Bias:0.03(3)NEA:0.08(3 with three channels)Power interface:24V to 50V unregulated,optional 100V Data Interface:DS32,opti
8、onal DS48 and MIL1553B,12/104,ppt课件,2.2天体敏感器分类,按光电敏感器件的不同可分为:CCD(Charge Coupled Device)天体敏感器和CMOS APS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Active Pixel Sensor)天体敏感器。光电敏感器件是天体敏感器的核心。,13/104,ppt课件,2.2天体敏感器分类,其中CMOS敏感器与CCD敏感器相比具有抗辐射能力强、动态范围大、便于和外围电路以及信号处理电路大规模集成、低功耗和低成本等优点,是光电敏感器的发展方向之一。,14/104,ppt课
9、件,2.2天体敏感器分类,15/104,ppt课件,2.3恒星敏感器,2.3恒星敏感器2.3.1恒星敏感器简介2.3.2恒星敏感器分类2.3.3恒星敏感器结构2.3.4恒星敏感器的工作原理,16/104,ppt课件,2.3.1恒星敏感器简介,恒星敏感器(简称星敏感器)是当前广泛应用的天体敏感器,它是天文导航系统中一个很重要的组成部分。它以恒星作为姿态测量的参考源,可输出恒星在星敏感器坐标下的矢量方向,为航天器的姿态控制和天文导航系统提供高精度测量数据。,17/104,ppt课件,2.3.1恒星敏感器简介,恒星敏感器最早在20世纪50年代初研制成功,主要应用于飞机、导弹的制导。20世纪70年代初
10、CCD的出现,促进了像质好、精度高的CCD星敏感器的研制。随着科技的发展;90年代初,出现了采用CMOS工艺的动态像元星敏感器APS,又称为CMOS APS星敏感器。,18/104,ppt课件,2.3.1恒星敏感器简介,CMOS APS星敏感器的优点有:APS具有CMOS器件的优点,抗辐射能力强,集成度高;APS电源电压单一化,可极大降低体积、质量和功耗等;APS读出信号噪声低,不需要电荷转换,动态范围大。,19/104,ppt课件,CMOS APS star senor in mars-odyssey spacecraft,20/104,ppt课件,2.3.1恒星敏感器简介恒星敏感器性能要求
11、,随着科学技术的发展,为适应航天器定姿及导航精度的要求,对恒星敏感器的性能要求也越来越高,通常对新型星敏感器的要求如下:能够敏感微弱星光。恒星敏感器测量对象是恒星,天空中大部分的恒星星光都比较微弱,为了满足星体识别和导航精度的要求,恒星敏感器应能够敏感弱光信息。,21/104,ppt课件,2.3.1恒星敏感器简介恒星敏感器性能要求,高精度。恒星敏感器通常作为一种高精度的姿态确定设备,应用于飞机、导弹等高精度制导武器的天文导航系统中。,22/104,ppt课件,2.3.1恒星敏感器简介恒星敏感器性能要求,实时性强。为实现航天器的姿态确定,需对敏感到的恒星进行实时的星体识别。自主星图匹配识别算法作
12、为恒星敏感器的核心,不但要能实现姿态的快速获取,当由于某种原因造成姿态丢失时,还能实现快速重建。因此,识别的实时性问题就成为衡量恒星敏感器的关键指标。,23/104,ppt课件,2.3.1恒星敏感器简介恒星敏感器性能要求,抗干扰、抗空间辐射能力强。恒星敏感器敏感微弱星光信息,杂散光的干扰不但对成像质量影响很大,甚至会使星敏感器不能正常工作,因此必须采用遮光罩来抑制杂散光,增强抗干扰能力。通常面向空间应用的仪器必须具有抗辐射能力,恒星敏感器也不例外。,24/104,ppt课件,2.3.1恒星敏感器简介恒星敏感器性能要求,体积小、质量轻、功耗低。为了实时、准确的获取航天器的姿态信息,常在航天器上安
