一种超敏捷无振动空间观测系统及其方法.pdf

一种超敏捷无振动空间观测系统及其方法，本发明借助各向同性的卫星系统总体设计，实现通过对系统表面单元状态的调整完成精确地指向切换和多个分散目标的快速响应，具有极高的灵活性和观测效率，可弥补目前空间观测系统的机动能力和观测效率的不足。本发明采用了天地一体化的思想，借助提出的卫星整体框架，用姿态测量和确定代替了传统的姿态控制，避免了控制执行部件带来的微振动等。这种超敏捷无振动空间观测系统可用于未来超高精度光学卫星的总体设计中。

权利要求书
1.  一种超敏捷无振动空间观测系统，其特征在于：包括球状支撑结构单元、基于柔性基底的光学可调控单元、全向感光单元、姿态稳定单元；
球状支撑结构单元为一种V60的富勒烯多面体结构，能够收缩和展开，该富勒烯多面体结构包括60个顶点、32个面和90条边，该32个面中包括20个六边形和12个五边形；
所述的富勒烯多面体结构中还包括了四根刚性支杆，每根刚性支杆的结构是一致的，均为套筒管状伸展杆，由不同直径的同轴圆管相互嵌套而成，相互嵌套的同轴圆管的直径从外到内依次减小，展开过程中，最靠内的圆管受到驱动首先背向富勒烯多面体结构的中心伸出，然后带动其外部圆管依次伸出，内、外相邻两层圆管间靠锁紧装置固连在一起，形成一个完全展开的套筒杆，作为天线；
每根刚性支杆中的不同直径的同轴圆管的直径最大的圆管的一端均固定连接于富勒烯多面体结构的中心位置的全向感光单元，全向感光单元的外壳为球形，每根刚性支杆的中段和富勒烯多面体结构的一条边固定连接，以支撑富勒烯多面体结构中的全向感光单元，每根刚性支杆与全向感光单元相连一端的延长线汇聚于球形的全向感光单元的球心上，四根刚性支杆与全向感光单元的球形外壳交点分别为正四面体的四个顶点；
在超敏捷无振动空间观测系统发射时，球状支撑结构单元呈收拢压紧状态，全向感光单元位于收紧的球状支撑结构的中心，起连接作用的刚性支杆处于收缩状态；在超敏捷无振动空间观测系统入轨后，球状支撑结构单元展开作业，在超敏捷无振动空间观测系统展开时，球状支撑结构单元带动连接全向感光单元的刚性支杆拉伸并锁定，全向感光单元被固定在球状展开体的正中央，球状支撑结构单元表面的柔性单元随之展开；
基于柔性基底的光学可调控单元，为光学可调控的多层纳米膜，覆盖贴合在富勒烯多面体结构的各面上，
基于柔性基底的光学可调控单元根据地面控制指令，选择地面目标发出的进入超敏捷无振动空间观测系统内部的入射光线方向，对入射光线起汇聚作用，并控制入射光线的出射方向，当进入超敏捷无振动空间观测系统内部的入射光线再次入射到基于柔性基底的光学可调控单元，基于柔性基底的光学可调控单元对入射光线进行反射，反射至全向感光单元，使不同方向入射光线成像在全向感光单元的不同位置，完成对地面目标的成像；
姿态稳定单元，固定安装在全向感光单元的外壳内部，用于消除超敏捷无振动空间观测系统承受的外扰动力矩，为超敏捷无振动空间观测系统提供定期的姿态稳定，姿态稳定单元仅在需要时工作。

2.  根据权利要求1所述的一种超敏捷无振动空间观测系统，其特征在于：所述刚性支杆处于收缩状态时，该超敏捷无振动空间观测系统的直径为1米。

3.  根据权利要求1所述的一种超敏捷无振动空间观测系统，其特征在于：所述球状支撑结构单元展开作业时，展开状态的球状支撑结构单元直径为5米。

4.  根据权利要求1所述的一种超敏捷无振动空间观测系统，其特征在于：所述球状支撑结构单元，是空间观测系统的主要承载单元，球状支撑结构单元的球形表面为基于柔性基底的光学可调控单元提供安装边界，同时也为基于柔性基底的光学可调控单元提供子孔径拼接。

