Infrared Earth sensor with a large field of view for low-Earth-orbiting micro-satellites

Infrared Earth sensors are widely used in attitude-determination and control systems of satellites.The main deficiency of static infrared Earth sensors is the requirement of a small field of view(FOV).A typical FOV for a static infrared Earth sensor is about 20°to 30°,which may not be sufficient for low-Earth-orbiting microsatellites.A novel compact infrared Earth sensor with an FOV of nearly 180°is developed here.The Earth sensor comprises a panoramic annular lens(PAL)and an off-the-shelf camera with an uncooled complementary-metaloxide-semiconductor(CMOS)infrared sensor.PAL is used to augment FOV so as to obtain a complete infrared image of the Earth from low-Earth-orbit.An algorithm is developed to compensate for the distortion caused by PAL and to calculate the vector of the Earth.The new infrared Earth sensor is compact with low power consumption and high precision.Simulated images and on-orbit infrared images obtained via the micro-satellite ZDPS-2 are used to assess the performance of the new infrared Earth sensor.Experiments show that the accuracy of the Earth sensor is about 0.032°.

小型准直式红外地球模拟器研究

地球模拟器是卫星姿态测量控制关键部件—摆动扫描式红外地球敏感器的一种重要地面模拟试验与精度标定仪器。本文针对卫星同步轨道高度(35786km),采用准直式方案,研制了一种口径为Φ150mm的准直式红外地球模拟器,它能提供17.46°的地球张角,实现了地面上模拟卫星在太空中所看到的地球。文中详细介绍了准直式红外地球模拟器的组成和总体结构,采用红外光学技术,设计了锗准直透镜,通过理论分析得出地球光阑、热地球位置和大小与地球张角、锗准直透镜光学参数之间的关系,为地球模拟器的研制提供了设计依据。地球张角是衡量地球模拟器精度的指标,通过实验对地球张角进行了测试,结果表明地球张角误差小于±0.05°。

圆锥扫描式红外地球模拟器研究

针对适用于低轨道卫星的圆锥扫描式红外地球敏感器地面模拟试验、标定和可靠性测试等问题,采用开有120°V型槽的扇形冷板模拟地球弦宽、金属热板模拟地球热源的方案,研制了圆锥扫描式红外地球模拟器和零姿态模拟器,其能模拟卫星在低轨道上看到的地球,提供120°地球弦宽。

天体对卫星红外地球敏感器干扰的研究

我国在轨运行的卫星多次因红外地平仪受天体的干扰而出现姿态异常的情况.本文介绍了各种红外地平仪工作原理,分析了它们受干扰的原因,给出了精确预报的方法,并在此基础上提出了相应的抗干扰措施,有些已成功运用到在轨运行的卫星上.

长波红外广角地平仪镜头的光学设计

介绍适用于非致冷凝视式焦平面阵列的长波红外 (LWIR)广角地平仪镜头的光学设计。其工作波长范围 1 0～ 1 6 μm ,全视场角为 1 35°。采用“负 -正 -正”型式的反远距像方远心光路镜头结构 ,仅有三块非球面锗透镜构成。能够很好地解决广角镜头轴外像差校正和像面照度均匀性问题。此镜头结构简单、体积很小、后工作距离大 ,成像质量接近于衍射极限 ,在 2 0lp/mm空间频率处的调制传递函数值超过 0 .6 ,像高与视场角关系偏离线性的相对误差不超过 1 5 %。

广角f-θ静态红外地平仪镜头的光学设计

为了满足航天器对轻小、价廉,性能可靠的自主导航系统的要求,设计了广角静态红外地平仪系统。该系统选择辐射稳定的14～16.25μm作为工作波段,并设定全视场角为136°,F数为0.61;采用反远距结构,使系统后工作距达到15mm;利用f-θ镜头设计原理,并合理地选用非球面对广角系统进行优化设计,使系统的线性特性的相对误差<0.5%;在空间频率为15lp/mm处,系统的调制传递函数>0.6,接近衍射极限;在半径为20μm的圆内,系统径向能量>85%。另外,采用了像方远心光路,提高了像面的照度均匀性,实现了整个像面照度均匀性>99%。设计结果表明,该镜头结构简单、体积小、后工作距大,很好地解决了广角镜头轴外像差平衡问题,实现了地平仪系统的高精度设计。

