郝云彩，王大軼

(1.北京控制工程研究所，北京 100190;2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

著名的美國(guó)DS-1火星探測(cè)器于1999年4月成功結(jié)束了其飛行任務(wù)，驗(yàn)證了20項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，其中一項(xiàng)重要的技術(shù)是光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)［1-2］.此后，深空光學(xué)自主導(dǎo)航就由理論方法研究走向了工程實(shí)際應(yīng)用.目前深空自主導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)由傳統(tǒng)的地面測(cè)量向基于探測(cè)器自身攜帶光學(xué)自主導(dǎo)航敏感器的自主導(dǎo)航方向發(fā)展，光學(xué)自主導(dǎo)航已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外深空自主導(dǎo)航發(fā)展趨勢(shì)［3］.

深空自主導(dǎo)航敏感器一般分為3類:一是巡航段自主導(dǎo)航敏感器，它在地球啟程奔向深空目標(biāo)的巡航段通過(guò)觀測(cè)多顆小行星角方位，通過(guò)濾波計(jì)算自主確定飛行探測(cè)器在地球慣性坐標(biāo)系中的位置和速度;二是避障和著陸自主導(dǎo)航敏感器，用于深空著陸尋地的成像識(shí)別與著陸導(dǎo)航敏感器;三是環(huán)天體自主導(dǎo)航敏感器，指環(huán)繞深空天體飛行的自主環(huán)繞導(dǎo)航敏感器.本文討論的是第一種類型.

經(jīng)過(guò)項(xiàng)目調(diào)研，了解了近年來(lái)國(guó)際上對(duì)深空巡航光學(xué)自主導(dǎo)航敏感器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用狀況，其中與本文所述類型相近，且見(jiàn)諸報(bào)道的主要有以下表1所列幾種類型.

表1 近年來(lái)國(guó)外主要巡航段自主導(dǎo)航光學(xué)敏感器Tab.1 Some of main overseas optical sensors for autonomous navigation on cruise phase in the recent years

從表1可見(jiàn)，深空光學(xué)導(dǎo)航敏感器的共同特點(diǎn)是焦距長(zhǎng)、視場(chǎng)小、精度高，針對(duì)不同深空探測(cè)任務(wù)的具體需要，美國(guó)、歐空局等發(fā)展了一系列的光學(xué)導(dǎo)航敏感器，已經(jīng)具備了比較成熟的深空探測(cè)光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)，導(dǎo)航敏感器精度高達(dá)2μrad(0.41″).

本文首次闡述了所研制的光學(xué)導(dǎo)航敏感器原型樣機(jī)設(shè)計(jì)、研制情況和關(guān)鍵指標(biāo)驗(yàn)證問(wèn)題.

1 光學(xué)導(dǎo)航敏感器的特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)分解

1.1 用于深空自主導(dǎo)航的光學(xué)敏感器特點(diǎn)

與其他航天器姿態(tài)和導(dǎo)航測(cè)量敏感器相比較，深空自主導(dǎo)航光學(xué)敏感器的特點(diǎn)如下:

(1)觀測(cè)量為小行星或者天體表面特征;

(2)具有較高的探測(cè)極限靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍;

(3)優(yōu)于1″的測(cè)量精度;

(4)長(zhǎng)焦距和小視場(chǎng)角;

(5)長(zhǎng)曝光時(shí)間帶來(lái)復(fù)雜的目標(biāo)像拖影;

(6)更高的消雜光技術(shù)要求.

1.2 光學(xué)自主導(dǎo)航敏感器原型樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)及其分解

表2為經(jīng)過(guò)論證的光學(xué)導(dǎo)航敏感器原理樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)及其分解.

2 光學(xué)系統(tǒng)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)選型

深空光學(xué)導(dǎo)航敏感器光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)常選擇折反式和反射式.折反式因其消色差和復(fù)消色在設(shè)計(jì)難度、鏡頭重量、材料和造價(jià)上的劣勢(shì)一般很少采用.考慮了折反式和反射式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際要求，選擇折反式.因其在設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)、小尺寸下大視場(chǎng)角等方面具有較大優(yōu)勢(shì).如圖1所示，選擇的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式是一種類施密特 －卡塞格林系統(tǒng)［4-5］，但是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，其特點(diǎn)是除了保護(hù)窗兼作施密特校正板是1個(gè)高次非球面外，其余光學(xué)面均為球面，且窗口玻璃為平板，便于修磨、安裝和調(diào)試，且低成本.如圖1所示.