5.  根据权利要求1所述的一种超敏捷无振动空间观测系统，其特征在于：所述基于柔性基底的光学可调控单元为一种柔性复合材质，不仅具备光线选择和控制功能，而且能够通过某种控制手段实现其透射、反射状态的切换。

6.  根据权利要求1所述的一种超敏捷无振动空间观测系统，其特征在于：所述基于柔性基底的光学可调控单元经由球状支撑结构单元分割，由分块的子单元拼接构成，随着球状支撑结构的展开而形成大口径的光学成像系统。

7.  根据权利要求1所述的一种超敏捷无振动空间观测系统，其特征在于：所述姿态稳定单元包括光纤陀螺和磁力矩器，光纤陀螺为姿态的测量部件，测量空间观测系统本体相对惯性空间的运动角速度，测量数据作为信号输入至磁力矩器，角速度达到一定阈值时通过磁力矩器工作来消除整个系统承受的外扰动力矩，为空间观测系统提供定期的姿态稳定；磁力矩器起阻尼器的作用。

8.  一种超敏捷无振动空间观测方法，其特征在于步骤如下：
(1)当超敏捷无振动空间观测系统发射入轨后和在外扰动力矩的作用下角速度达到一定阈值时，超敏捷无振动空间观测系统首先通过光纤陀螺测量超敏捷无振动空间观测系统自身的角速度，读取光纤陀螺的数据后通过使用磁力矩器稳定该超敏捷无振动空间观测系统的自身姿态，直至满足阈值要求后，磁力矩器停止工作，以使该超敏捷无振动空间观测系统处于姿态稳定状态；
(2)当超敏捷无振动空间观测系统处于姿态稳定状态时，超敏捷无振动空间观测系统依次调整球状支撑结构的32个面即32个覆膜窗口为导向汇聚状态，全向感光单元依次对32个窗口入射的目标成像；
(3)超敏捷无振动空间观测系统根据步骤(2)的成像，粗略判断出星空方位，根据星空方位确定目标星体入射的覆膜窗口，将这些覆膜窗口的状态均调整为导向汇聚状态，目标星体发出的光线经由这些状态均调整为导向汇聚状态的覆膜窗口进入超敏捷无振动空间观测系统内部在全向感光单元成像；
(4)超敏捷无振动空间观测系统根据步骤(3)的全向感光单元成像，提取目标星体的位置信息后，确定出超敏捷无振动空间观测系统的当前姿态；
(5)根据步骤(4)的超敏捷无振动空间观测系统的当前姿态和地面控制指令，使地面观测目标发出的光线在第一次到达球状支撑结构的表面的薄膜呈现导向汇聚功能，同时使地面观测目标发出的光线第二次到达球状支撑结构表面的薄膜呈现反射功能，地面观测目标发出的光线通过导向汇聚功能的薄膜的作用进入球状支撑结构内部，再经过反射功能的薄膜的作用进入全向感光单元，完成地面观测目标的成像。

