一種動態(tài)太陽模擬器及其動態(tài)模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種動態(tài)太陽模擬器及其動態(tài)模擬方法，屬于航天器地面測試設(shè)備模 擬器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航天領(lǐng)域，通常會采用太陽敏感器來完成對太陽的捕獲，進(jìn)而獲取航天器的姿 態(tài)信息。因此，太陽模擬器在航天器地面測試階段，是一種應(yīng)用非常廣泛的模擬測試設(shè)備。 對于太陽模擬器的研究，現(xiàn)有大部分文獻(xiàn)都是基于光學(xué)系統(tǒng)的研究，即如何設(shè)計合適的光 學(xué)系統(tǒng)，對太陽光的準(zhǔn)直、均勻等特性進(jìn)行模擬。如《太陽模擬器輻照均勻性分析》、《AAA級 太陽模擬器的設(shè)計與研制》、《KFTA太陽模擬器研制》、《太陽模擬器及其運(yùn)轉(zhuǎn)方法》等。這類 模擬器都屬于靜態(tài)太陽模擬器，其主要特點(diǎn)對太陽光的模擬，并沒有考慮太陽在航天器實(shí) 際環(huán)境中照射方向的模擬。一般用于被測產(chǎn)品的靜態(tài)性能測試。
[0003] 近年來，隨著航天器地面測試要求的提高，一些動態(tài)太陽模擬器的研制在工程應(yīng) 用上受到了重視。其主要方式是利用電機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，帶動原來靜態(tài)模擬器轉(zhuǎn)動。如中科院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所就分別提出了《高度角人工可調(diào)的太陽光照模擬裝置及方 法》、《方位角自動調(diào)整的太陽光照模擬裝置和方法》。在這些動態(tài)太陽模擬器設(shè)計中，其目 的是為了克服傳統(tǒng)手持靜態(tài)太陽模擬器帶來使用不方便問題，其測試目的也僅針對太陽敏 感器的功能性能的開環(huán)測試，并沒有實(shí)現(xiàn)太陽光源的真正動態(tài)模擬（運(yùn)動軌跡模擬）。另 外，以往傳統(tǒng)模擬器在使用前，需利用外界標(biāo)定設(shè)備（經(jīng)煒儀等）對模擬器安裝精度進(jìn)行標(biāo) 定校準(zhǔn)，調(diào)節(jié)難度、耗費(fèi)的人力、物力大。
[0004] 嫦娥三號巡視器GNC太陽敏感器在分系統(tǒng)測試過程中，除對部件的接口進(jìn)行測試 外，還需完成敏感器功能、性能的充分性測試（不同太陽強(qiáng)度、不同角度的光照激勵，如視 場內(nèi)、外等），為此需要將太陽敏感器部件引入閉環(huán)測試，真實(shí)地將敏感器（包括將光學(xué)敏 感頭部，不止通過敏感器地檢接口）引入，現(xiàn)有技術(shù)中的太陽模擬器不能滿足嫦娥三號巡 視器GNC太陽敏感器動態(tài)測試的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種動態(tài)太陽模擬器 及其動態(tài)模擬方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0007] -種動態(tài)太陽模擬器，該動態(tài)太陽模擬器包括控制計算機(jī)、轉(zhuǎn)臺驅(qū)動器、機(jī)械臺 體、安裝支架和光學(xué)系統(tǒng)；
[0008] 所述的光學(xué)系統(tǒng)包括電源驅(qū)動器、冷卻系統(tǒng)、短弧氣燈、親合透鏡和導(dǎo)光光纖和出 光裝置；
[0009] 所述的出光裝置包括勻光準(zhǔn)直器、消雜光光闌和光譜濾波器；
[0010] 所述的機(jī)械臺體包括雙軸轉(zhuǎn)臺和基座，雙軸轉(zhuǎn)臺包括水平電機(jī)、垂直電機(jī)、第一配 重塊、第二配重塊、轉(zhuǎn)接板、懸臂和安裝支架；雙軸轉(zhuǎn)臺與基座固定連接；
[0011] 所述的轉(zhuǎn)接板包括一體成型為L型的水平板和豎直板；水平電機(jī)固定安裝在基座 上，水平電機(jī)的輸出軸與轉(zhuǎn)接板的水平板固定連接，帶動轉(zhuǎn)接板水平轉(zhuǎn)動；水平電機(jī)的輸出 軸的中心有通孔；
[0012] 垂直電機(jī)固定安裝在轉(zhuǎn)接板的豎直板上，垂直電機(jī)的輸出軸與懸臂固定連接，垂 直電機(jī)帶動懸臂在垂直方向上轉(zhuǎn)動；
[0013] 懸臂的一端固定安裝有第二配重塊，另一端安裝光學(xué)系統(tǒng)的出光裝置；
[0014] 轉(zhuǎn)接板水平板一端的上面固定安裝有第一配重塊；
[0015] 基座上固定安裝有一個小圓柱，小圓柱穿過水平電機(jī)輸出軸的中心孔后與安裝支 架固定連接，當(dāng)水平電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動時，小圓柱不轉(zhuǎn)動；安裝支架上固定安裝被測設(shè)備；
[0016] 所述的電源驅(qū)動器驅(qū)動短弧氙燈發(fā)出光束，光束通過耦合透鏡耦合后通過導(dǎo)光光 纖輸入到出光裝置中，光束首先經(jīng)過出光裝置中的勻光準(zhǔn)直器進(jìn)行準(zhǔn)直，然后經(jīng)過消雜光 光闌進(jìn)行消光，最后經(jīng)過光譜濾波器進(jìn)行濾波后輸出照射到被測設(shè)備上；短弧氙燈通過冷 卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻；
[0017] 所述的控制計算機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)臺控制信號和光源強(qiáng)度控制信號，控制計算機(jī)還采集被 測設(shè)備的輸出信號、水平電機(jī)的角度輸出信號和垂直電機(jī)的角度輸出信號，控制計算機(jī)根 據(jù)采集到的信號對機(jī)械臺體坐標(biāo)系〇MXMYMZM與被測設(shè)備坐標(biāo)系0SXSYSZS之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R;
