[发明专利]静态红外地球敏感器高精度姿态检测的方法

说明书

技术领域

本发明涉及空间飞行器用红外地球敏感器。具体指一种静态红外地球敏感器高精度姿态检测的方法，它用于对运行在中、高轨轨道上的空间飞行器做姿态检测。

背景技术

红外地球敏感器，是基于对姿态参考源地球红外辐射敏感原理，在轨实现空间飞行器对于局地垂线滚动、俯仰姿态信息检测的飞行器姿态光学敏感器。红外地球敏感器主要由光学探测部分与信息处理部分构成，有些还包括机械扫描部件。可以按照是否含有机械扫描部件将红外地球敏感器分成扫描式和静态两类。

扫描式红外地球敏感器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,从而将地球/太空边界空间分布的辐射图像变换为时间分布的近似方波,通过电子学手段检测地球的宽度或相位计算出地平圆的位置,从而确定两轴姿态。扫描式红外地球敏感器包括圆锥扫描式和摆动扫描式两种方式。

静态红外地球敏感器的工作方式更加类似于人眼,采用面阵焦平面探测器阵列,将多个探测元放在光学系统的焦平面上,通过探测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。静态地球敏感器与扫描式地球敏感器相比具有精度高、体积小、质量轻、功耗低、寿命长等优点。

静态地球敏感器包括线阵和面阵两种。线阵地球敏感器用4个探测器元件卡在圆的4个点上,通过判断4个点的中心位置来判断地平圆的中心位置。面阵地球敏感器则要对整个地平圆成像,它通过计算地平圆在整个成像面所成像的中心位置来判断地平圆的中心。

从20世纪60年代起，各国卫星采用了以热敏感电阻作为探测器的机械扫描式红外地球敏感器，并取得了许多宝贵的经验，随着卫星技术发展，对于姿态敏感器要求越来越高，尤其是在敏感器的低功耗、小体积、长寿命、高可靠性及高精度等方面的需求更为迫切。

在欧洲、法国和意大利等国的红外地球敏感器研究处于国际领先地位，其中法国的Sodern公司是星敏感器和红外地球敏感器的知名生产商，目前己研制出各种类型的地球敏感器。经过多年的空间飞行应用和发展，其研制技术相当成熟。

中科院上海技术物理研究所与中国航天科技集团502所对红外地球敏感器的研制技术也相对比较成熟，已研制出圆锥扫描式、静态线阵、静态面阵等多种类型的红外地球敏感器，并成功应用于在轨空间飞行器上。目前我国圆锥扫描式红外地球敏感器的精度优于0.01°，面阵列静态地球敏感器的精度可达到0.05°～0.07°，线阵列红外静态地球敏感器的精度约为0.5°～0.7°，能满足特定的姿态控制系统的姿态检测需求。

总的来说，静态红外地球敏感器由于采用凝视型成像,不需要扫描机械的运动,在质量、功耗、精度以及使用寿命等方面都比扫描式红外地球敏感器存在优势,尤其是面阵地球敏感器,其精度要比线阵地球敏感器更高。静态红外地球敏感器虽然起步相对较晚，但其发展空间仍十分巨大。

静态红外地球敏感器的工作原理如图1所示，地球敏感器工作在中、高轨轨道，采用面阵红外非制冷探测器，对地球长波红外辐射成像。由于地球的平均温度为247K，而太空的平均温度为4K，所以红外地球敏感器看到的地球图像为深冷的太空背景下一个“灼热”大圆盘。红外面阵探测器接收到辐射能量并转换为电信号，在外围电路的控制下，红外面阵探测器把各像元的电压信号串行输出，从而获得地球辐射的能量图像。红外地球敏感器后端的图像信息处理系统对前端电子学系统获得的红外地平圆图像进行处理，设计姿态检测算法获得地平圆的圆心，并通过光路几何关系计算出地球敏感器相对于地球的俯仰、滚动姿态角。

以图像尺寸为480×480的红外面阵探测器为例，若将整幅面阵图像存储供读取，且每像素14bit，则需要450K字节的存储空间。空间应用环境中的平台存储资源配置显然不能满足如此巨大的存储空间需求。因此，需要在保证红外地球敏感器姿态检测精度及测角范围的前提下，设计一种合适的图像读取方法及相应的姿态检测方法，既减少存储的图像数据量，又能保证地球敏感器姿态检测精度与可靠性。

发明内容

本发明的目的是在不降低空间飞行器姿态角检测精度的前提下，利用前端电子学系统获得的面阵探测器图像数据，采用一种兼顾平台资源配置与系统姿态检测精度需求的图像网格线读取方案。在此基础上，提供一种相应的红外地球敏感器姿态检测方法，解决平台资源配置与图像数据存储量相互制约的问题，提高姿态检测精度、数据更新率等性能。

1、面阵图像网格线扫描方案原理：