2008年度:小型高精度天体敏感器技术
发布时间:2015-11-24 15:21

小型高精度天体敏感器技术

2008年度国家技术发明奖一等奖

 

一、项目概况

自主姿态测量是航天器飞行的重大核心技术,对保证航天器准确入轨和变轨、高性能飞行、可靠对地通信、高精度对地观测、高质量信号转发,及顺利完成各种空间任务具有重要意义。天体敏感器是航天器在太空中航行的“眼睛”,通过对天体成像与识别实现航天器三轴姿态测量,精度高、自主性好、无时漂误差,是实现航天器自主高精度姿态测量的核心星载设备, 直接决定了航天器在轨飞行姿态的控制精度。长期以来,小型化和高精度已成为我国各类卫星和深空探测器等重大航天飞行计划的迫切急需,并以既小型化又高精度重大技术难度制约着航天器技术的发展。

本项目在国家民用航天重大科研计划、国家863计划、国家211工程建设项目、国防基础科研计划与国家重大航天型号项目等需求牵引和经费资助下,在国内率先全面开展小型高精度天体敏感器技术研究,取得了一系列重大技术突破和多项创新:

1.建立了带有内外参数的天体敏感器测量数学模型,提出了天体敏感器内外参数统一校准法,突破了一直无外参数的天体敏感器校准模式,使天体敏感器的校准精度提高了1倍以上,并通过误差校准和补偿,简化光机结构,实现了天体敏感器的小型轻量化;提出了带有旋转矩阵的天体敏感器测量基准转换方法,突破了一直依赖复杂机械设计及高精度加工装配的天体敏感器测量基准的安装模式;研制出天体敏感器高性能静、动态校准装置和测量基准转换装置,建立了完善的天体敏感器量值传递体系。

2.研制出用于星敏感器的含一体化复合二元光学透镜的高性能光学成像系统和大视场、大相对孔径的非球面光学成像系统;研制出基于MEMS工艺的太阳敏感器的高性能光线引入掩膜板,突破了光线入射能量随入射角度变化而显著变化这一关键技术瓶颈,使太阳敏器具备了很强的抗地球反照光及环境杂光干扰的能力。在此基础上,又研制出基于掩膜板与微透镜胶合的太阳敏感器高性能复合光学系统,有效提高了太阳光斑的成像质量。

3.提出并实现了直接输出星点(光斑)质心的天体敏感器质心跟随成像体制,突破了天体敏感器一直采用的帧成像模式;在此基础上,设计实现了星点(光斑)质心高精度定位实时并行处理硬件IP核,并研制成功专用芯片及硬件装置,突破了天体敏感器一直采用软件处理星点(光斑)质心定位模式,极大提高了天体敏感器的数据更新率;设计实现了太阳敏感器信息处理硬件IP核,并研制成功专用芯片及硬件装置,实现了太阳敏感器信息处理的单芯片一体化集成技术。

4.提出了用于导航星快速检索的天区均匀且无重叠划分方法,有效缩短了导航星快速检索的时间;提出了一系列高性能全天球星图快速识别方法和快速星跟踪方法,有效提高了全天球星图识别和星跟踪的性能;提出了基于电注入星图的星敏感器功能测试方法并研制出测试装置,突破了一直依赖星场模拟器的星敏感器功能测试模式,为天体敏感器功能的自主化测试提供了有效途径。

5.打破了国外技术封锁与垄断,研制成功小型高精度天体敏感器型号产品,通过了航天环境试验,主要性能指标达到或超过国外产品。小型高精度星敏感器在测量精度、功耗、全天球星图识别时间及信息处理硬件化设计方面有明显优势。小型高精度太阳敏感器在测量精度、数据更新率、抗地球反照光干扰及信息处理单芯片集成设计方面有明显优势;在此基础上,又在国际上首次研制出基于2048×2048大面阵成像器件的小型高精度星敏感器,具有快的测量数据更新率和极高的测量精度,为空基的空间目标监视和高分辨率对地观测奠定了坚实的技术基础。

本项目突破了一系列重大关键技术瓶颈,打破了国外技术封锁与垄断,填补了多项国内外空白,为实现我国航天器小型化、高精度自主运行提供了重要技术途径与更新换代产品,对推动我国航天技术发展具有重大意义,在各类卫星、深空探测器、航天武器及国民经济建设中具有广阔应用前景。系列产品被列为我国航天星载型谱产品,圆满完成在轨飞行,满足了我国多项重大航天任务的迫切需求。授权发明专利50余项(含美国专利5项),发表SCI和EI收录论文80余篇,撰写国防科技报告百余份。获2008年度国家技术发明奖一等奖和2007年度教育部技术发明奖一等奖。

二、获奖后取得的主要进展

1.项目组研制的小型高精度天体敏感器系列产品已在我国10余项重大航天任务中成功应用,在轨数据稳定可靠,各项指标满足要求,为航天任务的顺利圆满完成发挥了重要作用,解决了我国航天技术发展的重大技术瓶颈问题,满足了我国航天任务迫切需求,具有重大的社会和军事意义,并已列入我国后续系列卫星、深空探测器和航天武器等多项重大航天计划。2013年校准技术建立了国军标(星敏感器标定与精度测试方法GJB 8137-2013,数字式太阳敏感器标定与精度测试方法GJB 8136-2013),已在我国航天工业部门普遍采用。

2.本项目技术已分别转让航天八院、五院和九院等工业部门,已在航天领域工业部门普遍采用,并形成了多个产业联盟产业化,推动了我国该航天产品行业的跨越式发展,实现了我国该航天产品水平的快速提升,整体达到国际先进水平。本项目技术的推广应用及产业化全面打破了国外产品在我国航天领域的长期垄断,实现了我国该航天核心产品的自主可控,推动了我国航天技术的发展。

3.在本项目成果基础上,在国家民用航天重大科研计划、国家863计划、总装高分重大专项、国家自然科学基金等项目(累计科研经费7000多万元)的支持下,结合我国航天器技术发展的重大需求,开展了基于新技术、新机理、新方法的新型天体敏感器技术研究,高动态星敏感器、甚高精度敏感器、超轻型星敏感器/太阳敏感器、多视场星敏感器、临近空间全天时星敏感器等新型天体敏感器的基础理论和关键技术取得了重大突破。获奖后新申请发明专利40余项,已授权30余项,发表SCI和EI收录论文60余篇。

4.以“航空科学与技术”国家实验室(筹)、“精密光机电一体化技术”教育部重点实验室为依托,在国家“985工程”、“211工程”等建设经费支持下,完成了天体敏感器研发与实验平台的建设,已形成了较为完善的天体敏感器理论研究、系统设计、测试验证的综合实验平台,整体水平达到国际先进,为天体敏感器技术的研究与应用提供了良好的实验条件,并为我国该航天产品整个行业起到了技术引领和应用示范的作用。

5.本项目充分发挥了高校在新技术研究方面的引领作用,培养造就了一批高水平的优秀学术和技术人才,形成了专业化的人才梯队。在获奖之后,本项目主要完成人和科研骨干在学术荣誉、职称职务晋升等方面均获得较大的发展,并通过技术培训和会议交流带动了本行业人才水平的提升。围绕天体敏感器相关研究内容,已培养博士研究生20余人,硕士研究生50余人,为我国航天事业输送了高层次人才,在我国多个重大航天任务中发挥了重要作用。

 主要完成人:张广军(北京航空航天大学),江洁(北京航空航天大学),魏新国(北京航空航天大学),樊巧云(北京航空航天大学),张晓敏(航天东方红卫星有限公司),刘付成(航天科技集团八院812所)


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