一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统

摘要

本发明公开了一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，包括：星敏感器、星敏模拟器、电推力器和羽流收集装置；通过星敏感器相对电推力器的喷口的位置的布局设计，结合星敏模拟器，可以在电推进空间羽流光影响的情况下，实现对星敏视场受扰情况的测试，解决了等离子体羽流的光干扰测试量化问题，为卫星敏感器视场布局提供设计依据。

说明书

技术领域

本发明属于等离子体测试技术领域，尤其涉及一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统。

背景技术

电推进是一种新型航天动力系统，具有高比冲的突出优势，是现阶段国际上先进航天器的标志性技术之一。在国内，开发中的东方红三号B、东方红四号增强型、东方红五号等公用平台均需要使用电推进才能实现承载能力提升的需求。

电推进应用是一把双刃剑，优势显著，但技术复杂、应用风险高。电推进羽流与传统化学推进羽流不同，除了稀薄流动问题以外，还是一个包含大量带电粒子的等离子体流动问题，电推进羽流会引起的航天器力、热方面的效应，会产生干扰力(力矩)或造成航天器表面温度升高和材料损坏，还会引起航天器表面的充放电效应，在中和器失效或中和程度不够都将增加高压放电的可能性；为太阳电池阵提供泄漏通道，形成寄生电流损失，造成太阳电池功率的下降，羽流本身的光效应还可能会影响航天器外部的光敏感设备正常工作。为此，有必要开展针对电推进羽流的各项科学问题的基础研究。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，以实现整星羽流光干扰效应的地面验证分析和试验设计。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，包括：星敏感器、星敏模拟器、电推力器和羽流收集装置；其中，星敏感器、星敏模拟器、电推力器和羽流收集装置设置在真空容器内；星敏感器视场中心轴线与星敏模拟器光轴中心相重合；羽流收集装置设置在电推力器的喷口的远端；

电推力器，用于产生稳定等离子羽流；

羽流收集装置，用于吸收电推力器喷射的等离子羽流；

星敏模拟器，用于模拟恒星的辐射特征和几何特征，提供恒星的亮度、恒星的光谱和恒星动静态星图；

星敏感器，用于敏感星敏模拟器所模拟的恒星的位置偏差和姿态偏差。

在上述电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统中，还包括：安装支架；

星敏感器与星敏模拟器通过所述安装支架安装并固定；其中，所述安装支架上布置有定位销，以确保星敏感器视场中心轴线与星敏模拟器光轴的同轴度为0.1mm。

在上述电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统中，

羽流收集装置的收集面垂直于电推力器的喷口轴线，且，羽流收集装置的收集面的面积包络电推力器的喷口的羽流全角30°的面积。

在上述电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统中，还包括：供电供气设备；

电推力器在供电供气设备的作用下产生稳定等离子羽流，以使电推力器工作在额定工作点时，输出稳定度优于5％。

在上述电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统中，还包括：处理器，用于：

选取星敏模拟器所采集的图像中星点周围50×50的范围作为运算范围，计算所述运算范围内的图像的均值和方差值，得到图像计算结果；

采用u-σ图像滤波算法对所述图像计算结果进行滤波处理，得到滤波处理结果；

根据所述滤波处理结果，采用星点识别算法，解算得到星点位置和星点总能量；

对星敏模拟器所采集的图像进行遍历、解算得到各图像对应的星点位置和星点总能量；

对星敏模拟器所采集的图像进行统计，确定各试验阶段对应的总能量平均值和峰值能量；

根据能量平均值和峰值能量的下降百分比，确定羽流对星点能量的影响程度。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，结合卫星布局特点制定基于星敏感器和星敏模拟器的组合验证方法，具有较强的工程应用价值，保障了工程评估的有效性，对星点位置变化、星点能量变化和杂光情况得到了有效识别，有效实现了对羽流光干扰的评估，进而实现整星羽流光干扰效应的地面验证分析和试验设计。

