一种实现太阳捕获、精密跟踪和精密稳像的方法

1.本发明涉及对日观测领域，具体而言，涉及一种实现太阳捕获、精密跟踪和精密稳像的方法。


背景技术：

2.太阳是距离地球最近的恒星，也是地球能量的主要来源，其变化和演变过程对地球影响非常大，影响地球的空间环境，影响地球的磁场分布，影响地球的气候变化，甚至影响地球的气象变化。因此，需要对太阳进行长期、高空间分辨率的成像监测，获得太阳高分辨率光谱分布，获得太阳高分辨率图像。尤其是监测对太阳变化敏感的x射线和极紫外波段，对早期和准确的预报和预警空间天气变化有非常重要的意义。以往的太阳成像观测仪器均安装在太阳同步轨道空间平台上，卫星平台保证对日三轴稳定，实现对日捕获、跟踪和稳像。在对地三轴稳定的极轨卫星上，没有安装对日跟踪、稳像的太阳成像仪；没有从太阳矢量计算到亚角秒指向精度的方案。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种实现太阳捕获、精密跟踪和精密稳像的方法，以至少解决现有太阳跟踪和稳像方法精度低的技术问题。
4.根据本发明的实施例，提供了一种实现太阳捕获、精密跟踪和精密稳像的方法，包括以下步骤：
5.在极轨卫星平台上安装太阳成像仪；
6.利用极轨卫星平台在轨道上任意位置的太阳矢量数据，再根据太阳成像仪的位置坐标，计算得到太阳成像仪光轴相对太阳的偏差，
7.通过太阳成像仪光轴相对太阳的偏差调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构。
8.进一步地，通过太阳成像仪光轴相对太阳的偏差调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构包括：
9.将太阳成像仪光轴初步指向太阳中心；
10.将太阳指向数据切换到太阳成像仪自带的高精度太阳指向导行镜，利用太阳指向数据继续进行搜寻，将太阳成像仪光轴指向太阳中心；
11.利用太阳指向导行镜数据，将太阳成像仪指向太阳中心。
12.进一步地，通过太阳成像仪光轴相对太阳的偏差调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构具体包括：
13.将太阳成像仪光轴初步指向太阳中心，通常指向偏差较大，在0.2
°
量级范围；
14.将太阳指向数据切换到太阳成像仪自带的高精度太阳指向导行镜，利用太阳指向数据继续进行搜寻，将太阳成像仪光轴指向太阳中心，通常在几百角秒范围内；
15.利用太阳指向导行镜数据，将太阳成像仪指向太阳中心，达到几个角秒偏差范围，此时指向调整完成，太阳成像仪指向太阳中心位置，指向精度角秒水平。
16.进一步地，通过太阳成像仪光轴相对太阳的偏差调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构包括：
17.利用卫星平台提供的实时太阳矢量数据，计算出卫星平台光轴对太阳的指向偏差，此时卫星平台粗略的指向太阳；
18.根据导行镜对日指向数据和太阳成像仪的对日指向调整功能，搜索太阳，直到太阳进入导行镜的视场范围；
19.根据太阳所在导行镜的视场中的精确位置，计算相对太阳中心的偏差，调整太阳成像仪对日指向机构，使得太阳成像仪准确指向太阳；
20.再根据导行镜中太阳的精确位置，调整太阳成像仪中的精密指向机构。
21.进一步地，通过太阳成像仪光轴相对太阳的偏差调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构具体包括：
22.根据导行镜对日指向数据和太阳成像仪的对日指向调整功能，搜索太阳，直到太阳进入导行镜的视场范围，视场范围约为角分量级；
23.根据太阳所在导行镜的视场中的精确位置，计算相对太阳中心的偏差，调整太阳成像仪对日指向机构，使得太阳成像仪准确指向太阳，指向精度在几个角秒范围；
24.再根据导行镜中太阳的精确位置，调整太阳成像仪中的精密指向机构。
25.进一步地，其中调整太阳成像仪中的精密指向机构时，太阳成像仪的对日指向精度为亚角秒，对卫星平台的指向扰动非常敏感，太阳成像仪采用自带的稳像机构，实时调整对日稳像，保持长期指向稳定在亚角秒精度范围。
26.进一步地，其中调整太阳成像仪对日指向机构时，调整次镜指向或主镜指向，使得太阳成像仪对日指向精度达亚角秒精度。
27.进一步地，方法具体包括：
28.根据极轨卫星与太阳的矢量关系，计算相对位置，寻找太阳，达到0.15
°
的精度；
29.利用二维指向机构和编码器，计算位置，跟踪太阳；