13、装两个或两个以上的恒星敏感器,因而低成本、小体积和低功耗就显得尤为重要。,25/104,ppt课件,2.3恒星敏感器,2.3恒星敏感器2.3.1恒星敏感器简介2.3.2恒星敏感器分类2.3.3恒星敏感器结构2.3.4恒星敏感器的工作原理,26/104,ppt课件,2.3.2恒星敏感器分类,星敏感器按其发展阶段可分为星扫描器框架式星跟踪器固定敏感头星敏感器,27/104,ppt课件,2.3.2恒星敏感器分类,星扫描器又称星图仪。它带有一狭缝视场,适用于自转卫星。其原理是卫星自转时,敏感器扫描天区,狭缝视场敏感恒星,处理电路检测恒星扫过的时间和敏感的星光能量,并根据先验知识、匹配识别等,可测出卫星
14、的姿态。它没有旋动部件,可靠性较高;但由于系统信噪比低,在工程实用中受到严重的限制,现已基本淘汰。,28/104,ppt课件,2.3.2恒星敏感器分类,框架式星跟踪器。其原理是导航星通过光学成像系统在敏感面上成像;处理电路检测出星像在视场中的位置及大小,根据检测结果驱动伺服机构使机械框架转动,将导航星的图像尽可能保持在视场中心;最后根据识别星的信息和框架转角情况,来确定航天器的姿态。此种类型的星敏感器结构复杂,可靠性较差。,29/104,ppt课件,2.3.2恒星敏感器分类,固定敏感头星敏感器。其类似星扫描器,不过它没有成像装置。其原理是通过光学系统由光电转换器件敏感恒星,处理电路扫描搜索视场
15、,来获取、识别导航星,进而确定航天器的姿态。这种类型的星敏感器视场呈锥形,易于确定星像的方位,且没有机械可动部件,因而可靠性高,具有广泛的应用前景。,30/104,ppt课件,2.3.2恒星敏感器分类,目前固定敏感头的CCD星敏感器因其像质好、分辨率高、技术发展比较成熟等已在工程上得到了广泛的应用。新型固定敏感头的CMOS APS星敏感器,由于具有集成度高、不需电荷转换、动态范围大等特点,是星敏感器发展的方向。,31/104,ppt课件,2.3恒星敏感器2.3.1恒星敏感器简介2.3.2恒星敏感器分类2.3.3恒星敏感器结构2.3.4恒星敏感器的工作原理,32/104,ppt课件,2.3.3恒
16、星敏感器结构,20世纪50年代初研制的早期星敏感器主要由电子箱、光电跟踪管和光学镜头组成。,33/104,ppt课件,2.3.3恒星敏感器结构,20世纪70年代初CCD的出现以及集成电路的发展,促进了像质好、精度高的CCD星敏感器的研制。该星敏感器主要由图所示的CCD器件、外围采样电路、信号处理电路和光学镜头四部分组成。,34/104,ppt课件,2.3.3恒星敏感器结构,20世纪90年代初,随着大规模集成电路技术和CMOS加工工艺技术的日趋成熟,出现了采用CMOS工艺的动态像元星敏感器APS。这类基于CMOS APS光电敏感器的新一代星敏感器主要由CMOS APS器件、外围电路、信号处理电路
17、、导航计算机和光学镜头组成。,35/104,ppt课件,2.3.3恒星敏感器结构CCD星敏感器的实物图,左图所示为德国Jena ASTR0-5型CCD星敏感器,右图所示为法国SODERN SED16型CCD星敏感器。,36/104,ppt课件,2.3.3恒星敏感器结构CCD星敏感器结构,恒星敏感器的基本结构包括遮光罩、光学系统、光电转换电路(CCD组件、时序电路、驱动电路、采集和放大电路)、控制电路(制冷器控制、工作参数采集)、二次电源、数据处理模块(星图预处理、星体质心提取、星图识别和定姿)以及对外接口。,37/104,ppt课件,2.3恒星敏感器,2.3恒星敏感器2.3.1恒星敏感器简介2
18、.3.2恒星敏感器分类2.3.3恒星敏感器结构2.3.4恒星敏感器的工作原理,38/104,ppt课件,2.3.4恒星敏感器的工作原理,恒星敏感器的工作原理是以恒星为参照物,利用敏感器拍到的星图,经过恒星质心提取、星图识别、姿态确定等一系列计算,确定出恒星敏感器视轴在天球上的瞬间指向,为深空探测器导航提供有效信息,具体工作原理如下:已知恒星在天球坐标系O-XYZ下的赤经和赤纬,如图所示,则恒星在惯性坐标系下的单位矢量SI可以表示为:,39/104,ppt课件,2.3.4恒星敏感器的工作原理,恒星的星光经过光学系统,在恒星敏感器的敏感面阵上成像,星点在敏感器像平面坐标系O-xy中的坐标为(xc,