基于地球扁率红外地平仪测量值修正算法研究

根据对地球扁率引起红外地平仪测量值误差修正算法进行了研究 ,椭球地球模型矢量投影关系得到了地球扁率修正函数和姿态角计算公式。由于地平穿越点由地球表面方程、地平平面方程和扫描圆锥锥面方程唯一确定 ,采用了递推方法解算出地平穿越点处的几何量 ,所得结果通过扁率修正函数对姿态角进行实时修正。所提算法简单 ,易于星载计算机在线实现 。

红外地球敏感器电磁兼容性测试用地球模拟器的研究

红外地球敏感器地面标定试验的精度高低,将直接影响到卫星在轨道上的工作精度.地球模拟器是卫星姿态测量控制关键部件红外地球敏感器的一项重要地面模拟试验与精度标定设备.详细介绍了摆动扫描式红外地球敏感器整机电磁兼容性试验专用性能测试甩的地球模拟器的组成和总体结构,针对用于同步和较低的轨道卫星地面测试,研究的地球模拟器针对卫星二个轨道高度35 786 km 和21 500 km,采用可更换地球光阑的方案,能够提供两种地球张角(17.46°和26.54°),实现了地面上模拟卫星在太空中所看到的地球.该问题的研究对提高摆动扫描式红外地球敏感器卫星地面性能测试水平具有重要意义.

红外地平仪姿态测量误差模型

分析得出地球扁率和红外辐射是扫描式红外地平仪测量误差的主要原因。针对地球扁率 ,基于方位角的确定 ,分别给出了滚动角和俯仰角的测量误差模型。在地球红外辐射方面 ,给出了确定地平仪扫入、扫出点位置的方法 ,进而给出地球红外辐射误差的计算方法。最后 ,通过算例 ,给出了有关仿真结果 ,对方法的有效性进行了验证。

一种提高红外地平仪确定卫星姿态精度的方法

红外地平仪提供了卫星星体相对于地球的姿态测量信息.受它在星体上安装精度限制、测量系统噪声和在轨期间星体质量分布变化的影响,直接使用红外测量值进行姿态计算会引入上述误差.如果只采用红外测量的差分值进行姿态计算,再通过滤波,就可以消除上述误差后得到高精度卫星姿态,这种方法充分利用了地球同步在轨卫星位置定点和姿态指向特性,对在轨运行卫星进行长时间姿态确定和实际控制结果表明该方法得到的姿态精度高于0.01°,显著提高了红外定姿精度.

红外地平仪外热流计算

红外地平仪部分凸出于航天器外表面．除受到太阳辐射、地球反照和红外辐射外，还受到航天器外表面的反射辐射．文中在对包括红外地平仪外表面在内的封闭系统进行辐射分析的基础上，得到红外地平仪外热流的空间有效辐射角系数计算公式；采用蒙特卡洛法，计算了某航天器两个位于不同外表面的红外地平议外凸圆柱体所受的外热流。

利用地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法

针对导航控制系统对姿态测试技术多元化、新型化和低成本的要求,提出了一种基于地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法.首先,根据地球红外辐射的产生机理,结合红外辐射在大气中的传播规律,建立了地球红外辐射模型.然后,分析了旋转飞行体的运动特征,构建了红外传感器的测量模型.为了探索红外传感器的输出信号与旋转飞行体的姿态信息之间的内在联系,研究了不同姿态角和视场角下的传感器输出信号特征.最后,为了提高旋转飞行体的姿态测试精度,设计了基于三轴红外传感器的扩展卡尔曼滤波算法来估计姿态角和横滚角速度.结果表明:利用地球红外辐射场进行姿态测试的方法有效可行,俯仰角估计误差在±0.1°,横滚角估计误差在±0.05°,横滚角速度估计误差在±1 rad/s.该姿态测量方法简单有效,能够满足旋转飞行体的姿态测量要求.

