太阳模拟器两轴回转控制系统研究

太阳敏感器是卫星控制系统中的一个重要部件,装星之前需要通过地面试验验证其各项功能及技术指标.本文针对太阳敏感器的地面测试设备——太阳模拟器两轴回转控制系统展开研究.该系统采用伺服电机与绝对式光电编码器相结合的方案,包括偏航与俯仰两个回转控制机构,主要用于改变太阳模拟器光轴的方向.给出了回转控制系统的组成和工作原理,并对影响系统精度的因素进行了分析.实验表明,回转系统的角度控制精度优于0.03°,满足该地面测试设备设计时提出的0.04°精度指标.      

甚高精度星模拟器星图显示与控制系统研究

为对甚高精度星敏感器进行地面标定和精度测试,提出甚高精度星模拟器的研制,其模拟精度应优于0.5″.在甚高精度星模拟器设计中,对星模拟器的星图显示与控制系统进行了重点研究.根据模拟精度要求,提出利用星点板作为星图显示器件.采用单点可控矩阵式LED照明系统作为星点板光源,完成小天区静态形式的动态星图模拟.通过设计星图显示控制系统,编写控制软件,实现每个LED的亮灭和灰度值控制,完成了星图变换和星等模拟.实验结果表明,星图显示精度小于0.5″,可以实现动态变换以及星等模拟,以满足对甚高精度星敏感器的地面标定和精度测试要求.     

离轴反射式星敏感器地面标定设备光学系统设计

在星敏感器随航天器升空完成姿态测量任务之前,需在地面对其进行标定试验.为满足星敏感器更高精度标定要求,针对常规地面标定设备光学结构在应对大口径、长焦距、宽光谱需求时存在的弊端,设计了一种离轴光管作为准直光学系统,研究了离轴光管装调方法,并对像质进行了评价.重点研究了一套照明系统对星点亮度进行精确控制,采用LED阵列式背光板为光源,并利用照度计对光源亮度进行多次测试,测得的数据表明可对7个连续星等进行模拟,相邻星等间亮度模拟误差小于0.8%.所设计的光学系统可为研制深空探测星敏感器提供地面标定基础.      

地面姿态模拟光源控制系统研究

太阳敏感器和红外地球敏感器是卫星升空以后进行姿态控制的两个重要部件, 地面姿态模拟光源作为地面测试设备, 用来在地面上给这两个部件提供太阳模 拟信号和红外地球模拟信号. 本文设计了一套由4条光缝组成的模拟卫星自旋转 动的小型太阳模拟光源及针对地球同步轨道高度模拟15.6°张角的南 (北)红外两个地球模拟光源, 并为南北地球敏感器太阳保护探头提供了模拟 的太阳保护光源. 根据地面姿态模拟光源控制系统的组成和总体结构, 通 过分析计算给出各模拟光源之间严格的时序关系, 并对各模拟光源之间的时序 进行了实验测试, 结果表明模拟转速锁相误差不大于1ms, 各模拟光源时序 之间的角度误差小于0.5°.      

太阳模拟器光照不均匀性的研究

辐照不均匀性是太阳模拟器的一项主要技术指标.首先通过对国内外辐照不均匀性测量装置进行了充分的调研,决定采用“决门法”设计完成了辐照不均匀性的测量装置.接着通过试验证明了晴空无遮挡的太阳光可以作为该装置的标准光源并进行了该装置的标定.然后,利用该装置对自然光源进行了测试,结果与利用标准表测试一致.最后,利用该装置对脉冲式太阳模拟器的辐照不均匀性进行了现场测试.     

空间背景光星模拟器系统设计

为实现星敏感器光信号的高精度标定需求,提出了一种具有空间背景光的星敏感器地面标定系统,解决了空间背景光对星敏感器光信号定标精度的影响,提高了星敏感器的标定精度.对空间背景光对星敏感器标定精度的影响进行分析,给出了具有空间背景光的星模拟器实现方案,设计了能同时模拟空间背景光和星点位置信息的星模拟器光学系统.结果表明,该系统全视场相对畸变小于0.01%,MTF在80lp·mm-1处大于0.5,达到了高精度指标要求.设计了一套空间背景光系统,通过对电流和可变光阑的控制,实现了亮度26倍变化.提出了一种基于像差补偿的星点位置修正方法,并给出了修正模型.利用徕卡T6100经纬仪和照度计,分别对星模拟器所在的星点位置误差和空间背景光亮度进行测试.结果表明,空间背景光亮度可实现26倍调整,在最高能量和最低能量下星模拟器星点位置误差精度<10",满足星敏感器地面标定要求.      