(2)本发明公开了一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，通过星敏感器相对电推力器喷口位置的布局设计，结合星敏模拟器，可以在电推进空间羽流光影响的情况下，实现对星敏视场受扰情况的测试，解决了等离子体羽流的光干扰测试量化问题，为卫星敏感器视场布局提供设计依据。

(3)本发明公开了一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，克服了电推进羽流光干扰效应测量难点，克服了星敏感设备真空环境测试和防护难点，实现了电推进羽流对星敏感器光干扰试验与评估，可以应用于高轨通信卫星的电推进系统，为羽流光污染危害评估和防护提供设计改进依据，并可以依据试验验证和评估改进效果，指导性提出合理、有效的防护方法。

附图说明

图1是本发明实施例中一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统的布局示意图；

图2是本发明实施例中又一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统的布局示意图；

图3是本发明实施例中一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

本发明公开了一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，按整星布局包络设计星敏视场与电推力器羽流相对视场区，保证电推进羽流对星敏感器光干扰评估结果能应用于所有高轨通信卫星平台。本发明结合实际工程问题，创新性提出试验的布局设计、保障设计、试验的流程设计以及试验的数据处理方法，通过数据处理，实现对不同电推进点火阶段中星敏感器采集数据的星点位置、星点能量和杂光能量等变化规律进行分析，以获得不同位置的星敏精度变化范围。另外，通过详细的电推进羽流光干扰试验流程设计，可以为后续电推进工程应用的评估提供完整的解决方案。

参照图1，示出了本发明实施例中一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统的布局示意图。在本实施例中，所述电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，包括：星敏感器、星敏模拟器、电推力器和羽流收集装置。其中，星敏感器、星敏模拟器、电推力器和羽流收集装置设置在真空容器内；星敏感器视场中心轴线与星敏模拟器光轴中心相重合；羽流收集装置设置在电推力器的喷口的远端。

在本实施例中，星敏感器与电推力器之间的相对布局应覆盖工程实际应用范围内的所有工况：(1)星敏感器与电推力器之间的相对布局可依据卫星实际布局位置来确定，如图1所示。(2)极限布局(最恶劣布局)，即星敏视场完全穿过羽流的影响测试，作为限值指标提供给卫星总体设计师，如图2，示出了本发明实施例中又一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统的布局示意图。

在本实施例中，电推力器，用于产生稳定等离子羽流。羽流收集装置，用于吸收电推力器喷射的等离子羽流。星敏模拟器，用于模拟恒星的辐射特征和几何特征，提供恒星的亮度、恒星的光谱和恒星动静态星图，从而验证星敏感器的恒星识别能力、姿态、极性等功能指标。星敏感器，用于敏感星敏模拟器所模拟的恒星的位置偏差和姿态偏差。

优选的，羽流收集装置的收集面垂直于电推力器的喷口轴线，且，羽流收集装置的收集面的面积包络电推力器的喷口的羽流全角30°的面积。

在本发明的一优选实施例中，参照图3，示出了本发明实施例中一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统的结构框图。

如图3，电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，还可以包括：安装支架。优选的，星敏感器与星敏模拟器通过所述安装支架安装并固定。其中，所述安装支架上布置有定位销，以确保星敏感器视场中心轴线与星敏模拟器光轴的同轴度为0.1mm。

如图3，电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，还可以包括：供电供气设备。优选的，电推力器在供电供气设备的作用下产生稳定等离子羽流，以使电推力器工作在额定工作点时，输出稳定度优于5％。其中，电推力器工作在额定工作点，具体可以是指：电推力器在真空环境下工作在额定工作点。且电参数和供气条件满足产品技术指标要求。

