[实用新型]基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置

说明书

本实用新型公开了一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，该装置在传统光学系统前加入泰伯干涉组件，该干涉组件为两块二维光栅及楔形镜组阵列组成。第二二维光栅设置于第一二维光栅的某一泰伯距离处，且第二二维光栅相对于第一二维光栅沿光轴旋转一定角度使得在通光孔径内仅得到一个莫尔条纹。楔形镜组阵列由四块相同的方形光楔组成，将光分为四个方向，最终在CCD上形成四个星点，通过探测四个星点的相对强度分布，可获得入射星光的角度变化。相对于传统的星敏感器，本实用新型可探测的理论精度优于0.2角秒。由于采用二维光栅，可同时探测两个方向上的角度变化，结构紧凑，体量轻巧，适用于航空航天等领域。

技术领域

本实用新型涉及一种用于跟踪定位的星敏感器系统，尤其涉及一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置。

背景技术

星敏感器以恒星为参考基准，具有精度高、自主性强、不受轨道影响的特点，是目前所有姿态敏感器中精度最高的敏感器，可以达到角秒级。与其它姿态敏感器相比，星敏感器具有精度高、重量轻、功耗低、无漂移和工作方式多种多样等优点，新一代的星敏感器与惯性陀螺一样具有自主导航的能力，是一种优良的和有前途的姿态测量设备。星敏感器的姿态信息来自于恒星星光的方向矢量在惯性参考坐标系的指向和恒星星光方向矢量在星敏感器测量坐标系的指向。由于恒星的张角很小，经过几百年的天文观测，它们在地心惯性参考系中的方位是精确已知的。星敏感器可以提供其测量坐标系中的高精度恒星位置测量，所以测算得出的星敏感器的姿态角精度可以精确到角秒级。目前对星敏感器的研究和应用非常活跃，并已广泛应用于地球遥感、地球测绘、深空探测、行星测绘、星际通讯和洲际导弹等航空航天领域。

传统的星敏感器光学系统通过探测星点在像面上弥散圆的位置，利用光学系统的焦距计算得到星点相对于光学系统的光线入射角度，其入射光线的定位精度主要取决于光学系统的视场、探测器的阵列数，以及判断弥散圆质心的算法精度。当探测器阵列数一定时，恒星位置的测量精度与视场角大小之间是矛盾的：小的视场角可得到较高的测量精度，但视场中可捕获的导航星数量比较少，导致星敏感器星探测能力的降低，不利于星图识别和飞行器的动态性能；而大的视场角会导致测量精度变差。这种矛盾在高动态飞行的航天器中更加突出：高精度姿态确定要求采用较小的星敏感器视场角，但由于航天器的飞行动态范围大，不能保证在每一时刻视场中都能同时拍到足够的导航星。这样会限制星敏感器的星探测能力和造成姿态确定精度的下降。以全视场20度、探测器阵列数为1K×1K，判断弥散圆质心1/20像元精度为例，入射光线定位精度最高可达到2.5角秒。提高探测器的阵列数固然可以提高探测精度，但这种提升是有限的，并且会带来额外的花费。

当用单色平行光垂直照射一维光栅，在光栅后周期性距离处会出现光栅的像，这种光栅的自成像效应被称为泰伯效应。在第一块光栅的某一泰伯距离处放置第二块相同的一维光栅，并令其沿光轴旋转某个微小角度，则第二块光栅会与第一块光栅的自成像叠栅而形成一维莫尔条纹。当入射光线角度变化时，莫尔条纹会发生移动，通过测量莫尔条纹的移动可探测入射角度的变化。在光学系统前放置两个Ronchi光栅可构成干涉型星敏感器，利用莫尔条纹的移动高精度探测入射角度。然而该方法仅能探测一个轴上的角度变化，若要实现双轴探测，需要将两个单轴光栅耦合，使整体的体积重量增大。与一维光栅相同,二维光栅也存在着自成像效应，其中振幅型光栅获得整数泰伯效应,相位型光栅获得分数泰伯效应。由于相位型光栅对光强几乎没有衰减，比振幅型光栅具有更高的光利用效率，所以在光栅剪切成像系统中，多选用相位型。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，可以在不牺牲探测视场的前提下大大提升星敏感器的双轴探测精度。该装置通过在传统光学系统前加入干涉组件，利用莫尔图案的移动来探测入射角度的变化，采用二维相位光栅，不需耦合两个单轴星敏感器，即可同时测探两个方向的角度的高精密变化，体积轻巧。