專利名稱：靜態(tài)紅外地平儀地面檢測用的新型地球模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間科學(xué)儀器檢測技術(shù)及設(shè)備，特別是指一種靜態(tài)紅外地平儀 地面檢測用的新型地球模擬器，它適用于對空間靜態(tài)紅外地平儀的地面檢測。
背景技術(shù)：
利用空間發(fā)熱體作為基準(zhǔn)目標(biāo)的紅外地平儀，具有高精度、可靠性好等優(yōu) 點(diǎn)、因此被普遍采用。早期紅外地平儀應(yīng)用于控制導(dǎo)彈的發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和載入試
驗(yàn)。自1959年2月開始在衛(wèi)星上使用，成功地測量了衛(wèi)星繞地球飛行的姿態(tài)， 由于紅外地平儀與其它姿態(tài)敏感技術(shù)相比具有簡單可靠且有較高的姿態(tài)測量 精度(一般在O. 1度-0.5度)，所以發(fā)展迅速，在以后的載人宇宙飛船，特別 是對地定向偵探、氣象、通訊、地資等人造衛(wèi)星上廣泛使用，目前發(fā)射的空間 飛行器大都是采用紅外地平儀來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，因此，紅外地平儀的研制也成 為衛(wèi)星姿態(tài)控制中的一個(gè)獨(dú)立分支科學(xué)。
地球模擬器就是模擬地球的儀器，作為紅外地平儀的地面檢測設(shè)備，主要 由代表地球的熱源和代表天空的冷源背景等組成，控制熱源、冷源的變化比例 即可模擬地球、天空的各種信息。地球模擬器實(shí)質(zhì)上是模擬航天器與地球、天 空間的各種信息，將一個(gè)遙遠(yuǎn)的空間縮小到一個(gè)小小的地球模擬器內(nèi)。在地面 上模擬不同軌道高度衛(wèi)星在太空中所看到的地球,模擬地球輻射特性的工作狀 態(tài)，即地球與太空間的輻射亮度差，并能做到紅外基準(zhǔn)和可見光基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，供 星上部件紅外地球敏感器在地面上測試性能和標(biāo)定精度使用，因此紅外地球敏感器地面標(biāo)定試驗(yàn)的精度高低，將直接影響到衛(wèi)星在軌道上的工作精度。
目前紅外地球敏感器大致分為雙圓錐掃描紅外地平儀、單圓錐紅外掃描地 平儀與靜態(tài)紅外地平儀三大類。針對雙圓錐掃描紅外地平儀以及單圓錐紅外掃 描地平儀，分別有雙圓錐小型地球模擬器和小型準(zhǔn)直式紅外地球^莫擬器的ff究 與研制。而靜態(tài)紅外地平儀工作原理是利用四個(gè)光學(xué)頭部直接對地球與太空所 形成的冷熱邊界進(jìn)行探測，通過對地球的紅外地平輻射敏感，提供地平圓位置 信號，確定衛(wèi)星相對于局地垂線的滾動和俯仰姿態(tài)角，用于初始狀態(tài)時(shí)衛(wèi)星對 地球的捕獲和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)衛(wèi)星的姿態(tài)控制。
新型紅外地球模擬器作為靜態(tài)紅外地平儀研制保障條件之一的專用地面 性能測試設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)靜態(tài)紅外地平儀性能指標(biāo)地面測試評估的必要手段，利 用新型紅外地球模擬器模擬衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)看到的地球紅外圖象，即相應(yīng)于地 球及空間紅外輻射率梯度分布，是進(jìn)行靜態(tài)紅外地平儀研制的關(guān)鍵性組件之
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為靜態(tài)紅外地平儀產(chǎn)品提供一種適合地面檢測用的新 型紅外地球模擬器，解決靜態(tài)紅外地平儀地面測試及性能指標(biāo)評估問題，保證 靜態(tài)紅外地平儀能夠提供高精度的衛(wèi)星姿態(tài)控制。
本發(fā)明一種在地面對靜態(tài)紅外地平儀進(jìn)行檢測用的新型地球模擬器至少 包含以下部分組成，四個(gè)帶有傳動裝置的冷熱板組件、四組地球模擬溫度控制 系統(tǒng)和四個(gè)二次光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)。