说明书一种超敏捷无振动空间观测系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种超敏捷无振动空间观测系统，特别是一种超敏捷、免控制、无振动的空间观测系统，属于遥感卫星总体设计领域。
背景技术
随着空间观测技术的快速发展，卫星上携带探测仪器的性能和精度越来越高。为了实现高分辨率的对地观测，遥感卫星的有效载荷焦距越来越长，口径越来越大，这就使得卫星对微振动的敏感性越来越高，这也成为制约遥感卫星性能提高的重要因素之一。由于卫星搭载的各类运动部件(如动量轮等高速转动部件，太阳翼驱动机构等步进部件、变轨调姿发动机等喷气部件)正常工作时会给卫星本体带来微幅的振动，这些微幅的振动会使空间相机拍摄的高分辨率图像变模糊，从而降低系统性能指标，为保证并提高成像质量，国外自上世纪90年代开始对具有高精度指向并能消除振动噪声的有效载荷搭载平台进行研究以满足未来航天任务的需求，这种平台称为“超静平台”，这类平台一般采取对振源进行隔振或对有效载荷进行隔振的方式减小振源传递至相机等载荷的振动量级，达到隔振的目的。该类平台中一部分仅能对星体振动进行隔离，对载荷运动部件产生的振动缺乏有效的抑制，另一部分可以抑制载荷振动，但对载荷振动的衰减速度较慢。目前现有的超静平台仍然不能完全消除运动部件对星体带来的振动，而且平台的精确指向能力不满足目前精度越来越高的对地观测系统的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有系统的缺点和不足，提出一种超敏捷无振动空间观测系统，解决了高精度遥感卫星在微振动方面所遇到的问题，本发明的技术解决问题能够提供高精度的地面指向，而且无控制部件，有效的 避免控制部件带来的微振动，满足灵活机动观测应用需求和高精度成像卫星对指向精度和微振动抑制的需求。
本发明的技术解决方案是：一种超敏捷无振动空间观测系统，包括球状支撑结构单元、基于柔性基底的光学可调控单元、全向感光单元、姿态稳定单元；
球状支撑结构单元为一种V60的富勒烯多面体结构，能够收缩和展开，该富勒烯多面体结构包括60个顶点、32个面和90条边，该32个面中包括20个六边形和12个五边形；
所述的富勒烯多面体结构中还包括了四根刚性支杆，每根刚性支杆的结构是一致的，均为套筒管状伸展杆，由不同直径的同轴圆管相互嵌套而成，相互嵌套的同轴圆管的直径从外到内依次减小，展开过程中，最靠内的圆管受到驱动首先背向富勒烯多面体结构的中心伸出，然后带动其外部圆管依次伸出，内、外相邻两层圆管间靠锁紧装置固连在一起，形成一个完全展开的套筒杆，作为天线；
每根刚性支杆中的不同直径的同轴圆管的直径最大的圆管的一端均固定连接于富勒烯多面体结构的中心位置的全向感光单元，全向感光单元的外壳为球形，每根刚性支杆的中段和富勒烯多面体结构的一条边固定连接，以支撑富勒烯多面体结构中的全向感光单元，每根刚性支杆与全向感光单元相连一端的延长线汇聚于球形的全向感光单元的球心上，四根刚性支杆与全向感光单元的球形外壳交点分别为正四面体的四个顶点；
在超敏捷无振动空间观测系统发射时，球状支撑结构单元呈收拢压紧状态，全向感光单元位于收紧的球状支撑结构的中心，起连接作用的刚性支杆处于收缩状态；在超敏捷无振动空间观测系统入轨后，球状支撑结构单元展开作业，在超敏捷无振动空间观测系统展开时，球状支撑结构单元带动连接全向感光单元的刚性支杆拉伸并锁定，全向感光单元被固定在球状展开体的正中央，球状支撑结构单元表面的柔性单元随之展开；
基于柔性基底的光学可调控单元，为光学可调控的多层纳米膜，覆盖贴合 在富勒烯多面体结构的各面上，
基于柔性基底的光学可调控单元根据地面控制指令，选择地面目标发出的进入超敏捷无振动空间观测系统内部的入射光线方向，对入射光线起汇聚作用，并控制入射光线的出射方向，当进入超敏捷无振动空间观测系统内部的入射光线再次入射到基于柔性基底的光学可调控单元，基于柔性基底的光学可调控单元对入射光线进行反射，反射至全向感光单元，使不同方向入射光线成像在全向感光单元的不同位置，完成对地面目标的成像；