30.利用太阳导行镜数据，与二维指向机构闭环，跟踪太阳，达到200
″
精度；
31.高精度太阳指向传感器给出精密太阳位置，再精密跟踪太阳；
32.再由高精度、高采样率的太阳指向传感器提供的太阳精密指向偏差信号，实时修正对日指向偏差。
33.进一步地，方法具体包括：
34.在对地三轴稳定平台上安装精密对日太阳成像仪，实现亚角秒级对日指向精度；
35.利用太阳初步计算得到太阳相对太阳成像仪的位置；
36.根据初步计算的太阳位置，利用太阳成像仪自带的对日指向机构，搜索和捕捉太阳，使其进入导行镜视场范围；
37.利用导行镜精密对日指向数据，调整跟踪平台，实现角秒量级对日指向；
38.利用导行镜精密对日指向数据，调整太阳成像仪精密指向机构，实现对日指向亚角秒精度；
39.利用导行镜精密对日指向数据，实时调整稳像机构，保持在几十秒曝光时间范围内，指向精度在亚角秒范围内。
40.进一步地，极轨卫星平台为对地球三轴稳定的极轨卫星平台。
41.本发明实施例中的实现太阳捕获、精密跟踪和精密稳像的方法，针对对地球三轴稳定的极轨卫星平台，利用卫星平台在轨道上任意位置的太阳矢量数据，再根据太阳成像仪的位置坐标，计算得到太阳成像仪光轴相对太阳的偏差，调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构，实现太阳成像仪对太阳捕获、精密跟踪和精密稳像。
附图说明
42.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
43.图1为本发明中卫星平台指向调整范围、精度示意图；
44.图2为本发明中仪器在卫星平台上的位置图；
45.图3为本发明中太阳矢量的视场范围图；
46.图4为本发明中太阳矢量计算得到的对日指向精度图。
具体实施方式
47.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
48.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
49.根据本发明的实施例，提供了一种实现太阳捕获、精密跟踪和精密稳像的方法，包括以下步骤：
50.在极轨卫星平台上安装太阳成像仪；
51.利用极轨卫星平台在轨道上任意位置的太阳矢量数据，再根据太阳成像仪的位置坐标，计算得到太阳成像仪光轴相对太阳的偏差，
52.通过太阳成像仪光轴相对太阳的偏差调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构。
53.本发明实施例中的实现太阳捕获、精密跟踪和精密稳像的方法，针对对地球三轴稳定的极轨卫星平台，利用卫星平台在轨道上任意位置的太阳矢量数据，再根据太阳成像仪的位置坐标，计算得到太阳成像仪光轴相对太阳的偏差，调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构，实现太阳成像仪对太阳捕获、精密跟踪和精密稳像。
54.其中，通过太阳成像仪光轴相对太阳的偏差调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构包括：
55.将太阳成像仪光轴初步指向太阳中心；
56.将太阳指向数据切换到太阳成像仪自带的高精度太阳指向导行镜，利用太阳指向数据继续进行搜寻，将太阳成像仪光轴指向太阳中心；
57.利用太阳指向导行镜数据，将太阳成像仪指向太阳中心。
58.其中，通过太阳成像仪光轴相对太阳的偏差调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构具体包括：
59.将太阳成像仪光轴初步指向太阳中心，通常指向偏差较大，在0.2
°
量级范围；
60.将太阳指向数据切换到太阳成像仪自带的高精度太阳指向导行镜，利用太阳指向数据继续进行搜寻，将太阳成像仪光轴指向太阳中心，通常在几百角秒范围内；
61.利用太阳指向导行镜数据，将太阳成像仪指向太阳中心，达到几个角秒偏差范围，此时指向调整完成，太阳成像仪指向太阳中心位置，指向精度角秒水平。
62.其中，通过太阳成像仪光轴相对太阳的偏差调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构包括：
63.利用卫星平台提供的实时太阳矢量数据，计算出卫星平台光轴对太阳的指向偏差，此时卫星平台粗略的指向太阳；
64.根据导行镜对日指向数据和太阳成像仪的对日指向调整功能，搜索太阳，直到太阳进入导行镜的视场范围；
