静态红外地平仪地面检测用的新型地球模拟器

摘要

本发明公开了一种适合静态红外地平仪地面检测用的新型地球模拟器，由四组滚轴丝杆带动地模冷边界相对于热板移动组成动态地球模拟面，通过二次光学系统仿真太空到地球的距离，准确调整冷热板组件并定位地球模拟器冷热边界的位置，地模器冷热板组件上的热板面涂无光黑漆加热升温模拟地球的热辐射；加热器做成加热薄片贴在加温体内侧，模拟地球热辐射；静态红外地平仪的新型地面检测系统实现对太空地平圆的动态仿真模拟：四组滚轴丝杆的精确移动与对冷边界的定位实现静态红外地平仪姿态角的动态仿真，在地面上仿真高精度的卫星载荷姿态角的变化，从而实现姿态角的测量，进而实现静态红外地平仪在地球模拟器上的检测。

说明书

技术领域：

本发明涉及空间科学仪器检测技术及设备，特别是指一种静态红外地平仪地面检测用的新型地球模拟器，它适用于对空间静态红外地平仪的地面检测。

背景技术：

利用空间发热体作为基准目标的红外地平仪，具有高精度、可靠性好等优点、因此被普遍采用。早期红外地平仪应用于控制导弹的发动机点火和载入试验。自1959年2月开始在卫星上使用，成功地测量了卫星绕地球飞行的姿态，由于红外地平仪与其它姿态敏感技术相比具有简单可靠且有较高的姿态测量精度(一般在0.1度-0.5度)，所以发展迅速，在以后的载人宇宙飞船，特别是对地定向侦探、气象、通讯、地资等人造卫星上广泛使用，目前发射的空间飞行器大都是采用红外地平仪来实现姿态控制，因此，红外地平仪的研制也成为卫星姿态控制中的一个独立分支科学。

地球模拟器就是模拟地球的仪器，作为红外地平仪的地面检测设备，主要由代表地球的热源和代表天空的冷源背景等组成，控制热源、冷源的变化比例即可模拟地球、天空的各种信息。地球模拟器实质上是模拟航天器与地球、天空间的各种信息，将一个遥远的空间缩小到一个小小的地球模拟器内。在地面上模拟不同轨道高度卫星在太空中所看到的地球，模拟地球辐射特性的工作状态，即地球与太空间的辐射亮度差，并能做到红外基准和可见光基准的转换，供星上部件红外地球敏感器在地面上测试性能和标定精度使用，因此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。

目前红外地球敏感器大致分为双圆锥扫描红外地平仪、单圆锥红外扫描地平仪与静态红外地平仪三大类。针对双圆锥扫描红外地平仪以及单圆锥红外扫描地平仪，分别有双圆锥小型地球模拟器和小型准直式红外地球模拟器的研究与研制。而静态红外地平仪工作原理是利用四个光学头部直接对地球与太空所形成的冷热边界进行探测，通过对地球的红外地平辐射敏感，提供地平圆位置信号，确定卫星相对于局地垂线的滚动和俯仰姿态角，用于初始状态时卫星对地球的捕获和稳定运行时卫星的姿态控制。

新型红外地球模拟器作为静态红外地平仪研制保障条件之一的专用地面性能测试设备，是实现静态红外地平仪性能指标地面测试评估的必要手段，利用新型红外地球模拟器模拟卫星在轨运行时看到的地球红外图象，即相应于地球及空间红外辐射率梯度分布，是进行静态红外地平仪研制的关键性组件之一。

发明内容：

本发明的目的在于为静态红外地平仪产品提供一种适合地面检测用的新型红外地球模拟器，解决静态红外地平仪地面测试及性能指标评估问题，保证静态红外地平仪能够提供高精度的卫星姿态控制。

本发明一种在地面对静态红外地平仪进行检测用的新型地球模拟器至少包含以下部分组成，四个带有传动装置的冷热板组件、四组地球模拟温度控制系统和四个二次光学望远系统。

新型地球模拟器是利用四组冷热板组件共同组成地球地平圆的红外边界，动态地模拟地球/太空冷热穿越边界，通过二次光学望远系统准确调整并定位地球模拟器冷热边界的位置，达到理想边界位置附近，将位置精度控制在一定应具有的范围内。四个地模边界冷热板组件的温度控制分别用四个地球模拟温度控制器独立控制。4个冷热板组件的热板301涂无光黑漆(比辐射率0.9)，并将其加热升温模拟地球的热辐射。冷热板组件中的冷板302模拟太空冷背景。加热器设计成加热薄片，并把它粘贴在被加温体的内侧，同时在加热薄片和模拟太空的冷板302之间用绝热材料进行隔离，防止进行热交换而使模拟太空的冷板302的温度升高。