表2 光學(xué)導(dǎo)航敏感器原理樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)及其指標(biāo)分解Tab.2 Technical specification and its details of the ONS’s prototype example

圖1 深空光學(xué)導(dǎo)航敏感器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式Fig.1 Optical layout of the ONS’s optical system

2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

經(jīng)過(guò)基于三級(jí)像差理論的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)解算，根據(jù)技術(shù)性能指標(biāo)，反復(fù)像差平衡和系統(tǒng)優(yōu)化，得到了滿足設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)結(jié)果.其中最大光學(xué)畸變?cè)O(shè)計(jì)值為1.3μm，畸變圖如圖2所示，得到的MTF曲線如圖3所示，這是已經(jīng)考過(guò)樣板之后的結(jié)果，并得到100%概率下MTF平均值大于0.45的公差分配，參見(jiàn)圖4.消雜光方案采用2個(gè)內(nèi)部遮光罩和1個(gè)外部遮光罩完成消雜光設(shè)計(jì).

圖4 光學(xué)系統(tǒng)公差MTFFig.4 The MTF curves vs optical system tolerances

2.3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有主鏡部件、次鏡部件、非球面窗口部件、遮光罩、CCD接口等幾部分組成，零件約30余件，材料選擇考慮光機(jī)匹配和熱補(bǔ)償效應(yīng)，主體鏡筒采用鈦合金材料，反射鏡片采用熔石英玻璃，按照環(huán)境力學(xué)要求進(jìn)行全面的光機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)分析，各結(jié)構(gòu)零件均按光機(jī)要求完成了加工和表面處理等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，加工實(shí)物圖如圖6所示.這部分工作是與蘇州大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)研究所協(xié)作完成的.

3 整機(jī)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研制

以鏡頭承力的結(jié)構(gòu)布局方案要求鏡頭結(jié)構(gòu)既要光學(xué)穩(wěn)定又要承受發(fā)射力學(xué)條件，所以將比較重，而且將來(lái)安裝也不方便.為此本文提出了一種模塊集成一體化的結(jié)構(gòu)布局方案，如圖7所示.主體結(jié)構(gòu)由3部分模塊集成，包括鏡頭模塊、支撐模塊和電路盒模塊.

這一方案要求:保證鏡頭結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性;保證鏡頭結(jié)構(gòu)安裝法蘭面位于鏡頭質(zhì)心;支撐結(jié)構(gòu)保證整機(jī)力學(xué)條件下的剛度、強(qiáng)度和整機(jī)散熱通道;基準(zhǔn)鏡安裝在鏡頭之上，探測(cè)器安裝在鏡頭后端結(jié)構(gòu)上;電路盒保證自身的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，保證電路板內(nèi)部連接方便和電磁兼容性，保證散熱通道和熱控方便，保證接插件位置使用方便合理;整機(jī)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行力學(xué)有限元分析，確認(rèn)設(shè)計(jì)合理和正確，再進(jìn)行優(yōu)化減重處理.實(shí)際研制的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8所示.

4 電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子學(xué)系統(tǒng)主要包括CCD圖像采集電路和數(shù)據(jù)處理單元(DPU)電路兩大部分，前者主要包括差分去直流、兩次放大、增益變換、采樣保持、AD轉(zhuǎn)換、內(nèi)部接口等子電路;后者主要包括DSP板電路、圖像采集板電路、二次電源電路.電子學(xué)系統(tǒng)工作原理圖如圖9所示.其中DSP板的工作原理圖如圖10所示.

實(shí)際原理樣機(jī)系統(tǒng)中CCD相機(jī)通過(guò)DPU輸出視頻圖像還采用了Camera Link接口，通過(guò)安裝于PC中的圖像采集卡進(jìn)行視頻圖像的采集與處理.

5 信息處理算法的設(shè)計(jì)

光學(xué)自主導(dǎo)航敏感器的信息處理算法主要是通過(guò)對(duì)所攝取的小行星及其周邊的恒星圖像進(jìn)行處理，獲取小行星在測(cè)量時(shí)刻的慣性空間指向.由于小行星及其周邊恒星星等較高，能量很弱，因此所需曝光時(shí)間很長(zhǎng)，一般在幾秒到幾十秒，由于深空探測(cè)器的姿態(tài)指向在曝光時(shí)間內(nèi)發(fā)生慢變，因此使得小行星星圖呈現(xiàn)“拖尾”復(fù)雜形狀，因此其處理算法與普通星敏感器有很大區(qū)別，也是制約敏感器精度提高的一個(gè)關(guān)鍵因素.

深空光學(xué)自主導(dǎo)航敏感器信息處理算法主要包括圖像預(yù)處理、匹配和交叉相關(guān)、角距計(jì)算、星圖識(shí)別等幾個(gè)模塊，如圖11所示.