基于SOC的卫星姿轨控系统通用电模拟器设计

在某型卫星地面电联试过程中,对该卫星的姿态轨道控制系统进行接口分析及信号统计,针对其接口复杂性、信号多样性的特点,提出采用片上系统(Systemona Chip,SOC)芯片对所有部件模拟器进行通用化设计。文中给出了该型卫星通用型电模拟器硬件平台设计方案以及陀螺、反作用轮和通用接口模块的硬件配置说明,针对该型卫星姿态轨道控制系统电联试要求,对所有部件按真实接口配置成电模拟器,形成通用接口箱、敏感器电模拟器箱和执行机构电模拟器箱,并通过CAN(Controller Area Network)总线接入闭环仿真,对太阳捕获、地球捕获及正常模式进行了仿真测试,仿真结果表明通用电模拟器满足设计要求,对其他卫星的地面电联试有很好的参考价值。     

小型一体化编码式太阳敏感器信号处理技术

为实现编码式太阳敏感器小型一体化设计,研究编码式太阳敏感器细分角度计算的坐标旋转数字计算机（CORDIC,coordinate rotation digital computer）算法,在FPGA中实现包括数据采集、角度计算、通信协议等全部敏感器数字信号处理功能,并在此基础上研制专用ASIC芯片.采用挠性连接技术完成整机的微型化组装,最终实现了整机质量0.5 kg、功耗0.5 W、测角精度 0.05°(3σ)、分辨率14″、数据刷新率40 Hz的设计指标.采用单片FPGA实现的编码式太阳敏感器信号处理电路体积小、精度高,是实现产品小型化设计的关键环节.     

运用信息融合式高阶UKF的微小卫星姿态确定算法

为提高微小卫星微型低成本姿态敏感器的姿态确定精度，基于磁强计/太阳敏感器/陀螺仪的姿态敏感器配置以及无迹卡尔曼滤波方法（Unscented Kalman Filter，UKF），设计了一种基于高阶UKF算法并且融合磁强计与太阳敏感器观测信息的微小卫星姿态确定算法.为提高系统状态方程非线性函数的一步预测精度，采用基于五阶UT变换的高阶UKF算法，增加了Sigma采样点数量，提高了系统状态预测精度.单一观测向量滤波算法不能同时满足多个不同量纲观测数据，本文提出一种同时利用两个观测向量的信息融合式滤波算法，根据磁强计和太阳敏感器的观测信息，通过卡尔曼滤波原理中的增益计算，分别得出地磁矢量和太阳矢量对应的卡尔曼增益信息.采用高斯概率密度准则进行信息融合，进而完成预测值的修正，得到同时满足磁强计以及太阳敏感器观测需求的四元数估计值，降低了观测误差的影响.仿真分析验证了算法的优越性.      

太阳敏感器光学信号动态激励系统设计

摘要： 基于微小型两轴转台及太阳模拟器，设计了一种太阳敏感器光学信号动态激励系统，适用于卫星控制分系统闭路验证过程.通过对光源、光路、积分器、准直镜的合理选型、设计，使得模拟光的辐照度、准直度、辐照不均匀度、辐照不稳定度达到了控制分系统闭路验证的性能要求.通过结构设计、滑环设计、伺服控制设计，实现了0.02°的转台角度控制精度，以及360°全范围的角度空间可达.综合试验结果表明，该激励系统能够实现卫星在全天球范围内运行过程中对太阳敏感器的有效信号激励，能够应用于控制分系统的闭路验证系统.     

Modeling of effect of polarization on UV sky radiance during twilight

The spatial distribution of the vector of the Stokes parameters characterizing the radiance intensity and the radiance polarization describes the radiation field in the atmosphere. A simplified treatment of light as the scalar has only restricted application. A few studies compared previously results of the vector and scalar radiative transfer models and showed that scalar models are in error by up to 10% for many cases. Though several observational conditions were exploited, an effect of polarization on modeling of UV radiance has not been investigated yet for twilight. The paper presents a preliminary study of modeled UV radiance during twilight taking into account polarization. The intensity and the degree of linear polarization of the scattered UV radiance for two cases of the ground-based observations are discussed. In the first case, radiation incoming from the zenith for the solar zenith angles (SZA) from 90° to 98° is under investigation. Radiation in the solar principal plane for the beginning of twilight (SZA = 90.1°) was calculated in the second case. The study showed that the UV radiation field in the twilight atmosphere can be handled correctly only using the vector theory. The errors of scalar radiative transfer strongly depend on wavelength, line of an observation and solar position. The revealed distortion of the zenith radiance caused by using of the scalar approximation reaches maximum of 15% at 340 nm for the solar zenith angle (SZA) equal to 98°. The shorter wavelengths have the smaller errors, about 5% at 305 nm for SZA = 98°, due to the larger part of the single scattered radiance. The error of the scalar modeling may be as large as −17% for radiance incoming from the horizon for SZA = 90.1°. Scalar radiative transfer models underestimate the integral intensity in the principal plane up to 3–4% ± 0.5% at SZA = 90.1° for wavelengths from 320 to 340 nm. This should be taken into account in problems of radiative budget estimation and remote sensing of the atmosphere exploiting the twilight period.     

