一种动态太阳模拟器及其动态模拟方法

技术领域

本发明涉及一种动态太阳模拟器及其动态模拟方法，属于航天器地面测试 设备模拟器技术领域。

背景技术

在航天领域，通常会采用太阳敏感器来完成对太阳的捕获，进而获取航天 器的姿态信息。因此，太阳模拟器在航天器地面测试阶段，是一种应用非常广 泛的模拟测试设备。对于太阳模拟器的研究，现有大部分文献都是基于光学系 统的研究，即如何设计合适的光学系统，对太阳光的准直、均匀等特性进行模 拟。如《太阳模拟器辐照均匀性分析》、《AAA级太阳模拟器的设计与研制》、 《KFTA太阳模拟器研制》、《太阳模拟器及其运转方法》等。这类模拟器都属 于静态太阳模拟器，其主要特点对太阳光的模拟，并没有考虑太阳在航天器实 际环境中照射方向的模拟。一般用于被测产品的静态性能测试。

近年来，随着航天器地面测试要求的提高，一些动态太阳模拟器的研制在 工程应用上受到了重视。其主要方式是利用电机转动机构，带动原来静态模拟 器转动。如中科院长春光学精密机械与物理研究所就分别提出了《高度角人工 可调的太阳光照模拟装置及方法》、《方位角自动调整的太阳光照模拟装置和方 法》。在这些动态太阳模拟器设计中，其目的是为了克服传统手持静态太阳模拟 器带来使用不方便问题，其测试目的也仅针对太阳敏感器的功能性能的开环测 试，并没有实现太阳光源的真正动态模拟(运动轨迹模拟)。另外，以往传统模 拟器在使用前，需利用外界标定设备(经纬仪等)对模拟器安装精度进行标定 校准，调节难度、耗费的人力、物力大。

嫦娥三号巡视器GNC太阳敏感器在分系统测试过程中，除对部件的接口 进行测试外，还需完成敏感器功能、性能的充分性测试(不同太阳强度、不同 角度的光照激励，如视场内、外等)，为此需要将太阳敏感器部件引入闭环测试， 真实地将敏感器(包括将光学敏感头部，不止通过敏感器地检接口)引入，现 有技术中的太阳模拟器不能满足嫦娥三号巡视器GNC太阳敏感器动态测试的 需求。

发明内容

本发明的目的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种动态太阳 模拟器及其动态模拟方法。

本发明的技术解决方案是：

一种动态太阳模拟器，该动态太阳模拟器包括控制计算机、转台驱动器、 机械台体、安装支架和光学系统；

所述的光学系统包括电源驱动器、冷却系统、短弧氙灯、耦合透镜和导光 光纤和出光装置；

所述的出光装置包括匀光准直器、消杂光光阑和光谱滤波器；

所述的机械台体包括双轴转台和基座，双轴转台包括水平电机、垂直电机、第 一配重块、第二配重块、转接板、悬臂和安装支架；双轴转台与基座固定连接；

所述的转接板包括一体成型为L型的水平板和竖直板；水平电机固定安装 在基座上，水平电机的输出轴与转接板的水平板固定连接，带动转接板水平转 动；水平电机的输出轴的中心有通孔；

垂直电机固定安装在转接板的竖直板上，垂直电机的输出轴与悬臂固定连 接，垂直电机带动悬臂在垂直方向上转动；

悬臂的一端固定安装有第二配重块，另一端安装光学系统的出光装置；

转接板水平板一端的上面固定安装有第一配重块；

基座上固定安装有一个小圆柱，小圆柱穿过水平电机输出轴的中心孔后与 安装支架固定连接，当水平电机的输出轴转动时，小圆柱不转动；安装支架上 固定安装被测设备；

所述的电源驱动器驱动短弧氙灯发出光束，光束通过耦合透镜耦合后通过 导光光纤输入到出光装置中，光束首先经过出光装置中的匀光准直器进行准直， 然后经过消杂光光阑进行消光，最后经过光谱滤波器进行滤波后输出照射到被 测设备上；短弧氙灯通过冷却系统进行冷却；

所述的控制计算机发出转台控制信号和光源强度控制信号，控制计算机还 采集被测设备的输出信号、水平电机的角度输出信号和垂直电机的角度输出信 号，控制计算机根据采集到的信号对机械台体坐标系O_MX_MY_MZ_M与被测设备坐标 系O_sX_sY_sZ_s之间的旋转矩阵R；

