[发明专利]一种以地球为目标的飞行器的飞行姿态的成像方法和系统

说明书

本发明提供了一种以地球为目标的飞行器的飞行姿态的成像方法和系统，包括中心视场透镜组、周边视场棱镜组、视场融合镜组和探测器，视场融合镜组用于将所述中心视场透镜组进入的光线以及将所述周边视场棱镜组进入的光线成像在同一像平面上的不同位置，探测器用于将经过所述中心视场镜组、所述周边视场棱镜组以及所述视场融合镜组聚焦后的光线成像，而后基于成像图像进行分析从而判断出飞行器的俯仰、翻滚、偏航三种姿态，降低了镜头的复杂性及功耗，减轻了设备重量，提高了设备的可靠性。

技术领域

本发明属于光学系统设计领域，具体涉及一种以地球为目标的飞行器的飞行姿态的成像方法和系统。

背景技术

绕地球飞行的飞行器在飞行过程中需要实时确定自身的俯仰、翻滚、偏航三种姿态才能保持正确的飞行姿态，目前常用的方法是查找地平线法，常用的用来看地平线成熟设备为红外地平仪。按照其工作方式红外地平仪主要分为动态和静态两种。动态地平仪的主要原理是利用运动机械部件带动一个或少量几个探测元的瞬时视场扫过地平圆，从而将空间分布的辐射图像变换为时间分布的近似方波从而确定两轴姿态。静态地平仪的工作方式是典型的焦平面技术的应用，将多个探测元放在光学系统的焦平面上，通过探测器对投影在焦平面上的地球红外图像的响应计算地球的方位。

可见光波段与红外地平仪功能相近设备的实现方式主要有以下几种形式：采用环形折反镜的全景成像仪，该方式获得的地平线成像区域为圆环形；对整个地球成像的全画幅短焦大视场凝视相机形式；采用折反射道威棱镜与平面反射镜配合使用的边缘成像物镜形式。其中全画幅成像的短焦凝视相机与采用折反射道威棱镜配合平面反射镜使用的边缘成像物镜未见具体实施。

动态地平仪由于采用机械扫描结构，会大大降低地平仪的寿命和可靠性，仪器的尺寸、重量、功耗偏大。静态地平仪需要使用多个光学系统，结构复杂需要对多个探测器进行电子学处理。

全画幅成像的短焦大视场凝视相机受探测器的尺寸限制以及目标轨道高度的限制系统视场角比较大，系统的角分辨率及线分辨率比较低精度较低不利于三种姿态的测量及观测且系统的畸变比较大。采用环形折反镜的全景成像仪，该方式成像后成像区域为圆环形，对整个圆形地平线成像后地平线像为圆环形，对整个环形像进行判读时不能准确确定出飞行器的俯仰及翻滚姿态，另外环形折反镜对镀膜有严格的要求加工精度高不利于实现。采用折反射道威棱镜与平面反射镜配合使用的边缘成像物镜由于平面反射镜的使用无法实现对星下点目标成像，由于此种结构特点导致无法实现偏航姿态的测量功能，平面反射镜需要与多个道威棱镜配合使用对棱镜加工与安装的一致性要求比较高，棱镜安装不一致时会出现视场位置偏差。

地平仪主要是确定飞行器的俯仰和翻滚两种姿态无法确定偏航姿态，且使用红外波段成像图像与人眼适应的可见波段图像不一致。其它形式的设备存在成像形式与测量要求不一致，元件复杂加工难度大、无法实现偏航姿态测量、测量精度及分辨率低的缺点。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术中的缺陷，提出了一种以地球为目标的飞行器的飞行姿态的成像方法和系统，用以解决绕地球飞行的飞行器在飞行过程中无法同时确定自身的俯仰、翻滚、偏航三种姿态问题。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

在第一方面，本发明提供一种以地球为目标的飞行器的飞行姿态的成像系统，系统沿光路传播方向依次设置有：

中心视场透镜组，用于接收飞行器正下方星下点的地球中心区域的光线；

周边视场棱镜组，用于接收来自以飞行器下方正中心为对称轴的地球边缘与太空交界处m个对称方位的光线；m为正偶数；

视场融合镜组，用于将中心视场透镜组进入的光线以及将周边视场棱镜组进入的光线成像在同一像平面上的不同位置；

探测器，用于将经过中心视场镜组、周边视场棱镜组以及视场融合镜组聚焦后的光线成像。

作为一种可选的实施例，还包括：