[发明专利]一种基于非对称拓扑结构的地平仪及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星姿态测量技术，具体涉及一种基于非对称拓扑结构的地平仪及测量方法，适用于卫星姿态测量领域。

背景技术

地平仪是利用星载的光学系统和探测器，探测3个或3个以上的地平点，计算地平圆的中心方向，测量卫星相对于局地垂线的姿态偏差,用于入轨初期初始姿态建立、安全模式下姿态重构和正常运行模式下的姿态控制。

传统的线阵地平仪采用对称式拓扑结构对地球进行探测，因此地平仪只能安装在卫星对地的平面上。见贝治年，“静态红外地平仪技术分析”，红外，2002年第5期。

有些特殊应用的卫星在对地平面上无法安装地平仪，只能安装在卫星的侧表面上，因此传统的对称式拓扑结构的地平仪无法适用，需要一种基于非对称拓扑结构的地平仪对卫星的姿态进行测量。

发明内容

本发明公开了一种基于非对称拓扑结构的地平仪及测量方法，该地平仪包括：使用2套光学探头和1套信息处理单元，每套红外探头包括1个红外光学系统和1个红外探测器，二者一体化安装，2套红外探头的光轴在地平圆平面内的投影所成夹角为90度，每个探测器有2条探测线阵，每条线阵有160个像元，对应的视场为16度，地平仪安装在卫星的侧面，对地倾斜一定的角度，实现对地球的非对称式探测，如图1和图2所示。

该地平仪的工作原理如下：地球红外辐射通过光学系统在红外探测器上生成红外图像，并经线列阵红外探测器转换为电信号，经前端电路放大后再经AD转换为数字信号，再经后端信息电路处理，提取地平圆边界，计算地平圆中心位置，进而计算出卫星滚动和俯仰姿态偏差角。

基于非对称拓扑结构的地平仪的红外光学系统采用两片高次非球面透镜，减少了透镜数量，减轻了系统重量，减少了能量损耗，采用滤光片与探测器窗口一体化封装，省去普通探测器的透过窗口，使光学透过率相较于普通红外系统提高10%。

基于非对称拓扑结构的地平仪的地平圆穿越点提取的流程为：首先对地球和太空的边界位置进行初步的判断，然后选取地球和太空的参考信号值，利用参考信号值对探测到的数据进行归一化处理，接着进行边界判定元的选取，最后利用高精度地球和太空边界位置检测算法对地平圆穿越点进行提取，如图3所示。

基于非对称拓扑结构的地平仪的姿态测量算法原理如下：通过测量地平圆在4个红外探测器上的边界点，进而求得地平圆的中心，卫星对地姿态不同，地平圆中心的位置也会随之发生变化，因此，通过测量地平圆中心位置的变化，可以反演出卫星对地姿态，如图4所示。

1）仪器测量坐标系定义为：坐标系的原点为地平仪的质心，坐标系的Z轴为地平仪的质心指向地心的局地垂线方向，坐标系的X轴为在卫星轨道平面内与Z轴垂直并指向卫星速度的方向，坐标系的Y轴为与X和Z轴右手正交且与轨道平面的法线平行的方向；

2）所述的高精度姿态解算方法，采用4条红外探测线阵，分别定义为L₁、L₂、L₃和L₄，在仪器测量坐标系下，地平圆与4个红外探测线列阵的交点定义为边界点，分别为A、B、C和D，4个边界点在仪器测量坐标系下的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和(x₄,y₄)，地平圆圆心定义为O，在仪器测量坐标系下的坐标为(x₀,y₀)；

3）在仪器测量坐标系下，求点A和B连线线段AB的斜率k，利用几何关系可以求出线段AB的斜率为：

k=y2-y1x2-x1---(1)]]>

4）在仪器测量坐标系下，可以求出线段AB的中点坐标为：