所述的坐标原点O_M位于水平电机的输出轴顶端中心位置，X_M轴朝上，Y_M轴 朝右，Z_M轴朝纸面向里；

所述的坐标原点O_s位于被测设备成像面的中心位置，X_s轴朝向垂直电机的 输出轴，Y_s轴朝上，Z_s轴朝向光束出射点；

所述的转台驱动器接收控制计算机发出的转台控制信号，根据控制信号驱 动水平电机、垂直电机转动；

所述的短弧氙灯根据控制计算机发出的光源强度控制信号，输出需要强度 的光束；

垂直电机带动悬臂在垂直方向上转动角度为-70°到+70°。

水平电机的输出轴带动转接板水平转动角度为-70°到+70°。

所述的控制计算机包括参数设置模块、光源控制模块、转台控制模块、接 口模块和标定模块；

参数设置模块用于对水平电机的转动角度、垂直电机的转动角度、光学系 统的光强度进行设定；

光源控制模块根据设定的光学参数对光学系统的光照强度进行控制；

转台控制模块控制水平电机和垂直电机，使得双轴转台在水平和垂直方向 运动；

接口模块用于采集被测设备的输出信号、水平电机的角度输出信号和垂直 电机的角度输出信号；

标定模块根据参数设置模块设定的参数以及接口模块接收到的参数对机械 台体坐标系O_MX_MY_MZ_M与被测设备本体坐标系O_sX_sY_sZ_s之间的旋转矩阵R进行标 定。

一种动态太阳模拟器的动态模拟方法，步骤为：

(1)将被测设备固定在安装支架上；

(2)通过控制计算机的参数设定模块设定光学系统的光强度、n组水平电 机和垂直电机的转动角度；n为自然数，n大于等于3；

(3)光学系统发射步骤(2)中设定强度的光束；

(4)转台驱动器驱动水平电机和垂直电机按照步骤(2)中设定的角度开 始转动；

(5)每次水平电机和垂直电机转动到设定角度后，控制计算机的接口模块 采集被测设备的输出信号，直至n组转动角度结束，即得到n组输出信号；

(6)控制计算机的标定模块根据步骤(2)中的n组转动角度和步骤(5) 中的n组输出信号得到机械台体坐标系O_MX_MY_MZ_M与被测设备坐标系O_sX_sY_sZ_s之 间的旋转矩阵R；

(7)根据被测设备的期望值和步骤(6)得到的旋转矩阵R，得到太阳模 拟器中水平电机和垂直电机的转动角度，然后对光束进行角度测量，得到太阳 矢量。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明采用双轴转台控制，实现太阳俯仰角与方位角两个方向的实时 动态模拟；

(2)本发明的动态太阳模拟器在使用前，可以自主完成机械台体与被测设 备之间的坐标转换矩阵的标定；

(3)本发明的动态太阳模拟器在水平电机中采用中空的电机转动轴，使得 被测设备在水平转动平面内不随水平电机转动，可以固定在基座上；

(4)本发明电机直接和运动执行部件刚性连接，没有中间的机械传动环节， 精度高、反应速度快、线性度好、工作可靠且维护方便；

(5)本发明在与水平电机输出轴连接的转接板、与垂直电机输出轴连接的 悬臂上设计有配重块，用于调节水平电机与垂直电机转动惯量的平衡；

(6)本发明在水平电机的输出轴和垂直电机的输出轴转动角度70°处设置 限位装置，限制水平电机的输出轴和垂直电机的输出轴的转动角度，在保证转 动范围的前提下，防止双轴转台与安装支架发生碰撞，同时避免由于过度转动 造成连接线缆的损伤；

(7)为避免水平电机的输出轴和垂直电机的输出轴不正交产生的综合指向 误差，垂直电机的输出轴安装基面处安装修切环节，用于装调时调整水平电机 的输出轴和垂直电机的输出轴的垂直度。