新型地球模擬器是利用四組冷熱板組件共同組成地球地平圓的紅外邊界， 動態(tài)地模擬地球/太空冷熱穿越邊界，通過二次光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)確調(diào)整并定位 地球模擬器冷熱邊界的位置，達(dá)到理想邊界位置附近，將位置精度控制在一定應(yīng)具有的范圍內(nèi)。四個(gè)地模邊界冷熱板組件的溫度控制分別用四個(gè)地球模擬溫
度控制器獨(dú)立控制。4個(gè)冷熱板組件的熱板301涂無光黑漆(比輻射率0.9)， 并將其加熱升溫模擬地球的熱輻射。冷熱板組件中的冷板302模擬太空冷背景。 加熱器設(shè)計(jì)成加熱薄片，并把它粘貼在被加溫體的內(nèi)側(cè)，同時(shí)在加熱薄片和模 擬太空的冷板302之間用絕熱材料進(jìn)行隔離，防止進(jìn)行熱交換而使模擬太空的 冷板302的溫度升高。
地平儀溫控系統(tǒng)主要由5路相互獨(dú)立的溫差控制單元、溫差顯示儀表和多 路溫度循檢單元組成，配置在專用控制柜中。每路控制單元由數(shù)字式溫度調(diào)節(jié) 器、可控硅交流電力控制器和測溫?zé)犭娕紭?gòu)成，形成閉環(huán)溫度控制回路，如圖 6所示。溫控系統(tǒng)的工作原理是利用5路相互獨(dú)立的溫差控制單元通過數(shù)字式 溫度調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)PID溫度調(diào)節(jié)，分別控制4塊熱板301及熱板301相對于冷板 302的溫差，顯示儀表和多路溫度循檢單元可顯示熱板和冷板當(dāng)前的溫差。
地球模擬器通過四組滾珠絲桿精密移動四塊冷板302實(shí)現(xiàn)地平儀姿態(tài)角的
偏差(即俯仰角和滾動角的偏差)，靜態(tài)紅外地平儀對地球模擬器的移動邊界 進(jìn)行直接探測，從而實(shí)現(xiàn)不同姿態(tài)角的測量。滿足靜態(tài)紅外地平儀單機(jī)像元分 辨率是測量精度關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)靜態(tài)地平儀像元分辨率0.625° ，而此新型 地球模擬器所能夠仿真的姿態(tài)角精度為0. 1° 。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、新型地模器設(shè)計(jì)成為數(shù)控組合結(jié)構(gòu)，利用四組冷熱板組件共同組成地 球模擬面，動態(tài)地模擬地球/太空冷熱穿越邊界，通過二次光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)確 調(diào)整并定位地球模擬器冷熱邊界的位置，達(dá)到理想邊界位置附近，將位置精度 控制在一定應(yīng)具有的范圍內(nèi)。這對靜態(tài)紅外地平儀來說是提供了一個(gè)完全等價(jià) 于地平圓的觀測目標(biāo)。2、 四組冷熱板組件中每個(gè)冷熱邊界由一塊冷板和一塊熱板形成，每組冷 板和熱板組成一個(gè)載荷，分別安裝在每個(gè)一維平移臺上，通過平移臺的運(yùn)動可 以使冷熱邊界產(chǎn)生平移；
3、 四個(gè)一維平移臺在同一平面上分為相互垂直的兩組，每組共軸線， 每個(gè)平移臺的可以單獨(dú)平移運(yùn)動；平移臺控制器實(shí)現(xiàn)對每個(gè)平移臺運(yùn)動狀態(tài) 的獨(dú)立設(shè)置與控制；具備姿態(tài)角連續(xù)變化和設(shè)置功能，姿態(tài)角變化范圍土12 ° ，姿態(tài)角變化精度0. 1° ;適用軌道高度750Km 800Km;
4、 用冷熱邊界構(gòu)成的地球模擬面，采用良好的溫控保持冷熱邊界溫度梯
度，采用地球模擬溫度控制系統(tǒng)的加熱時(shí)間短、溫升幅度大、冷熱邊界溫差控 制范圍寬、溫度控制精度高，具備地球/空間邊界紅外輻射能量差輻射模擬和
調(diào)節(jié)功能。控制4塊熱板的溫度四塊鋁板8(TC以下加熱范圍內(nèi)，控制精度達(dá) ±0.5 。C。工作溫度范圍2(TC士5。C;
5、鑒于地球模擬器外形尺寸較大，裝配組合零件多，加工精度和裝配精度難 于滿足零件相互之間的位置精度要求，采用結(jié)構(gòu)簡單、易于拆卸的二次光學(xué)系 統(tǒng)，將模擬地平圓的冷熱組件的邊界成像至無窮遠(yuǎn)，使得模擬器結(jié)構(gòu)更加緊湊， 更加真實(shí)地模擬地平圓，利用四組一維滾珠絲桿平移機(jī)構(gòu)移動冷板，通過數(shù)字
控制使冷板組件和熱板組件實(shí)現(xiàn)冷熱邊界的四個(gè)邊界的調(diào)節(jié)功能，保證地平圓