圖11 信息處理算法流程Fig.11 Flow diagram of the information processing

圖12是一個(gè)衛(wèi)星姿態(tài)慢變下的小行星和恒星在光學(xué)導(dǎo)航敏感器像平面上掃過(guò)的仿真軌跡，通過(guò)圖像與處理得到同一濾波算法下的各個(gè)軌跡節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)行匹配和交叉相關(guān)運(yùn)算，得到各個(gè)有效節(jié)點(diǎn)之間的角距，通過(guò)星圖識(shí)別算法得到小行星在慣性空間的指向，其物理實(shí)驗(yàn)仿真精度達(dá)到0.2″(1σ)，運(yùn)用有助于精度提高的插值法和模板濾波算法，采用亞像元提取方法確定節(jié)點(diǎn)位置.

圖12 長(zhǎng)曝光下的采集的動(dòng)態(tài)星圖Fig.12 Dynamic star map captured in long exposing time

6 技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)

深空導(dǎo)航光學(xué)敏感器原理樣機(jī)研制完成后，對(duì)其整機(jī)進(jìn)行了技術(shù)指標(biāo)測(cè)試和性能驗(yàn)證試驗(yàn).主要驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3.

在以上諸多技術(shù)指標(biāo)測(cè)量中，其他指標(biāo)均可按照通常的測(cè)量方法完成，唯獨(dú)精度指標(biāo)的測(cè)量必須采用專門研制的測(cè)量設(shè)備，限于篇幅在此僅簡(jiǎn)介精度測(cè)量方法.其原理如圖13所示，其實(shí)物如圖14所示，該設(shè)備是與長(zhǎng)春理工大學(xué)協(xié)作完成.

表3 參數(shù)指標(biāo)以及驗(yàn)證方法Tab.3 Parameters and validated methods

測(cè)量精度涵蓋了兩方面的誤差:一是敏感器靜態(tài)星點(diǎn)成像誤差;二是星點(diǎn)動(dòng)態(tài)成像處理算法誤差.

敏感器靜態(tài)星點(diǎn)成像誤差是通過(guò)敏感器標(biāo)定后，利用標(biāo)準(zhǔn)星點(diǎn)網(wǎng)格目標(biāo)作為比測(cè)量，采用實(shí)際標(biāo)定模型在全視場(chǎng)范圍內(nèi)對(duì)于網(wǎng)格覆蓋各種視場(chǎng)的網(wǎng)格點(diǎn)組合進(jìn)行敏感器成像測(cè)量，得到多組敏感器成像測(cè)量的角距值均方差σ1，其均值與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格上標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)角距值非常接近，遠(yuǎn)小于敏感器精度要求，可以忽略.由于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格上標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)角距測(cè)量值均方差為σ2，得到敏感器星點(diǎn)靜態(tài)成像的誤差不大于σ1+σ2.

星點(diǎn)動(dòng)態(tài)成像處理算法誤差主要采用動(dòng)態(tài)星圖仿真處理的方法，計(jì)算同一幅星圖在不同指向下的算法精度或者同一個(gè)指向不同星點(diǎn)動(dòng)態(tài)成像仿真后的算法精度，用σ3表示.

敏感器最終的精度可表示為:

在測(cè)試試驗(yàn)中，得到 σ1=0.2″;σ2=0.183″;σ3=0.2″，按照上式計(jì)算得:σ =0.432″.

7 結(jié)論

本文在國(guó)內(nèi)首次討論了深空自主導(dǎo)航光學(xué)敏感器的設(shè)計(jì)和研制問(wèn)題，提出了其光學(xué)設(shè)計(jì)、整機(jī)結(jié)構(gòu)、電子學(xué)、信息處理算法等關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)途徑和方案，并在課題組的共同努力下，完成了原理樣機(jī)的研制，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，為未來(lái)我國(guó)深空探測(cè)自主導(dǎo)航任務(wù)的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和工程基礎(chǔ).

［1］ Rayman M.Results from the Deep Space 1 technology validation mission［C］.IAF，the 50thInternational Astronautical Congress，Amsterdam，Netherlands，Oct.4-8，1999

［2］ Rayman M D，Varghese P.The Deep Space 1 extended mission［C］.IAF，the 51stInternational Astronautical Congress，Rio de Janeiro，Brazil，Oct.2-6，2000

［3］ Wright J A，Hilton R J.Multispectral image capture and archival system(MICAS)system description［R］.ADA291393

［4］ Stauder J L.Off-axis scatter measurement of the mars reconnaissance orbiter(MRO)optical navigation camera(ONC)［C］.SPIE 58740L，Bellingham，WA，2005

［5］ 潘君驊.一種新型泛卡塞格林系統(tǒng)［J］.光學(xué)精密工程，2003，11(5):438-441 Pan J H.New pan-Cassegrain telescope system［J］.Optics and Precision Engineering，2003，11(5):438-441