[发明专利]多视场分离的地球敏感器

说明书

技术领域

本发明涉及天文导航技术领域，尤其涉及一种多视场分离的地球敏感器。

背景技术

红外地球敏感器作为一种重要的天文导航敏感器，广泛运用于卫星的姿态确定等方面。红外地球敏感器是一种热敏装置，通过探测地球边14-16μm波段的CO₂吸收带，来测量地球大气辐射圈所形成的地平圆，从而克服季节变化、地球表面以及地表辐射差异对地平圆的影响。目前，红外地球敏感器虽然有精度较低的缺点，却因为其对空间射线具有更强的容忍度，已经成为地球轨道卫星定姿的一种主要方式。

红外地球敏感器按照工作原理可以分为静态红外地平仪和动态扫描式红外地平仪两种。动态地球敏感器技术已经相对比较成熟，但由于存在机械运动部件，重量和能耗都比较大，寿命也有限，发展受到各方面的限制；而静态地球敏感器由于其无机械扫描运动，在质量、功耗、精度与使用寿命等方面都比动态地球敏感器存在优势，因此静态红外敏感器已经逐渐成为各国研究的重点。目前，地球敏感器主要运用于卫星的姿态测量，轨道高度为500km及以上，并且大多数地球敏感器是单视场，不适用于低轨道尤其是70km～100km的飞行器。

因此，设计一种能够适用于航空器的、高精度地球敏感系统很有必要。它不仅能够为飞行器提供高精度的姿态和高度信息，还可以配合其他敏感器实现飞行器的自主天文导航。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种既能提供精确的飞行器的高度和姿态信息，又可以与其他敏感器进行数据融合，实现飞行器的自主导航的多视场分离的地球敏感器。

本发明的多视场分离的地球敏感器，包括：线阵红外探测器，所述线阵红外探测器用于敏感地球CO₂红外吸收带的厚度；多视场系统，所述多视场系统用于探测地球红外辐射与真空的边缘，来测量地球大气辐射圈所形成的地平圆，进而获得地心矢量；以及测量单元，所述测量单元用于根据已知的地球的半径和CO₂红外吸收带的厚度来测算飞行器姿态和高度。

在本发明的一个示例中，所述多视场系统包括由n个投影在水平面上互成的视场组成。

在本发明的一个示例中，所述的线阵红外探测器敏感的是波长为14～16μm的CO₂红外吸收带。

在本发明的一个示例中，所述的测量单元通过所述线阵红外探测器，即线阵红外CCD，直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。

在本发明的一个示例中，所述的测量单元是针对飞行高度在70km～100km的飞行器。

在本发明的一个示例中，所述测量单元中，建立地球敏感器观测地球模型，通过敏感地平圆来获得地心方向，根据以下算法计算所述飞行器的姿态和高度信息：

（1）根据所述观测地球模型，有几何关系其中，θ表示地心矢量与入射光线所夹的锐角，为所述多视场分离的地球敏感器的安装角，R为地球半径，r为CO₂红外吸收带厚度；

（2）假设飞行器初始坐标系为X₁Y₁Z₁，飞行器依次绕Z轴、X轴、Y轴转动α、β、γ的角度，转动后的本体坐标系为X₂Y₂Z₂，由于所述多视场地球敏感器关于Z轴旋转对称，且所述观测地球模型也关于Z周旋转对称，因此绕Z轴的转动对于观测结果没有影响，故取α=0，根据欧拉角旋转矩阵获得飞行器初始坐标系到新坐标系的姿态旋转矩阵：