仿真的可調(diào)性和精度要求。
圖1為本發(fā)明的地平圓模型圖。
圖2為靜態(tài)紅外地平儀的光學(xué)系統(tǒng)模型其中100——靜態(tài)紅外地平儀； 110——光學(xué)頭部的視場；120——X方向地平儀的滾動軸；
130——Y方向地平儀的俯仰軸； 140——地心方向； 200——光學(xué)鏡頭；
210， 201-1， 210-2， 210-3, 210-4——探測器；
220——濾光片；
230——地球邊界方向；
300——紅外地球邊界。
圖3為本發(fā)明的新型地球模擬系統(tǒng)原理其中101——210-2與210-4或210-1與210-3兩探頭中心在零位時(shí)的間
105——210-2與210-4或210-1與210-3兩探頭間的張角；
301——熱板；
302——冷板；
303~"邊界位移量； 500——二次光學(xué)系統(tǒng)。 圖4為本發(fā)明中的靜態(tài)紅外地平儀新型地球模擬器結(jié)構(gòu)總其中
10——^裝基座； 20~~光校結(jié)構(gòu)調(diào)整系統(tǒng)；
311——熱板支架；
312——冷板支架；
400、 401、 402、 403、 405、 406、 408——剛性框架；404——導(dǎo)槽；
407——防震踢腳。 圖5為本發(fā)明中的新型紅外地平儀地球模擬器電機(jī)控制框圖。
圖fi先太發(fā)昍由的一汝l空系錄'想西p閣.
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501、 502、 504、 505——壓圈； 503——隔圈； 506、 508——非球面透鏡； 507——鏡筒。 圖7為本發(fā)明中的紅外線探測器測試平臺-溫控箱。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)圖l-圖6給出本發(fā)明一個(gè)較好實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述，以使更 好地了解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功能特點(diǎn)，要指了的是，所給出的實(shí)施例是為了 說明本發(fā)明，而不是用來限制本發(fā)明的范圍。
如圖1所示，地平圓模型圖中，地平儀所要檢測的地球和太空的輻射過渡 帶，亦即地平圓；從衛(wèi)星上看到的地球相當(dāng)于在4K冷背景中的一個(gè)平均亮度 溫度約為220 240K的大圓盤，我們稱圓盤邊緣為地平圓。
如圖2所示，靜態(tài)紅外地平儀光學(xué)模型系統(tǒng)圖中，衛(wèi)星簡化為一點(diǎn)G， Y 方向130為地平儀的俯仰軸，X方向120為地平儀的滾動軸，光學(xué)頭部視場110 為±10° ，通過光學(xué)鏡頭200和紅外濾光片220對地球邊界300成像為紅外地 球邊界圖像，由探測器210接收圖像，從地心方向140和地球邊界方向230所 接收的光線都來自于無窮遠(yuǎn)處的平行光，從751Km低軌道上看到的地平圈是張
角為2" = 2^^ ^TI = °的圓錐底面圓周。自于無窮遠(yuǎn)處的平行光由二次光學(xué)系統(tǒng)500來實(shí)現(xiàn)。
如圖3所示，新型地球模擬系統(tǒng)原理圖中，靜態(tài)紅外地平儀的有四個(gè)紅外 線列陣CCD探測器210-1、 210-2、 210-3、 210-4，每個(gè)探測器的視場角IIO為± 10° ，相對的兩探頭間的張角105為127。；四個(gè)探頭分別對應(yīng)下部測試平臺同 圓上90°間隔的四個(gè)冷熱邊界IIO，在零位時(shí)從邊界到二次光學(xué)系統(tǒng)鏡頭500前 端的距離是264mm，每個(gè)探頭的視場角對應(yīng)每個(gè)冷熱邊界的移動量約士75mm;測 試平臺由四個(gè)一維平移臺組成，在同一平面上分為相互垂直的兩組，每組共軸 線，每個(gè)平移臺中302為室溫冷板，301為可設(shè)定溫差的熱板，303為冷熱邊界可 實(shí)現(xiàn)的位移量約士150mm，每個(gè)平移臺的可以單獨(dú)平移運(yùn)動，兩探頭在零位時(shí)之 間距離101為1000mra;每個(gè)平移臺的運(yùn)動狀態(tài)通過平移臺控制器實(shí)現(xiàn)獨(dú)立設(shè)置與 控制；由四個(gè)冷板302和四個(gè)熱板301組成的四組冷熱邊界300分別對應(yīng)靜態(tài)地平 儀的210-1、 210-2、 210-3、 210-4四個(gè)紅外探測器，此四組邊界組合將一圓周 以90°間隔平分，該圓通過配在此四個(gè)紅外光學(xué)探頭前的二次光學(xué)系統(tǒng)500成像 至無窮遠(yuǎn)，真實(shí)地仿真成為地平圓；四個(gè)冷熱邊界分別安裝在四組一維平移臺 上，通過平移臺的運(yùn)動可以使冷熱邊界300產(chǎn)生平移；平移臺控制器一方面要控 制四個(gè)冷熱邊界300分別獨(dú)立移動，另一方面要根據(jù)兩組同軸線冷熱邊界相對零 點(diǎn)的移動量反演出相對紅外探測器的視角變化量；或者根據(jù)給定的兩組視角變 化量控制冷熱邊界移動到相應(yīng)位置；視角測量精度為O. 