地平仪温控系统主要由5路相互独立的温差控制单元、温差显示仪表和多路温度循检单元组成，配置在专用控制柜中。每路控制单元由数字式温度调节器、可控硅交流电力控制器和测温热电偶构成，形成闭环温度控制回路，如图6所示。温控系统的工作原理是利用5路相互独立的温差控制单元通过数字式温度调节器实现PID温度调节，分别控制4块热板301及热板301相对于冷板302的温差，显示仪表和多路温度循检单元可显示热板和冷板当前的温差。

地球模拟器通过四组滚珠丝杆精密移动四块冷板302实现地平仪姿态角的偏差(即俯仰角和滚动角的偏差)，静态红外地平仪对地球模拟器的移动边界进行直接探测，从而实现不同姿态角的测量。满足静态红外地平仪单机像元分辨率是测量精度关键性技术指标：静态地平仪像元分辨率0.625°，而此新型地球模拟器所能够仿真的姿态角精度为0.1°。

本发明的优点是：

1、新型地模器设计成为数控组合结构，利用四组冷热板组件共同组成地球模拟面，动态地模拟地球/太空冷热穿越边界，通过二次光学望远系统准确调整并定位地球模拟器冷热边界的位置，达到理想边界位置附近，将位置精度控制在一定应具有的范围内。这对静态红外地平仪来说是提供了一个完全等价于地平圆的观测目标。

2、四组冷热板组件中每个冷热边界由一块冷板和一块热板形成，每组冷板和热板组成一个载荷，分别安装在每个一维平移台上，通过平移台的运动可以使冷热边界产生平移；

3、四个一维平移台：在同一平面上分为相互垂直的两组，每组共轴线，每个平移台的可以单独平移运动；平移台控制器：实现对每个平移台运动状态的独立设置与控制；具备姿态角连续变化和设置功能，姿态角变化范围：±12。，姿态角变化精度：0.1°；适用轨道高度：750Km～800Km；

4、用冷热边界构成的地球模拟面，采用良好的温控保持冷热边界温度梯度，采用地球模拟温度控制系统的加热时间短、温升幅度大、冷热边界温差控制范围宽、温度控制精度高，具备地球/空间边界红外辐射能量差辐射模拟和调节功能。控制4块热板的温度四块铝板80℃以下加热范围内，控制精度达±0.5℃。工作温度范围：20℃±5℃；

5、鉴于地球模拟器外形尺寸较大，装配组合零件多，加工精度和装配精度难于满足零件相互之间的位置精度要求，采用结构简单、易于拆卸的二次光学系统，将模拟地平圆的冷热组件的边界成像至无穷远，使得模拟器结构更加紧凑，更加真实地模拟地平圆，利用四组一维滚珠丝杆平移机构移动冷板，通过数字控制使冷板组件和热板组件实现冷热边界的四个边界的调节功能，保证地平圆仿真的可调性和精度要求。

附图说明：

图1为本发明的地平圆模型图。

图2为静态红外地平仪的光学系统模型图；

其中：100——静态红外地平仪；

      110——光学头部的视场；

  120——X方向地平仪的滚动轴；

  130——Y方向地平仪的俯仰轴；

140——地心方向；

200——光学镜头；

210，201-1，210-2，210-3，210-4——探测器；

220——滤光片；

230——地球边界方向；

300——红外地球边界。

图3为本发明的新型地球模拟系统原理图；

其中：101——210-2与210-4或210-1与210-3两探头中心在零位时的间距；

105——210-2与210-4或210-1与210-3两探头间的张角；

301——热板；

302——冷板；

303——边界位移量；

500——二次光学系统。

图4为本发明中的静态红外地平仪新型地球模拟器结构总图；

其中：

10——安装基座；

20——光校结构调整系统；

311——热板支架；

312——冷板支架；

400、401、402、403、405、406、408——刚性框架；

404——导槽；

407——防震踢脚。

图5为本发明中的新型红外地平仪地球模拟器电机控制框图。

图6为本发明中的二次光学系统装配图；

501、502、504、505——压圈；

503——隔圈；

506、508——非球面透镜；

507——镜筒。

图7为本发明中的红外线探测器测试平台-温控箱。

具体实施方式

下面根据图1-图6给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，以使更好地了解本发明的结构特征和功能特点，要指了的是，所给出的实施例是为了说明本发明，而不是用来限制本发明的范围。

如图1所示，地平圆模型图中，地平仪所要检测的地球和太空的辐射过渡带，亦即地平圆；从卫星上看到的地球相当于在4K冷背景中的一个平均亮度温度约为220～240K的大圆盘，我们称圆盘边缘为地平圆。

如图2所示，静态红外地平仪光学模型系统图中，卫星简化为一点G，Y方向130为地平仪的俯仰轴，X方向120为地平仪的滚动轴，光学头部视场110为±10°，通过光学镜头200和红外滤光片220对地球边界300成像为红外地球边界图像，由探测器210接收图像，从地心方向140和地球边界方向230所接收的光线都来自于无穷远处的平行光，从751Km低轨道上看到的地平圈是张角为的圆锥底面圆周。自于无穷远处的平行光由二次光学系统500来实现。