[0018] 所述的坐標(biāo)原點(diǎn)0M位于水平電機(jī)的輸出軸頂端中心位置，XM軸朝上，YM軸朝右，ZM 軸朝紙面向里；
[0019] 所述的坐標(biāo)原點(diǎn)os位于被測設(shè)備成像面的中心位置，朝向垂直電機(jī)的輸出 軸，Ys軸朝上，zs軸朝向光束出射點(diǎn)；
[0020] 所述的轉(zhuǎn)臺驅(qū)動器接收控制計算機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)臺控制信號，根據(jù)控制信號驅(qū)動水平 電機(jī)、垂直電機(jī)轉(zhuǎn)動；
[0021] 所述的短弧氙燈根據(jù)控制計算機(jī)發(fā)出的光源強(qiáng)度控制信號，輸出需要強(qiáng)度的光 束；
[0022] 垂直電機(jī)帶動懸臂在垂直方向上轉(zhuǎn)動角度為-70°到+70°。
[0023] 水平電機(jī)的輸出軸帶動轉(zhuǎn)接板水平轉(zhuǎn)動角度為-70°到+70°。
[0024] 所述的控制計算機(jī)包括參數(shù)設(shè)置模塊、光源控制模塊、轉(zhuǎn)臺控制模塊、接口模塊和 標(biāo)定t吳塊；
[0025] 參數(shù)設(shè)置模塊用于對水平電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度、垂直電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度、光學(xué)系統(tǒng)的光 強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)定；
[0026] 光源控制模塊根據(jù)設(shè)定的光學(xué)參數(shù)對光學(xué)系統(tǒng)的光照強(qiáng)度進(jìn)行控制；
[0027] 轉(zhuǎn)臺控制模塊控制水平電機(jī)和垂直電機(jī)，使得雙軸轉(zhuǎn)臺在水平和垂直方向運(yùn)動；
[0028] 接口模塊用于采集被測設(shè)備的輸出信號、水平電機(jī)的角度輸出信號和垂直電機(jī)的 角度輸出信號；
[0029] 標(biāo)定模塊根據(jù)參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)定的參數(shù)以及接口模塊接收到的參數(shù)對機(jī)械臺體 坐標(biāo)系0ΜΧΜΥΜΖΜ與被測設(shè)備本體坐標(biāo)系0SXSYSZS之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R進(jìn)行標(biāo)定。
[0030] -種動態(tài)太陽模擬器的動態(tài)模擬方法，步驟為：
[0031] (1)將被測設(shè)備固定在安裝支架上；
[0032] (2)通過控制計算機(jī)的參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)定光學(xué)系統(tǒng)的光強(qiáng)度、η組水平電機(jī)和垂 直電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度；η為自然數(shù)，η大于等于3;
[0033] (3)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射步驟⑵中設(shè)定強(qiáng)度的光束；
[0034] (4)轉(zhuǎn)臺驅(qū)動器驅(qū)動水平電機(jī)和垂直電機(jī)按照步驟（2)中設(shè)定的角度開始轉(zhuǎn)動；
[0035] (5)每次水平電機(jī)和垂直電機(jī)轉(zhuǎn)動到設(shè)定角度后，控制計算機(jī)的接口模塊采集被 測設(shè)備的輸出信號，直至η組轉(zhuǎn)動角度結(jié)束，即得到η組輸出信號；
[0036] (6)控制計算機(jī)的標(biāo)定模塊根據(jù)步驟（2)中的η組轉(zhuǎn)動角度和步驟（5)中的η組 輸出信號得到機(jī)械臺體坐標(biāo)系〇ΜΧΜΥΜΖΜ與被測設(shè)備坐標(biāo)系0SXSYSZS之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R;
[0037] (7)根據(jù)被測設(shè)備的期望值和步驟（6)得到的旋轉(zhuǎn)矩陣R，得到太陽模擬器中水平 電機(jī)和垂直電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，然后對光束進(jìn)行角度測量，得到太陽矢量。
[0038] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)：
[0039] (1)本發(fā)明采用雙軸轉(zhuǎn)臺控制，實(shí)現(xiàn)太陽俯仰角與方位角兩個方向的實(shí)時動態(tài)模 擬；
[0040] (2)本發(fā)明的動態(tài)太陽模擬器在使用前，可以自主完成機(jī)械臺體與被測設(shè)備之間 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的標(biāo)定；
[0041] (3)本發(fā)明的動態(tài)太陽模擬器在水平電機(jī)中采用中空的電機(jī)轉(zhuǎn)動軸，使得被測設(shè) 備在水平轉(zhuǎn)動平面內(nèi)不隨水平電機(jī)轉(zhuǎn)動，可以固定在基座上；
[0042] (4)本發(fā)明電機(jī)直接和運(yùn)動執(zhí)行部件剛性連接，沒有中間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，精度 高、反應(yīng)速度快、線性度好、工作可靠且維護(hù)方便；
[0043](5)本發(fā)明在與水平電機(jī)輸出軸連接的轉(zhuǎn)接板、與垂直電機(jī)輸出軸連接的懸臂上 設(shè)計有配重塊，用于調(diào)節(jié)水平電機(jī)與垂直電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的平衡；
[0044] (6)本發(fā)明在水平電機(jī)的輸出軸和