如图3，电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，还可以包括：处理器。优选的，所述处理器，可以用于：选取星敏模拟器所采集的图像中星点周围50×50的范围作为运算范围，计算所述运算范围内的图像的均值和方差值，得到图像计算结果；采用u-σ图像滤波算法对所述图像计算结果进行滤波处理，得到滤波处理结果；根据所述滤波处理结果，采用星点识别算法，解算得到星点位置和星点总能量；对星敏模拟器所采集的图像进行遍历、解算得到各图像对应的星点位置和星点总能量；对星敏模拟器所采集的图像进行统计，确定各试验阶段对应的总能量平均值和峰值能量；根据能量平均值和峰值能量的下降百分比，确定羽流对星点能量的影响程度。

其中，需要说明的是，在本发明实施例中，星敏感器视场范围内的真空舱壁面、防溅射靶以及安装支架等物体表面包覆黑色渗碳黑膜材料，并通过试验前测试标定获得数据分析的基准数据，实现星模测试降噪效果。进一步的，星敏感器、星模拟器和相应真空室内线缆进行铝膜防溅射包覆(星敏遮光罩入口和星模拟器出光口不进行包覆)。

基于上述实施例，下面以一个具体应用场景为例进行说明。

(1)试验前准备：星敏感器和星敏模拟器的安装固定，抽真空设备的安装调试，涂黑色渗碳黑膜等。

(2)供电供气设备的安装调试：供气准备(供气管路、管路接口、穿舱法兰、流量计和阀门等的安装调试)，管路检漏，氙气瓶准备，供电准备(电推力器供电线路安装、穿舱检漏及绝缘测试等)。

(3)开展合舱前的试验联调：电推力器、贮供单元、PPU和控制模拟器等设备静电接口及绝缘检查，星敏及星模安装后的数据采集设备联调，防溅射靶安装调试，合舱前的星敏标定试验。

(4)试验就绪工作。

(5)试验工况设计与实施，具体包括真空星敏初始标定、真空环境前后星敏性能测试比较、电推进预处理的星敏图像采集、电推进阴极点火及星敏图像采集、电推进中和器点火及星敏图像采集、电推进束流引出及星敏图像采集、星敏数据预处理；最后是试验结果评价与总结。

在本发明实施例中，每个电推进工况下对采集到的星敏感器图像中星点的位置、星点能量和杂光能量等性能变化进行分析。首先获取采集图像中星点周围50×50的范围，然后计算图像的均值和阈值；其次，采用u-σ图像滤波算法对图像进行滤波，然后使用星点识别算法计算星点位置、星点总能量等数据并保存；最后，对所有采集图像进行统计，分阶段获取总能量平均值和总能量方差。位置信息单位为像素，根据星敏感器设计原理，一个像素的空间角分辨率设定为70″。总能量和峰值能量单位为灰度。通过统计位置信息可以得到星点位置变化对星敏的影响程度，通过统计星点总能量变化，可以得到星点能量变化受羽流影响的下降百分比。

本试验评估结论为，电推进羽流对星敏精度影响一般不应超过10″，总能量变化应不超过12％，这样对姿态控制精度要求为0.05度左右的通信卫星所占误差分配项可接受。

综上所述，本发明公开了一种电推进羽流对星敏感器光干扰试验系统，结合卫星布局特点制定基于星敏感器和星敏模拟器的组合验证方法，具有较强的工程应用价值，保障了工程评估的有效性，对星点位置变化、星点能量变化和杂光情况得到了有效识别，有效实现了对羽流光干扰的评估，进而实现整星羽流光干扰效应的地面验证分析和试验设计。

其次，本发明通过星敏感器相对电推力器喷口位置的布局设计，结合星敏模拟器，可以在电推进空间羽流光影响的情况下，实现对星敏视场受扰情况的测试，解决了等离子体羽流的光干扰测试量化问题，为卫星敏感器视场布局提供设计依据。

此外，本发明克服了电推进羽流光干扰效应测量难点，克服了星敏感设备真空环境测试和防护难点，实现了电推进羽流对星敏感器光干扰试验与评估，可以应用于高轨通信卫星的电推进系统，为羽流光污染危害评估和防护提供设计改进依据，并可以依据试验验证和评估改进效果，指导性提出合理、有效的防护方法。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。