附图说明

图1为实施例中动态太阳模拟器的组成示意图；

图2为实施例中机械台体和光学系统的结构组成示意图；

图3为实施例中光学系统的组成示意图；

图4为实施例中机械台体坐标系与太阳敏感器坐标系之间关系示意图。

具体实施方式

所述的冷却系统在光源室内使用大功率风扇对氙气灯电极、球面反光镜等 器件进行冷却，防止短弧氙气灯表面温度过高，影响照明系统的稳定持续运行。

所述的耦合透镜将短弧氙气灯发射及反射光碗反射的光耦合到传光光纤 中，最终导入匀光照明系统。

所述的匀光准直器利用光积分棒的匀光作用使出射端光强分布均匀化，同 时利用视场光阑选择光积分棒出射端的有效口径，输出太阳光的仿真光源。

所述的消杂光光阑采用二次光阑设计，通过孔径光阑和视场光阑限制入射 光束的范围和角度，保证光路不会照射到系统内腔表面。

一种动态太阳模拟器对太阳矢量的动态运动模拟方法，步骤为：

首先，将被测设备安装在被测设备安装支架上，通过光源控制模块根据接 收到的光学参数对光学系统的光照强度进行控制；

然后，由控制计算机中的标定模块，设置标定需要的n组双轴转台的控制 角度，得到n组双轴转台的电机角度控制量，并将得到的n组双轴转台的电机 角度控制量依次发送至转台驱动器，转台驱动器根据电机角度控制量控制双轴 转台的转动，在每次控制到指定角度后，参数设置及接口模块采集被测设备的 反馈数据，直至采集完成n组反馈数据后，标定模块根据n组反馈数据和设定 的n组双轴转台的控制角度得到机械台体坐标系O_MX_MY_MZ_M与被测设备本体坐 标系O_sX_sY_sZ_s之间的旋转矩阵R；

参数设置及接口模块接收外界太阳矢量的输入，转台控制模块根据太阳矢 量的输入计算出需要模拟的太阳的方位角与俯仰角，生成转台控制量，并将转 台控制量发送至转台驱动器，转台驱动器控制双轴转台转动到指定角度(即计 算出的太阳的方位角与俯仰角)，双轴转台带动光学系统转动，完成太阳矢量的 动态运动模拟。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种动态太阳模拟器，该动态太阳模拟器包括控制计 算机、转台驱动器、双轴转台、基座8、被测设备安装支架和光学系统；

如图3所示，所述的光学系统包括电源驱动器、冷却系统、短弧氙灯、耦 合透镜和导光光纤和出光装置9；

所述的控制计算机包括标定模块、转台控制模块、光源控制模块和参数设 置及接口模块，采用工业控制计算机实现。参数设置及接口模块负责接收外接 的太阳矢量及相关参数的输入，采集被测设备(太阳敏感器)的输出反馈数据， 数据输入及采集接口采用高速的CAN和RS422通讯板卡实现；转台控制模块 负责生成转台控制的控制量并输出；光源控制模块可控制光源的开关和辐照强 度的调节；标定模块完成机械台体坐标系与被测设备——太阳敏感器坐标系之 间转换矩阵的标定。

所述的双轴转台包括水平电机1、垂直电机2、第一配重块3、第二配重块 4、转接板5和悬臂6。水平电机1和垂直电机2均采用力矩电机；

双轴转台与基座8固定连接后形成机械台体；

所述的转接板包括一体成型得水平板和竖直板；

水平电机1固定安装在基座8上，水平电机1的输出轴与转接板5的水平 板固定连接，带动转接板5水平转动；

垂直电机2固定安装在转接板5的竖直板上，垂直电机2的输出轴与悬臂 6固定连接，垂直电机2带动悬臂6在垂直方向上转动；

悬臂6的一端固定安装有第二配重块4；

转接板5的水平板的一端的上面固定安装有第一配重块3；

标定模块用于标定机械台体坐标系OX_MY_MZ_M与被测设备本体坐标系 OX_sY_sZ_s之间的旋转矩阵R，坐标系定义见附图4。

转台控制模块控制双轴转台在水平和垂直方向的运动；

所述的电源驱动器采用开关电源SwitchPower提供24V/10A的工作电 源，当按下触发开关Trigger-Switch时，灯泡电极施加300V的电压来触发氙 气电极发出弧光，然后控制电路从参考电源取得参考电压和取样电阻R上的电 压比较后自动调节MOS管的电流，使流过氙灯的电流恒流在某一值上；

所述的冷却系统采用风冷的方式，在光源室内使用大功率风扇对氙气灯电 极、球面反光镜等器件进行冷却，防止短弧氙气灯表面温度过高，影响照明系 统的稳定持续运行。

为了保证本发明的动态太阳模拟器具有较好的光束发散角以及连续发光的 特性，满足太阳模拟器输出光束准直性以及发散角度的要求，模拟器实现时选 用发光强度较高的短弧高压氙灯。

氙灯采用150WLSB-X150A短弧灯泡，典型光通量2900lm，亮度值 200cd/mm²，发光区域0.5mm×1.6mm。根据光学拉赫不变量的计算，如果 光源为朗博体，发光面积为0.9mm²，则光源上可利用的光收集角约为2.48°， 理论上2.48°的收集角占光源整个立体角内发射的总能量的0.8％，150W的 光源的辐射能量为10W，考虑到光学系统的衰减以及光谱匹配的能量衰减， 实际使用的光源辐射能量能达到0.06太阳常数。