1° 。冷板和熱板的溫差 通過溫度控制器實(shí)現(xiàn)同步設(shè)置與控制。
如圖4所示，本發(fā)明的靜態(tài)紅外地平儀新型地球模擬器結(jié)構(gòu)總圖包括具有 一定共面共線精度要求的剛性框架400、 401、 402、 403、 405、 406和408 ， 用于安裝固定紅外探測器、平移臺和冷熱邊界載荷等。測試平臺框架結(jié)構(gòu)可以 校準(zhǔn)四個(gè)邊界的共線共面、探測器安裝面與冷熱邊界平面的平行以及探測器安裝孔相對四個(gè)邊界中心的正確位置。構(gòu)成地球模擬器的四組地球模擬冷熱邊界
載荷的冷板支架312與組件302，熱板支架311與熱板組件301，并由溫度控 制系統(tǒng)模擬地球溫度控制和由光校結(jié)構(gòu)調(diào)整系統(tǒng)20準(zhǔn)確調(diào)整并定位地球模擬 器的冷熱邊界位置。靜態(tài)紅外地平儀安裝在基座10上，基座10是一中間開方 孔(用于CCD探頭走線)的連接板，并配以兩個(gè)把手，方便安裝到框架的底板 上，基座10具有精確定位銷，可以保證靜態(tài)紅外地平儀的光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)確地配 準(zhǔn)光校結(jié)構(gòu)調(diào)整系統(tǒng)20上面的二次光學(xué)系統(tǒng)200，以保證冷熱邊界更準(zhǔn)確地仿 真太空地平圓。防震踢腳407，可以保證整體框架的抗震性，高度可調(diào)且便于 安裝和調(diào)整。導(dǎo)槽404可以保證冷板支架位置的調(diào)整。
如圖4所示紅外探測器測試平臺由60x60鋁型材搭建剛性框架尺寸為 1151. 2mmX 1151. 2mmX 1041mm。底部獨(dú)特的搭建方式不僅便于鑄鋁支架的安裝 和調(diào)整，鋁型材中空的結(jié)構(gòu)還可以更高要求的滿足隱蔽走線的需求。運(yùn)動單元 和熱板由鑄鋁支架支撐。并且在滿足CCD探頭到冷板和熱板距離的情況下，鑄 鋁支架在兩個(gè)方向均可作15mm以內(nèi)的調(diào)整，以滿足更多調(diào)整冷板和熱板到CCD 探頭距離的要求。由四組滾珠絲桿控制四組一維平移臺的移動，四組滾珠絲桿 配以DR110-300+富士伺服馬達(dá)，全行程300mra，單向行程150mm;定位精度小于 200um。
圖5為新型紅外地平儀地球模擬器電機(jī)控制框圖，本發(fā)明中的四組冷熱邊 界是分別受溫度控制器控制的熱板與受四組步進(jìn)電機(jī)控制移動的冷板組成的 動態(tài)邊界，如圖5所示，四組步進(jìn)電機(jī)控制分別由PC機(jī)發(fā)出控制指令到電機(jī) 控制板，位置限位器給電機(jī)控制板輸送限位指令實(shí)現(xiàn)冷熱邊界運(yùn)動范圍的限 位。電機(jī)控制板發(fā)送移動方向和距離指令到電機(jī)驅(qū)動板，編碼器對電機(jī)驅(qū)動板 進(jìn)行編碼控制通過三相控制驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)4組冷熱板邊界的移動控制。圖6示出二次光學(xué)系統(tǒng)500裝配圖，如圖所示，采用兩片非球面透鏡506 和508構(gòu)成的二次光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將四組冷熱邊界的成像至無窮遠(yuǎn)以仿真地平 圓。鏡筒507、隔圈503與壓圈501、 502、 504、 505 —起將鏡片組裝為二次光 學(xué)系統(tǒng)，300即為冷熱邊界面。由其所發(fā)出的熱輻射信號經(jīng)過紅外二次光學(xué)系 統(tǒng)后為平行光，以實(shí)現(xiàn)無窮遠(yuǎn)處地平圓的仿真。