姿态稳定单元，固定安装在全向感光单元的外壳内部，用于消除超敏捷无振动空间观测系统承受的外扰动力矩，为超敏捷无振动空间观测系统提供定期的姿态稳定，姿态稳定单元仅在需要时工作。
所述刚性支杆处于收缩状态时，该超敏捷无振动空间观测系统的直径为1米。
所述球状支撑结构单元展开作业时，展开状态的球状支撑结构单元直径为5米。
所述球状支撑结构单元，是空间观测系统的主要承载单元，球状支撑结构单元的球形表面为基于柔性基底的光学可调控单元提供安装边界，同时也为基于柔性基底的光学可调控单元提供子孔径拼接。
所述基于柔性基底的光学可调控单元为一种柔性复合材质，不仅具备光线选择和控制功能，而且能够通过某种控制手段实现其透射、反射状态的切换。
所述基于柔性基底的光学可调控单元经由球状支撑结构单元分割，由分块的子单元拼接构成，随着球状支撑结构的展开而形成大口径(直径4-5米)的光学成像系统。
所述姿态稳定单元包括光纤陀螺和磁力矩器，光纤陀螺为姿态的测量部件，测量空间观测系统本体相对惯性空间的运动角速度，测量数据作为信号输入至磁力矩器，角速度达到一定阈值时通过磁力矩器工作来消除整个系统承受的外 扰动力矩，为空间观测系统提供定期的姿态稳定；磁力矩器起阻尼器的作用。
一种超敏捷无振动空间观测方法，步骤如下：
(1)当超敏捷无振动空间观测系统发射入轨后和在外扰动力矩的作用下角速度达到一定阈值时，超敏捷无振动空间观测系统首先通过光纤陀螺测量超敏捷无振动空间观测系统自身的角速度，读取光纤陀螺的数据后通过使用磁力矩器稳定该超敏捷无振动空间观测系统的自身姿态，直至满足阈值要求后，磁力矩器停止工作，以使该超敏捷无振动空间观测系统处于姿态稳定状态；
(2)当超敏捷无振动空间观测系统处于姿态稳定状态时，超敏捷无振动空间观测系统依次调整球状支撑结构的32个面即32个覆膜窗口为导向汇聚状态，全向感光单元依次对32个窗口入射的目标成像；
(3)超敏捷无振动空间观测系统根据步骤(2)的成像，粗略判断出星空方位，根据星空方位确定目标星体入射的覆膜窗口，将这些覆膜窗口的状态均调整为导向汇聚状态，目标星体发出的光线经由这些状态均调整为导向汇聚状态的覆膜窗口进入超敏捷无振动空间观测系统内部在全向感光单元成像；
(4)超敏捷无振动空间观测系统根据步骤(3)的全向感光单元成像，提取目标星体的位置信息后，确定出超敏捷无振动空间观测系统的当前姿态；
(5)根据步骤(4)的超敏捷无振动空间观测系统的当前姿态和地面控制指令，使地面观测目标发出的光线在第一次到达球状支撑结构的表面的薄膜呈现导向汇聚功能，同时使地面观测目标发出的光线第二次到达球状支撑结构表面的薄膜呈现反射功能，地面观测目标发出的光线通过导向汇聚功能的薄膜的作用进入球状支撑结构内部，再经过反射功能的薄膜的作用进入全向感光单元，完成地面观测目标的成像。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过球状支撑结构单元和基于柔性基底的光学可调控单元相互配合，构成了一种子孔径拼接式的光学结构，这种光学结构易于形成大通光口径，适用于高分辨率要求的对地观测系统设计。
(2)本发明通过球状支撑结构单元、基于柔性基底的光学可调控单元和全向感光单元的相互配合，实现了对超敏捷无振动空间观测系统入射光线方向的选择，在不需要调整卫星姿态的情况下即可实现系统观测方向的快速切换，便于实现分散目标的快速响应。
(3)本发明通过球状支撑结构单元和全向感光单元的各向同性特点，只对系统进行姿态的测量、确定和速率阻尼后即可实施对地观测，突破了以往在高精度对地观测系统中由姿态控制系统进行姿态指向精确控制的设计模式。
(4)本发明针对高精度对地观测系统的特点和要求，借鉴各向一致性的系统设计思路，取消传统系统的运动部件，仅采用磁力矩器在需要时实施速率阻尼，且在系统执行对地观测任务时磁力矩器也不工作，完全避免了运动部件带来的微振动等问题。
附图说明
图1为本发明的球形支撑结构实现图；
图2为本发明的空间观测系统收拢状态示意图；
图3为本发明的空间观测系统展开状态示意图；