空间红外光学遥感器发展现状及前景分析

文章综述了空间红外光学遥感器在不同领域的应用，分析了空间红外光学遥感器的现状和发展趋势。指出红外光学遥感器向谱段更多、带宽更窄、辐射灵敏度越来越高的方向发展。讨论了我国红外光学遥感器发展基础和前景。提出开展红外光学遥感器研制的几点建议。

利用奉献观测器诊断红外地球敏感器故障的新方法

卫星闭环控制系统中不同敏感器的故障定位是自主故障诊断的难点。基于双观测器的方法能够分离光学敏感器和惯性敏感器的故障,却仍不能确定红外地球敏感器是否发生故障。奉献观测器适用于敏感器系统的故障定位,但由于该方法要求的能观性条件在实际工程中有时难以满足,使其应用受到限制。本文提出了一种利用奉献观测器诊断敏感器故障的新方法,先对不完全能观系统进行能观性分解,再对能观子系统设计奉献观测器,克服能观性条件的限制,实现敏感器故障诊断。最后,将该方法用于卫星红外地球敏感器的故障定位,仿真结果表明,该方法可有效诊断地球敏感器的故障。

飞行器三轴姿态测量方法

介绍了到目前为止常用飞行器三轴姿态测量敏感器 .详述了这些姿态敏感器的工作原理 .根据这些原理分析了它们的优缺点 ,并比较了它们的性能指标 .

IGSO卫星地球敏感器受两极红外辐射波动影响分析

指出IGSO卫星轨道及姿态运动特点使得地敏探头会扫描经过两极区域,通过国外案例介绍说明分析工作的必要性。简要介绍摆动扫描式红外地球敏感器的复合视场及工作原理,重点分析地敏受两极地区红外辐射波动影响,说明地敏输出姿态角误差成因,建立基于STK软件的仿真工程,对地敏探头受扰情况进行仿真分析。提出解决地敏受两极红外辐射干扰问题的处理措施,利用仿真预报的受扰时段进行探头干扰保护,确保地敏输出姿态角正常。

红外地平仪视场保护系统

为使风云一号C和风云三号气象卫星红外地平仪不受太阳辐射视场的干扰,研制了一种视场保护系统,对该系统的优缺点、视场确定方案、峰值信号的标定算法进行了研究。分析了红外地平仪在轨运行受太阳辐射干扰影响的严重性,对视场保护系统进行了比较。设计了非扫描机械式视场保护系统——太阳探头,研究了有效的测量装置,测量确定了太阳探头的视场范围,推导了太阳探头信号测量的理论公式。根据太阳穿越大气辐射的理论,给出了标定太阳探头峰值信号的方案,并进行了外场试验。风云一号C气象卫星在轨运行验证表明:太阳探头有效地保护了红外地平仪。因此,太阳探头装置成功应用在卫星姿态测量装置中,研究的太阳探头将同样运用于即将发射的风云三号气象卫星红外地平仪视场保护中。

一种高精度红外地球波算法与硬件实现

红外地球敏感器是卫星姿态测量的关键部件之一。在研制过程中,需要红外地球波信号源为其提供电激励信号,组成闭环测试系统,从而完成对红外地球敏感器的地面测试与标定。针对红外地球敏感器研制过程中逻辑功能验证、精度测试、可靠性环境寿命试验等需求,提出一种高精度的模拟式红外地球波算法。在对算法的精度、实时性等进行仿真分析的基础上,设计了一种红外电地球波模拟器的硬件实现方案,并研制了样机。试验结果表明,该算法及系统能够满足红外地球敏感器地面测试中的实时性和高精度需求。

红外地球敏感器的技术发展趋势

姿态控制系统是卫星得以持续正常工作的保证,红外地球敏感器是卫星姿态控制系统的重要部件之一。简要说明了红外地球敏感器的基本原理和构成。通过几种典型国外产品的介绍说明了当前国外地球敏感器的发展现状,最后,对红外地球敏感器的发展趋势进行了简要分析。

低转速小负载无刷直流电动机稳速控制

根据无刷直流电动机的工作原理,针对圆锥扫描式红外地平仪对电机转速稳定性的特殊要求,建立了电机转速的数学模型,对电机驱动系统各环节进行设计,通过研究、分析、仿真和测试,得出电机最优控制方法,实现了电机转速的高稳定性,为卫星姿态测量与控制的高精度提供了技术保证。