如图3所示，新型地球模拟系统原理图中，静态红外地平仪的有四个红外线列阵CCD探测器210-1、210-2、210-3、210-4，每个探测器的视场角110为±10°，相对的两探头间的张角105为127°；四个探头分别对应下部测试平台同圆上90°间隔的四个冷热边界110，在零位时从边界到二次光学系统镜头500前端的距离是264mm，每个探头的视场角对应每个冷热边界的移动量约±75mm；测试平台由四个一维平移台组成，在同一平面上分为相互垂直的两组，每组共轴线，每个平移台中302为室温冷板，301为可设定温差的热板，303为冷热边界可实现的位移量约±150mm，每个平移台的可以单独平移运动，两探头在零位时之间距离101为1000mm；每个平移台的运动状态通过平移台控制器实现独立设置与控制；由四个冷板302和四个热板301组成的四组冷热边界300分别对应静态地平仪的210-1、210-2、210-3、210-4四个红外探测器，此四组边界组合将一圆周以90°间隔平分，该圆通过配在此四个红外光学探头前的二次光学系统500成像至无穷远，真实地仿真成为地平圆；四个冷热边界分别安装在四组一维平移台上，通过平移台的运动可以使冷热边界300产生平移；平移台控制器一方面要控制四个冷热边界300分别独立移动，另一方面要根据两组同轴线冷热边界相对零点的移动量反演出相对红外探测器的视角变化量；或者根据给定的两组视角变化量控制冷热边界移动到相应位置；视角测量精度为0.1°。冷板和热板的温差通过温度控制器实现同步设置与控制。

如图4所示，本发明的静态红外地平仪新型地球模拟器结构总图包括具有一定共面共线精度要求的刚性框架400、401、402、403、405、406和408，用于安装固定红外探测器、平移台和冷热边界载荷等。测试平台框架结构可以校准四个边界的共线共面、探测器安装面与冷热边界平面的平行以及探测器安装孔相对四个边界中心的正确位置。构成地球模拟器的四组地球模拟冷热边界载荷的冷板支架312与组件302，热板支架311与热板组件301，并由温度控制系统模拟地球温度控制和由光校结构调整系统20准确调整并定位地球模拟器的冷热边界位置。静态红外地平仪安装在基座10上，基座10是一中间开方孔(用于CCD探头走线)的连接板，并配以两个把手，方便安装到框架的底板上，基座10具有精确定位销，可以保证静态红外地平仪的光学系统准确地配准光校结构调整系统20上面的二次光学系统200，以保证冷热边界更准确地仿真太空地平圆。防震踢脚407，可以保证整体框架的抗震性，高度可调且便于安装和调整。导槽404可以保证冷板支架位置的调整。

如图4所示红外探测器测试平台由60x60铝型材搭建刚性框架尺寸为1151.2mm×1151.2mm×1041mm。底部独特的搭建方式不仅便于铸铝支架的安装和调整，铝型材中空的结构还可以更高要求的满足隐蔽走线的需求。运动单元和热板由铸铝支架支撑。并且在满足CCD探头到冷板和热板距离的情况下，铸铝支架在两个方向均可作15mm以内的调整，以满足更多调整冷板和热板到CCD探头距离的要求。由四组滚珠丝杆控制四组一维平移台的移动，四组滚珠丝杆配以DR110-300+富士伺服马达，全行程300mm，单向行程150mm；定位精度小于200um。

图5为新型红外地平仪地球模拟器电机控制框图，本发明中的四组冷热边界是分别受温度控制器控制的热板与受四组步进电机控制移动的冷板组成的动态边界，如图5所示，四组步进电机控制分别由PC机发出控制指令到电机控制板，位置限位器给电机控制板输送限位指令实现冷热边界运动范围的限位。电机控制板发送移动方向和距离指令到电机驱动板，编码器对电机驱动板进行编码控制通过三相控制驱动电机，实现4组冷热板边界的移动控制。

图6示出二次光学系统500装配图，如图所示，采用两片非球面透镜506和508构成的二次光学系统，实现将四组冷热边界的成像至无穷远以仿真地平圆。镜筒507、隔圈503与压圈501、502、504、505一起将镜片组装为二次光学系统，300即为冷热边界面。由其所发出的热辐射信号经过红外二次光学系统后为平行光，以实现无穷远处地平圆的仿真。

图7为红外线探测器测试平台-温控箱，本发明中的四组冷热边界是分别受温度控制器控制的热板与受四组步进电机控制移动的冷板组成的动态边界，如图7所示，四组温度控制分为4个通道A、B、C、D，由加热装置、测温装置和控温装置组成的闭环，与室温控制模块并联共同连接供电系统与指示信号灯。