65.根据太阳所在导行镜的视场中的精确位置，计算相对太阳中心的偏差，调整太阳成像仪对日指向机构，使得太阳成像仪准确指向太阳；
66.再根据导行镜中太阳的精确位置，调整太阳成像仪中的精密指向机构。
67.其中，通过太阳成像仪光轴相对太阳的偏差调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构具体包括：
68.根据导行镜对日指向数据和太阳成像仪的对日指向调整功能，搜索太阳，直到太阳进入导行镜的视场范围，视场范围约为角分量级；
69.根据太阳所在导行镜的视场中的精确位置，计算相对太阳中心的偏差，调整太阳成像仪对日指向机构，使得太阳成像仪准确指向太阳，指向精度在几个角秒范围；
70.再根据导行镜中太阳的精确位置，调整太阳成像仪中的精密指向机构。
71.其中，其中调整太阳成像仪中的精密指向机构时，太阳成像仪的对日指向精度为亚角秒，对卫星平台的指向扰动非常敏感，太阳成像仪采用自带的稳像机构，实时调整对日稳像，保持长期指向稳定在亚角秒精度范围。
72.其中，其中调整太阳成像仪对日指向机构时，调整次镜指向或主镜指向，使得太阳成像仪对日指向精度达亚角秒精度。
73.其中，方法具体包括：
74.根据极轨卫星与太阳的矢量关系，计算相对位置，寻找太阳，达到0.15
°
的精度；
75.利用二维指向机构和编码器，计算位置，跟踪太阳；
76.利用太阳导行镜数据，与二维指向机构闭环，跟踪太阳，达到200
″
精度；
77.高精度太阳指向传感器给出精密太阳位置，再精密跟踪太阳；
78.再由高精度、高采样率的太阳指向传感器提供的太阳精密指向偏差信号，实时修正对日指向偏差。
79.其中，方法具体包括：
80.在对地三轴稳定平台上安装精密对日太阳成像仪，实现亚角秒级对日指向精度；
81.利用太阳初步计算得到太阳相对太阳成像仪的位置；
82.根据初步计算的太阳位置，利用太阳成像仪自带的对日指向机构，搜索和捕捉太阳，使其进入导行镜视场范围；
83.利用导行镜精密对日指向数据，调整跟踪平台，实现角秒量级对日指向；
84.利用导行镜精密对日指向数据，调整太阳成像仪精密指向机构，实现对日指向亚角秒精度；
85.利用导行镜精密对日指向数据，实时调整稳像机构，保持在几十秒曝光时间范围内，指向精度在亚角秒范围内。
86.其中，极轨卫星平台为对地球三轴稳定的极轨卫星平台。
87.下面以具体实施例，并参见图1-4，对本发明的实现太阳捕获、精密跟踪和精密稳像的方法进行详细说明：
88.本发明从太阳矢量计算，初步得到太阳指向精度约0.15
°
位置，再由太阳精密指向导行镜到亚角秒的指向精度。本发明首次提出了在极轨卫星平台上安装太阳成像仪，实现对太阳搜寻、跟踪和稳像，进行长曝光时间、高分辨率成像，获得高质量太阳观测图像等。该类卫星平台是为地球观测仪器设计，对地三轴稳定，可以对地球进行全球观测。对日则存在
±
23
°
角度范围的变化，其变化速率随着季节不同变化，其中春分和秋分两个季节变化速率最大，其他时间逐渐变缓。由于采用的轨道高度不同和随季节变化的不同，每轨角度变化范围不一样。因此，需要对太阳进行搜索、跟踪；由于卫星自身的抖动、星上其他载荷的运动，需要太阳成像仪进行稳像。本发明则针对极轨卫星的运动特点，发明了一种极轨卫星平台上太阳捕获、精密跟踪和精密稳像的方法和装置，搜索、跟踪太阳，在太阳成像仪进行曝光时，实施稳像，达到对日高质量观测的目的。
89.通常的卫星平台载有多个载荷，不同载荷包含不同的运动机构，例如指向调整飞轮运动，太阳帆板运动，载荷仪器的指向调整运动等各种运动机构，它们不定期、非匀速的运动，其运动对成像角分辨率为几个角秒量级的太阳成像仪成像会造成一定的影响。为此，本发明在指向精密调整的基础上，采用了二级稳像机构实时调整在200
″
范围内的微小指向偏差，保证太阳成像仪在对日成像过程中指向不变，可以达到亚角秒指向偏差水平。保证对日观测仪器的观测效果。
90.本发明解决了非对日三轴空间平台上的对日观测仪器的高精度观测技术问题，提高了空间平台的使用效率，可以在一个空间平台上，同时对地球等非太阳目标和对日进行高精度的观测。提出了搜索、跟踪太阳的方法，提出了实现对日稳像的方法，解决了对日成像仪对日成像中的指向偏差和图像晃动的技术问题，有重要的应用价值。
91.本发明涉及一种在晨昏轨道卫星平台上实现太阳捕获、精密跟踪和精密稳像的方法。本发明针对对地球三轴稳定的极轨卫星平台，利用卫星平台在轨道上任意位置的太阳矢量数据，再根据太阳成像仪的位置坐标，计算得到太阳成像仪光轴相对太阳的偏差，调整太阳成像仪自带的对日指向跟踪机构，将太阳成像仪光轴初步指向太阳中心，通常指向偏差较大，在0.2