采用的短弧氙灯具有独立的光源室。短弧氙灯位于光源室内。氙灯灯泡 发出的光经由反光碗反射后，由光纤耦合透镜会聚耦合进导光光纤，由光纤 接入到照明系统内，光纤的接口采用SMA905。短弧氙灯通过风扇冷却。并 可通过光源室外部的调节旋钮调整氙灯位置，通过检测输出端的光功率，可 获得最佳的安装位置，保证氙灯的稳定工作。

短弧氙灯可近似看作点光源，通过耦合透镜，将短弧氙灯发射以及反光 碗反射的光耦合到传光光纤中，最终导入到匀光照明系统；利用导光光纤实 现短弧氙灯光源系统与匀光照明系统的柔性连接，可以有效降低动态太阳模 拟器二维精密转台的负载，同时可将系统的电、热特性与动态太阳模拟器主 体部分分隔开来。光纤和氙灯之间的耦合接口采用封闭结构，避免风冷系统 造成浮尘等杂质遮挡，影响光能耦合效率，降低系统辐照度。采用高透过率 石英光纤，透过率可以达到80％，提高光能利用率，降低传输功耗。

所述的出光装置9包括匀光准直器、消杂光光阑和光谱滤波器；

为保证内全反射，应选用高折射率的玻璃，匀光准直器中的光积分棒的光 学玻璃材料选用冕牌玻璃H-K9L，折射率约为1.5163；

在积分棒入口处应加一遮光板，阻止光棒内部光线反向溢出；

光积分棒断面的长宽比应与被照明显示器件的长宽比一致，或选用适当的 光阑限定出射端面形状和大小。

所述的消杂光光阑采用二次光阑设计，通过孔径光阑和视场光阑限制入射 光纤的范围和角度，保证光路不会照射到系统内腔表面。

所述的光谱滤波器采用needle法设计的光谱校正滤光片，共有31层薄膜 组成，最薄层为20nm，最厚的222.68nm，最薄的在最前面，一次类推，最 厚的在最后面；

动态太阳模拟器的工作过程如下：

(1)将太阳敏感器固定在安装支架上；

(2)控制计算机的参数设定模块设定光学系统的光强度为0.05太阳常数、 三组水平电机和垂直电机的转动角度，第一组中水平电机和垂直电机的转动角 度分别为45°、45°，第二组中水平电机和垂直电机的转动角度分别为30°、60°， 第三组中水平电机和垂直电机的转动角度分别为-45°、-45°；

(3)光学系统发射步骤(2)中设定强度的光束，照射到太阳敏感器的感 光面；

(4)转台驱动器驱动水平电机转动到45°，转台驱动器驱动垂直电机转动 到45°；

(5)控制计算机的接口模块采集太阳敏感器的俯仰角为45.23°，方位角 为42.63°；

(6)转台驱动器驱动水平电机转动到30°，转台驱动器驱动垂直电机转动 到60°；

(7)控制计算机的接口模块采集太阳敏感器的俯仰角为30.15°，方位角 为60.26°；

(8)转台驱动器驱动水平电机转动到-45°，转台驱动器驱动垂直电机转动 到-45°；

(9)控制计算机的接口模块采集太阳敏感器的俯仰角为-44.92°，方位角 为-44.96°；

(10)控制计算机的标定模块根据步骤(2)中的三组转动角度和步骤(5)、 (7)、(9)中的俯仰角和方位角得到机械台体坐标系O_MX_MY_MZ_M与太阳敏感器 坐标系O_sX_sY_sZ_s之间的旋转矩阵R，

$R=\left(\begin{array}{ccc}-0.3306& -1.0490& -0.0003\\ 1.0650& -0.0666& -0.0048\\ -0.0328& -0.0564& 1.1090\end{array}\right)$

(11)太阳敏感器的期望值为(30°，30°)和步骤(10)得到的旋转矩阵 R，得到太阳模拟器中水平电机和垂直电机的转动角度分别为33.14°与 28.15°；

(12)转台驱动器驱动水平电机转动到33.10°，转台驱动器驱动垂直电机 转动到28.18°；太阳敏感器对光束进行角度测量为(28.96°，29.91°)，由期 望值的数值与测量的角度可知，动态太阳模拟器通过标定后，太阳俯仰角与方 位角的期望值与测量值之间的误差在2°以内(该误差包括太阳模拟器的模拟误 差与太阳敏感器的测量误差)。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。