[发明专利]一种用于空间光学遥感仪器的两维指向机构

说明书

技术领域

本发明涉及用于空间光学遥感仪器的新型高精度两维指向机构，该机构主要应用于面阵光学遥感仪器的光学指向，用以增加面阵光学遥感仪器的观测范围。同时，由于该机构其中一维可以360°连续扫描，可以实现光学遥感仪器的光谱定标，有利于遥感仪器的在轨定量化应用。

背景技术

近年来随着电子科学技术的发展使得大规模的探测器阵列在光学遥感仪器中得到了越来越广泛的应用，遥感仪器的性能得到很大的提升，地面分辨率、光谱分辨率等得到了大幅提高。同时，随着面阵探测器的研制取得的突破，凝视型的光学遥感仪器也越来越受到关注。特别是对于地球同步静止轨道卫星上的对地遥感仪器，由于其相对地面的运动远小于低轨平台，凝视成像是一种很好的图像获取方式。但是，凝视型光学遥感系统通常只有很小的视场，一般多采用二维指向机构来扩大观测范围。

典型的两维指向机构的结构采用两台独立的驱动轴系组件通过一个U型结构件(U型架)进行连接，两个轴系在空间上相互垂直，U型架与方位轴连接。为了增加俯仰轴系的刚度，U型架往往设计较为笨重，同时会加大方位轴轴承预载，这些措施无形中加大了方位轴电机的驱动力矩。反馈控制系统一般采用光电编码盘或高精度感应同步器。.

典型的两维机构是美国摩根公司为ADEOS-Ⅱ卫星设计的一个两维指向机构。该结构是一个典型的俯仰角—方位角构造，并配以具有完整备份的高精度电子控制单元。方位轴采用步进电机驱动，其输出轴轴承采用大预载以增加轴系刚性。方位轴上还包括一个用于位置传感的21位旋转变压器。而俯仰轴上配置的则是一个无刷直流电机和20位增量式光栅编码器。该方案针对小视场的光学遥感仪器的两维指向有一定的优点。但是，随着指向镜口径的增大，俯仰轴系的刚度问题(直接影响指向稳定度)，俯仰轴驱动和位置检测电缆的引出对方位轴驱动电机带来的力矩波动问题都有待进一步的解决。

随着空间遥感的进一步发展，对空间遥感仪器的要求越来越高。如不断提高的地面分辨率要求和大规模面阵探测器的应用，使得遥感仪器的光学口径越来越大。两维指向机构的尺寸越来越大，重量越来越重，指向稳定度也越来越高。为了解决这一矛盾，有人提出了另一种解决方案，采用两套扫描镜部件的方案。一套实现方位轴扫描，另一套完成俯仰轴扫描。典型的应用是我国研制的FY-4扫描辐射计。该方案有其优点：分离了两维扫描的运动，有助于提高扫描机构的结构刚度和降低装配难度；有助于提高扫描稳定度。但是，由于采用了两套机构，两块扫描镜。其重量和结构尺寸代价也是巨大的。

发明内容

本发明结合了成熟的空间45°扫描机构和圆锥扫描机构的优点，提出了一种新的实现两维扫描的方法。

在常用的空间扫描型遥感仪器中，45°镜扫描机构是最常见扫描机构。如FY-1扫描辐射计、FY-3中分辨成像光谱仪和扫描辐射计、HY-1系列上的水色扫描辐射计等等，都成功应用了45°扫描机构。45°扫描镜的旋转轴与遥感仪器的系统光轴重合，扫描镜绕轴转动时，扫描镜法线形成一个半锥角为45°的空间圆锥。光轴经45°扫描镜反射在地面的扫描轨迹为直线。

圆锥扫描是另一种线视场扫描。扫描镜与光轴成θ角，扫描时，光轴经反射镜后在地面扫描轨迹为圆形。当卫星的轨道高度确定后，角的大小直接决定遥感仪器的观测范围：观测半径＝滚道高度×tan(θ)。

将45°扫描机构和圆锥扫描机构有机的结合，就可以实现2θ(俯仰角)×α(方位角)范围内任意区域的观测。

根据本发明原理所设计的两维指向机构的具体结构设计示意如附图1所示。

空间光学遥感仪器的两维指向机构包括安装机座、方位轴驱动组件、俯仰轴驱动组件、指向镜组件。

所述的方位轴驱动组件包括伺服驱动电机、高精度编码器和谐波减速器；

所述的俯仰轴驱动组件包括伺服驱动电机、高精度编码器、谐波减速器和方位轴连接件；

方位轴与俯仰轴成θ角，θ角的大小与俯仰指向范围确定，方位轴驱动组件通过方位轴连接件安装在俯仰驱动组件的旋转轴上，指向镜组件安装在方位旋转轴上，指向镜镜面与方位轴成45°角；

伺服驱动电机根据负载大小乘以3倍的安全系数选取直流无刷电机、力矩电机或步进电机；高精度编码器根据不同光学遥感仪器的指向精度要求选用不同精度等级的光电码盘、感应同步器或旋转变压器；指向镜具有轻量化结构，材料根据遥感仪器光学设计需要选用碳化硅或金属铍。

本发明的高精度两维指向机构的优点是：

1.结构简单，除(俯仰和方位)电机驱动组件外，仅有两个零件(指向镜连接件和方位轴连接件)组成。所有尺寸精度和公差均由机加工保证；