°
量级范围；此时将太阳指向数据切换到太阳成像仪自带的高精度太阳指向导行镜，利用太阳指向数据继续进行搜寻，将太阳成像仪光轴指向太阳中心，通常在几百角秒范围内；利用太阳指向导行镜数据，将太阳成像仪指向太阳中心，达到几个角秒偏差范
围。此时指向调整完成，太阳成像仪指向太阳中心位置，指向精度角秒水平，实现太阳成像仪对太阳捕获、精密跟踪和精密稳像。
92.将太阳成像仪安装太阳精密指向导行镜，且导行镜光轴调整到观测仪器的光轴上，导行镜光轴即是成像仪的光轴。再将导行镜光轴调整到对地三轴稳定的卫星平台的光轴上，则卫星光轴、太阳成像仪光轴和导行镜光轴为统一的光轴。在轨运行时，只要按照导行镜对日指向的偏差调整仪器转台或者调整卫星指向，可以使仪器光轴和卫星光轴精密指向太阳。具体描述如下：
93.利用卫星平台提供的实时太阳矢量数据，计算出卫星平台光轴对太阳的指向偏差，此时，卫星平台粗略的指向太阳，指向偏差为几个角分量级；
94.根据导行镜对日指向数据和太阳成像仪的对日指向调整功能，搜索太阳，直到太阳进入导行镜的视场范围，视场范围约为角分量级；
95.根据太阳所在导行镜的视场中的精确位置，计算相对太阳中心的偏差，调整太阳成像仪对日指向机构，使得太阳成像仪准确指向太阳，指向精度在几个角秒范围；
96.再根据导行镜中太阳的精确位置，调整太阳成像仪中的精密指向机构，例如调整次镜指向或主镜指向等，使得太阳成像仪对日指向精度达亚角秒精度；
97.此时，太阳成像仪的对日指向精度为亚角秒，对卫星平台的指向扰动非常敏感，太阳成像仪采用自带的稳像机构，实时调整对日稳像，保持长期指向稳定在亚角秒精度范围。
98.最终在对地三轴稳定的极轨卫星平台上，实现对日高精度的捕获太阳、跟踪太阳、高精度稳定指向太阳的目的。
99.图1为卫星平台指向调整范围、精度示意图(卫星围绕地球旋转，一个方向指向地球，一个方向指向太阳，
±
23
°
)。
100.图2为仪器在卫星平台上的位置(仪器固定在卫星上，仪器指向与卫星指向有一个固定的安装角度)。
101.在卫星环绕地球飞行时，卫星对地三轴稳定，相对太阳做旋转运动。例如风云三号e星，旋转一周102分钟，圆形轨道，匀速旋转，转速为212"/s。由于卫星相对太阳在做旋转运动，因此，在太阳成像仪曝光时间内，探测器边缘范围运动不能超过1个像元尺寸，保证获得满足要求的图像分辨率。
102.图3为太阳矢量的视场范围如图所示
±
0.15
°
角度范围，对日指向仪器安装在二维指向转台上，通过调整指向运动，实现以o点为中心的螺旋运动，最终使得太阳进入到导行镜视场范围，即捕获到太阳。
103.图4为太阳矢量计算得到的对日指向精度为
±
0.15
°
，利用对日指向仪器所带二维指向机构，通过对日指向方位和俯仰方向的运动，最终使得太阳进入到导行镜视场范围(例如200
″
范围)，即捕获到太阳。
104.本发明的关键点和保护点至少在于：
105.在对地三轴稳定平台上安装精密对日太阳成像仪，实现亚角秒级对日指向精度；
106.利用太阳初步计算得到太阳相对太阳成像仪的位置；
107.根据初步计算的太阳位置，利用太阳成像仪自带的对日指向机构，搜索和捕捉太阳，使其进入导行镜视场范围；
108.利用导行镜精密对日指向数据，调整跟踪平台，实现角秒量级对日指向；
109.利用导行镜精密对日指向数据，调整太阳成像仪精密指向机构，实现对日指向亚角秒精度；
110.利用导行镜精密对日指向数据，实时调整稳像机构，保持在几十秒曝光时间范围内，指向精度在亚角秒范围内。
111.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
112.在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
113.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
114.作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
115.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
116.集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
117.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。