[发明专利]一种恒星陀螺敏感器

说明书

一种恒星陀螺敏感器，包括遮光罩、第一级光学系统、支撑结构、像增强器等；遮光罩安装于支撑结构的前端，第一级光学系统安装于支撑结构内部，遮光罩位于第一级光学系统，用于消除杂光；像增强器的安装在第一级光学系统的后端焦平面处，像增强器的前端光电阴极感光面与第一级光学系统的焦平面重合；第二级光学系统位于像增强器之后，像增强器后端的成像荧光屏位于第二级光学系统的物面上；第二级光学系统的像面与光电探测器的感光面重合；探测器电路对光电探测器进行驱动与成像，信息处理单元采集到探测器电路获取的数字图像并存储于信息处理单元中。

技术领域

本发明涉及一种星敏感器。

背景技术

目前对于航天器的姿态测量经常使用星敏感器，这种敏感器的主要原理是：利用恒星位置相对于惯性空间基本不动的规律，通过对一个天区的恒星光电成像获取星图，再星图进行处理和识别得到测量敏感器光轴在惯性空间指向，经过星敏感器在航天器安装坐标系与航天器姿态坐标系的转换即可得到航天器的三轴姿态。

现有技术中，星敏感器硬件包括遮光罩、光学系统(镜头)、电子学系统、电器和结构接口。电子学系统有包括探测器成像组件、信息处理单元、电源模块、内部外部电连接。星敏感器的主要技术指标包括三轴测角精度、数据更新率、杂光抑制能力等，星敏感器的数据更新率指标是每秒钟能够输出的姿态信息的更新次数，一般目前大多数星敏感器的数据更新率是10Hz左右，数据更新率越高，则角位置更新频率越高，利用这些数据可以差分出角位置的变化率，其精度随着数据更新率和星敏感器本身的测量精度高低而定，当数据更新率接近50～100Hz时角速率的差分精度可以达到比较高的水平，可以相当于陀螺，这就被业界称为恒星陀螺，其实质就是一个高速姿态输出的星敏感器，与惯性陀螺不是一个概念，恒星陀螺的特殊要求使得其方案与现有技术星敏感器差别很大，需要特殊的技术技巧才能实现，其中最主要的是缩短恒星陀螺敏感器的曝光时间，例如，对于100Hz的恒星陀螺敏感器，其曝光时间不能超过10ms，在曝光量不变的条件下，短的曝光时间需要探测器很高的灵敏度配合才能实现正常成像。现有技术中主要提高高灵敏度的探测手段，或者采用EMCCD，或者采用像增强器，EMCCD探测器是一种电子倍增的电荷耦合器件，需要在真空环境下工作，因此使得恒星陀螺的体积和重量陡然增加，在航天上应用显得笨重。像增强器探测器是一种光电阴极后连微通道板放大器的一种像增强装置，虽然不需要真空环境，但需要和固体阵列探测器结合使用，这里涉及到像增强的荧光屏与固体探测器之间的耦合效率，以及光学结构稳定性问题，现有技术中采用固体探测器粘贴到像增强荧光屏的方案，或者荧光屏通过光纤光锥导出到固体探测器感光面上。目前已经有美国JPL提出了100Hz的恒星陀螺，其采用的方案是像增强器和APS CMOS探测器直接粘贴结合，或者通过光锥与APS 探测器光敏面粘贴结合，只具有一个成像镜头，镜头像面是像增强器，像面首先与像增强器的光电阴极重合，经过像增强器后，在像增强器的荧光屏一端，与APS探测器光敏面粘贴结合。现有其它技术方案中，有采用光锥把像增强器荧光屏的像过渡到探测器光敏面上的设计，又增加了一次像素对接环节。美国 JPL和现有其它技术中，由于像增强器的像面也是由很多的微通道像素构成，在与探测器粘贴结合时，会存在以下问题：

(1)为了提高星敏感器的探测灵敏度，一般采取光学系统孔径增大、探测器灵敏度提高、缩小弥散光斑、增加探测器像素尺寸等方法，当在像增强器出射像面和探测器光敏面之间不采用光锥导像，像增强器的像素11与探测器像素 10之间的粘贴耦合一次性用光学胶粘接完成，没有后续调整手段，使得像素点之间没有对齐导致的耦合效率下降，如图2所示，当在像增强器出射像面和探测器光敏面之间采用光锥导像，像增强器出射像面和导像光锥入射面之间的耦合以及导像光锥出射面和探测器光敏面之间的耦合都会存在探测器象素和像增强器荧光屏的象素耦合的部分12(阴影部分)，如图2所示，产生的耦合效率下降，这种下降因为耦合过程随机性而可控性较差，这是造成耦合效率降低且不稳定的主要原因。

(2)由于耦合效率下降不可控，导致整个系统灵敏度下降，进而需要增加光学系统孔径使得系统的尺寸和重量增加，当耦合效率低到一定程度还影响恒星陀螺的数据更新率。

发明内容