图4为本发明的空间观测系统成像光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
在本发明的一种实施例中，如图1所示，一种超敏捷无振动空间观测系统，包括球状支撑结构单元、基于柔性基底的光学可调控单元、全向感光单元、姿态稳定单元。
球状支撑结构单元为一种V60的富勒烯多面体结构，能够收缩和展开，该富勒烯多面体结构包括60个顶点、32个面和90条边，该32个面中包括20个六边形和12个五边形。
所述的富勒烯多面体结构中还包括了四根刚性支杆，每根刚性支杆的结构是一致的，均为套筒管状伸展杆，由不同直径的同轴圆管相互嵌套而成，如图 2所示，1为套筒管状伸展杆，相互嵌套的同轴圆管的直径从外到内依次减小，展开过程中，最靠内的圆管受到驱动首先背向富勒烯多面体结构的中心伸出，然后带动其外部圆管依次伸出，内、外相邻两层圆管间靠锁紧装置固连在一起，形成一个完全展开的套筒杆，作为天线，如图3所示，1为展开后的套筒管状伸展杆。
每根刚性支杆中的不同直径的同轴圆管的直径最大的圆管的一端均固定连接于富勒烯多面体结构的中心位置的全向感光单元，全向感光单元的外壳为球形，每根刚性支杆的中段和富勒烯多面体结构的一条边固定连接，以支撑富勒烯多面体结构中的全向感光单元，每根刚性支杆与全向感光单元相连一端的延长线汇聚于球形的全向感光单元的球心上，四根刚性支杆与全向感光单元的球形外壳交点分别为正四面体的四个顶点。
球状支撑结构单元，是空间观测系统的主要承载单元，在超敏捷无振动空间观测系统发射时，球状支撑结构单元呈收拢压紧状态，如图2所示，全向感光单元位于收紧的球状支撑结构的中心，起连接作用的刚性支杆处于收缩状态，整个空间观测系统的直径为1米；在超敏捷无振动空间观测系统入轨后，球状支撑结构单元展开作业，如图3所示，展开直径可达5米，在超敏捷无振动空间观测系统展开时，球状支撑结构单元带动连接全向感光单元的刚性支杆拉伸并锁定，全向感光单元被固定在球状展开体的正中央，球状支撑结构单元表面的柔性单元随之展开。
基于柔性基底的光学可调控单元，为光学可调控的多层纳米膜，覆盖贴合在富勒烯多面体结构的各面上，球状支撑结构单元的球形表面为基于柔性基底的光学可调控单元提供安装边界，同时也为基于柔性基底的光学可调控单元提供子孔径拼接，随着球状支撑结构的展开而形成大口径(直径4-5米)的光学成像系统。
基于柔性基底的光学可调控单元为一种柔性复合材质，不仅具备光线选择和控制功能，而且能够通过某种控制手段实现其透射、反射状态的切换。基于 柔性基底的光学可调控单元可采用电致变色材料，它可以实现光线的选择和控制功能，材料在电场作用下，发生离子与电子的共注入与共抽取，使材料的价态与化学组份发生可逆变化，从而导致材料的光透射和光反射特性发生可逆改变。衍射光学元件可以实现光线的选择和控制功能，利用厚度为波长量级的表面浮雕结构对光波进行控制，将衍射光学元件制作在几十微米的薄膜基底上，从而使该薄膜具有衍射光学元件的特性，通过结合点致变色材料和衍射光学元件二者的特性，能够实现柔性材料的光学可调控功能。基于柔性基底的光学可调控单元根据地面控制指令，选择地面目标发出的进入超敏捷无振动空间观测系统内部的入射光线方向，对入射光线起汇聚作用，并控制入射光线的出射方向，当进入超敏捷无振动空间观测系统内部的入射光线再次入射到基于柔性基底的光学可调控单元，基于柔性基底的光学可调控单元对入射光线进行反射，反射至全向感光单元，使不同方向入射光线成像在全向感光单元的不同位置，完成对地面目标的成像，如图4所示。
姿态稳定单元，固定安装在全向感光单元的外壳内部，用于消除超敏捷无振动空间观测系统承受的外扰动力矩，为超敏捷无振动空间观测系统提供定期的姿态稳定。姿态稳定单元包括光纤陀螺和磁力矩器，光纤陀螺为姿态的测量部件，测量空间观测系统本体相对惯性空间的运动角速度，测量数据作为信号输入至磁力矩器，角速度达到一定阈值时通过磁力矩器工作来消除整个系统承受的外扰动力矩，为空间观测系统提供定期的姿态稳定；磁力矩器起阻尼器的作用。姿态稳定单元仅在需要时工作。