19、yc)可以直接读出,根据摄影测量中的几何关系可得:式中 SS恒星在敏感器本体坐标系中的单位位置矢量;f光学系统焦距。,40/104,ppt课件,2.3.4恒星敏感器的工作原理,SI和SS的关系为SS=AsAbAoSI 式中 As恒星敏感器在探测器本体坐标系中的安装矩阵;Ab探测器本体坐标系在轨道坐标系中的姿态矩阵;Ao探测器轨道坐标系到惯性坐标系的转移矩阵,可根据轨道参数获得。,41/104,ppt课件,2.4太阳敏感器,2.4太阳敏感器2.4.1 太阳敏感器简介2.4.2太阳敏感器分类2.4.3太阳敏感器结构2.4.4太阳敏感器工作原理,42/104,ppt课件,2.4.1太阳敏感器简介,太
20、阳敏感器通过对太阳辐射的敏感来测量太阳光线同航天器某一预定体轴或坐标面之间的夹角,以获得航天器相对于太阳的方位,是最早用于姿态测量的光学敏感器。,43/104,ppt课件,2.4.1太阳敏感器简介,由于太阳敏感和识别,这给敏感器的设计和姿态确定算法带来了极大的方便,因此太阳敏感器成为航天器首选的姿态敏感器,几乎任一航天器都将其作为有效载荷。太阳敏感器的视场可达128128。目前大视场阵列式数字太阳敏感器的分辨率可达角秒级。太阳敏感器具有结构简单、工作可靠、功耗低、重量小、视场范围大等特点。太阳敏感器通常包括光学系统、探测器和信号处理电路三个部分。一般把光学系统和光电转换器件的组合称为光学敏感头
21、。,44/104,ppt课件,2.4.1太阳敏感器简介发展趋势,太阳敏感器的发展趋势主要有以下几个方面:功能模块化小型一体化;高度集成化性能高,即高精度、高分辨率和高处理速度,可实时准确地确定航天器的姿态。,45/104,ppt课件,2.4太阳敏感器,2.4太阳敏感器2.4.1 太阳敏感器简介2.4.2 太阳敏感器分类2.4.3太阳敏感器结构2.4.4太阳敏感器工作原理,46/104,ppt课件,2.4.2太阳敏感器分类,目前太阳敏感器的种类比较繁多,主要分为模拟式、数字式和太阳出现式敏感器三种类型。前两种的主要区别是输出信号的方式不同,一个是模拟信号,一个是离散数字信号,可以互相转化。第三种
22、太阳出现式敏感器,又称为太阳指示器,它提供一个恒定的输出信号,这个信号反映太阳是否在敏感器的视场内。,47/104,ppt课件,2.4.2太阳敏感器分类模拟式太阳敏感器,模拟式太阳敏感器有几种不同的结构形式,大体上可分为三种类型:余弦式、差动式和狭缝式太阳敏感器。自旋稳定卫星广泛使用V形狭缝式太阳敏感器。这种敏感器结构简单,工作可靠,测量范围大,精度可达0.05。,48/104,ppt课件,数字式太阳敏感器主要分为两大类:编码式太阳敏感器和阵列式太阳敏感器。编码式太阳敏感器码盘的角度分辨率受太阳张角(约053)的限制,因此它的精度低于0.5。提高精度的措施是在信号处理电路中采用数字编码细分技术
23、,也就是将码盘最低位输出的模拟信号用模数转换电路进行细分,提高敏感器分辨率。,2.4.2太阳敏感器分类数字式太阳敏感器,49/104,ppt课件,2.4.2太阳敏感器分类数字式太阳敏感器,阵列式太阳敏感器的探测器采用阵列器件。它常用线列阵(多个敏感元排成一条直线),太阳像落在线阵上的位置代表太阳方位角。由于阵列器件中敏感元集成度很高,加上线路对信号的内插细分,阵列式敏感器的精度可达到角秒级。,50/104,ppt课件,2.4.2太阳敏感器分类太阳出现式敏感器,太阳出现式敏感器工作原理简单,当太阳出现在敏感器视场内,并且信号超过门限值时,表示敏感到太阳,输出为1;当信号低于门限值时表示没有敏感到
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