观测路径和光谱分辨率对吸收性气溶胶指数的影响

吸收性气溶胶指数（AAI）在监测污染物方面有较好的应用,其反演结果受边界层高度、云高、相对湿度以及仪器指标和观测几何路径等因素影响.利用大气辐射传输模型MODTRAN,对辐射传输方程中多次散射计算的不同近似方法和不同观测几何角度下的AAI进行模拟,研究这些因素对AAI结果的作用,并分析仪器光谱分辨率对AAI探测结果的影响.结果表明,折衷考虑计算效率与精度的情况下,应选择8流近似的离散坐标法进行带有多次散射计算的辐射方程解析.AAI在不同浓度和不同类型气溶胶下随观测角度变化的趋势相同:相对方位角<120°时,AAI误差在太阳天顶角和卫星方位角均为40°～60°时最大;相对方位角在120°～180°时误差均较小;光谱分辨率对AAI反演结果无明显影响.      

载人航天器体装太阳电池阵有效发电面积计算方法

航天器的发电能力与太阳电池阵有效发电面积成正比。针对圆柱形载人航天器，提出了一种体装太阳电池阵有效发电面积计算方法。首先，将太阳电池阵沿圆周方向划分为多个子阵，通过坐标变换，计算太阳矢量与每个子阵法线的夹角（即太阳入射角）；然后，将每个子阵面积与对应太阳入射角的余弦相乘并求和，得到体装太阳电池阵的有效发电面积。对不同轨道日照角、不同飞行姿态下体装太阳电池阵有效发电面积进行仿真分析，仿真结果表明:三轴对地姿态下平均有效发电面积为安装面积的25%~32%，通过固定角度偏航可将有效发电面积提高至安装面积的30%~44%。      

倾斜轨道小卫星太阳高度角分析与机动方案设计

针对倾斜轨道小卫星必然会面对的光学姿态敏感器受阳光干扰的问题,分析太阳高度角的变化规律,提出了计算太阳高度角的经验公式,并在此基础上提出了平台偏航姿态机动方案,可以使光学姿态敏感器规避阳光干扰,并可以简化整星热控和帆板驱动设计,提高了整星的可靠性.     

The absorption of solar energy and the heating rate in the atmosphere of Venus

The Solar Flux Radiometer (LSFR) experiment on the large probe of the Pioneer Venus (PV) mission made detailed measurements of the vertical profile of the upward and downward broadband flux of sunlight at a solar zenith angle of 65.7°. These data have been combined with cloud particle size distribution measurements on the PV mission to produce a forward-scattering model of the Venus clouds. The distribution of clouds at high altitudes is constrained by measurements from the PV orbiter. Below the clouds the visible spectrum and flux levels are consistent with Venera measurements at other solar zenith angles. The variations in the optical parameters with height and with wavelength are summarized in several figures. The model is used to evaluate the solar heating rate at cloud levels as a function of altitude, solar longitude, and latitude for use in dynamical studies.     

A Light Source System of Multi-star Simulator with Adjustable Background and Controllable Magnitude

A light source of multi-star simulator capable of background adjustment and magnitude control has been designed. Two integrating spheres are employed as the star-point light source and the background light source respectively. A beam splitter prism has been designed to serve as the beam combiner for the star-point and the background light sources, and a mathematical model has been constructed respectively to compute the light flux of the two integrating spheres. A magnitude testing system and a background testing system have been created using low-light illuminometer, luminance meter, and testing instruments to measure the star-point magnitude and the background luminance of the multi-star simulator. The test results suggest that the star-point magnitude is adjustable from 0 to +5m_v, with a simulation precision superior to ±0.026m_v. The maximum background luminance is 3.8×105 cd·m-2, and the minimum background luminance is 6.4×10-2 cd·m-2. The designed light source system can meet the requirements for simulating the stellar map with a sky background.      

准直光学系统热变形对太阳模拟器性能影响研究

为了给太阳模拟器系统热管理提供可靠的技术依据,研究了准直光学系统热变形对系统性能的影响。选取项目组自主研发的高精度太阳模拟器准直光学系统作为研究对象,利用有限元软件仿真实际工作条件下各光学元件表面温度及热变形分布,将通光表面变形数据拟合为泽尼克系数导入光学设计软件中,分析热变形对系统准直角误差及辐照均匀度影响。研究结果表明:在未采取温控措施的自然对流条件下,热变形造成±1’的准直角误差和41.3%的辐照不均匀度,超出允许范围,需进行温控。通过光机集成分析法,给出了不同温度下,对流系数与热变形导致的准直角误差和辐照不均匀度对应关系,为风冷温控系统工程化设计提供了依据。