圖7為紅外線探測器測試平臺-溫控箱，本發(fā)明中的四組冷熱邊界是分別 受溫度控制器控制的熱板與受四組步進(jìn)電機(jī)控制移動的冷板組成的動態(tài)邊界， 如圖7所示，四組溫度控制分為4個(gè)通道A、 B、 C、 D，由加熱裝置、測溫裝置 和控溫裝置組成的閉環(huán)，與室溫控制模塊并聯(lián)共同連接供電系統(tǒng)與指示信號 燈。
權(quán)利要求
1. 一種靜態(tài)紅外地平儀地面檢測用的地球模擬器，其特征在于它由四個(gè)帶有傳動裝置的冷熱板組件、四組地球模擬溫度控制系統(tǒng)和四個(gè)二次光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)組成，由傳動裝置帶動冷板(302)模擬的冷邊界相對于熱板(301)移動組成動態(tài)地球模擬面，通過二次光學(xué)系統(tǒng)(500)仿真太空到地球的距離，傳動裝置準(zhǔn)確調(diào)整冷熱板組件并定位地球模擬器冷熱邊界的位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜態(tài)紅外地平儀地面檢測用的地球模擬器， 其特征在于所述的四個(gè)帶有傳動裝置的冷熱板組件按90。在圓周上均布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜態(tài)紅外地平儀地面檢測用的地球模擬器，其特征在于所述的傳動裝置是由電機(jī)驅(qū)動的滾珠絲桿精密移動臺，位移量(303)為士150誦。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜態(tài)紅外地平儀地面檢測用的地球模擬 器，其特征在于所述的熱板(301)是貼有加熱片的鋁板，表面涂無光黑漆， 加熱范圍80。C以下，溫度控制精度士0.5 。C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜態(tài)紅外地平儀地面檢測用的地球模擬器， 其特征在于..所述的溫度控制系統(tǒng)由5路相互獨(dú)立的溫差控制單元、溫差顯示 儀表和多路溫度循檢單元組成，配置在專用控制柜中；每路控制單元由數(shù)字式 溫度調(diào)節(jié)器、可控硅交流電力控制器和測溫?zé)犭娕紭?gòu)成，形成閉環(huán)溫度控制回 路，5路相互獨(dú)立的溫差控制單元通過數(shù)字式溫度調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)PID溫度調(diào)節(jié)， 分別控制4塊熱板(301)相對于冷板(302)的溫差，顯示儀表和多路溫度循 檢單元可顯示熱板(301)和冷板(302)當(dāng)前的溫差。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜態(tài)紅外地平儀地面檢測用的地球模擬器， 其特征在于所述的二次光學(xué)系統(tǒng)(500)是由二片非球面透鏡組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適合靜態(tài)紅外地平儀地面檢測用的新型地球模擬器，由四組滾軸絲桿帶動地模冷邊界相對于熱板移動組成動態(tài)地球模擬面，通過二次光學(xué)系統(tǒng)仿真太空到地球的距離，準(zhǔn)確調(diào)整冷熱板組件并定位地球模擬器冷熱邊界的位置，地模器冷熱板組件上的熱板面涂無光黑漆加熱升溫模擬地球的熱輻射；加熱器做成加熱薄片貼在加溫體內(nèi)側(cè)，模擬地球熱輻射；靜態(tài)紅外地平儀的新型地面檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對太空地平圓的動態(tài)仿真模擬四組滾軸絲桿的精確移動與對冷邊界的定位實(shí)現(xiàn)靜態(tài)紅外地平儀姿態(tài)角的動態(tài)仿真，在地面上仿真高精度的衛(wèi)星載荷姿態(tài)角的變化，從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的測量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靜態(tài)紅外地平儀在地球模擬器上的檢測。
文檔編號B64G7/00GK101462599SQ200810204568
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者劉光遠(yuǎn), 劉學(xué)明, 盧晉人, 呂銀環(huán), 濤 張, 磊 王 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所