星敏感器-纳型星敏感器
星敏感器光学系统设计
分类号V445 学号******** U D C 密级公开工程硕士学位论文星敏感器光学系统设计硕士生姓名赵超工程领域光学工程研究方向光电仪器与测控技术指导教师伏思华副教授协助指导教师周金鹏副教授国防科学技术大学研究生院二〇一六年十一月Optical System Design of Star SensorCandidate：Zhao ChaoAdvisor：Fu SihuaAssistant advisor：Zhou JinpengA thesisSubmitted in partial fulfillment of the requirementsfor the professional degree of Master of Engineeringin Optical EngineeringGraduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China（November，2016）目录摘要 (i)ABSTRACT .................................................................................................................. i i 第一章绪论 (1)1.1选题背景和研究意义 (1)1.2 星敏感器简介 (2)1.3 星敏感器光学系统技术发展现状 (2)1.3.1 光学系统参数的确定方法 (3)1.3.2 光学镜头设计 (4)1.3.3 遮光罩设计 (7)1.4 本论文的研究内容 (9)第二章星敏感器光学系统设计需求分析 (11)2.1 星敏感器探测能力分析 (12)2.1.1 星光信号能量 (12)2.1.2 探测器星光能量 (13)2.1.3 星等探测信噪比计算 (13)2.1.4 星探测概率计算 (14)2.2 星敏感器光学系统参数确定 (15)2.2.1 视场、焦距和阈值星等的初步选择 (15)2.2.2 入瞳直径的确定 (19)2.2.3光谱范围和中心波长的确定 (22)2.2.4 其他参数确定 (22)2.3 定位精度对几何像差的要求的定性分析 (24)2.3.1 色差 (24)2.3.2 畸变和彗差 (25)2.3.3 球差、像散和场曲 (26)2.4 本章小结 (26)第三章星敏感器光学镜头设计 (28)3.1 光学系统选型 (28)3.2 光学镜头初始结构确定 (28)3.3 光学镜头优化 (29)3.4 光学镜头像质评价 (33)3.3.1 点列图 (33)3.3.2 光线像差 (35)3.3.3 垂轴色差曲线 (36)3.3.4 调制传递函数 (37)3.3.5 点扩散函数 (38)3.3.6 能量集中度 (39)3.3.7 光学镜头图像分析 (40)3.3.8 光学镜头透过率计算 (41)3.5 温度对光学镜头成像质量的影响 (41)3.4.1 温度变化对光斑大小的影响 (42)3.4.2 温度变化对焦距和后截距的影响 (43)3.4.3 温度变化对能量包围圆半径与能量中心偏移量的影响 (44)3.4.4 温度变化对畸变、垂轴色差和点扩散函数的影响 (46)3.6 公差分析 (46)3.7 光学镜头设计结果 (50)3.8 本章小结 (51)第四章星敏感器光学系统杂散光抑制 (52)4.1 杂散光分析与抑制理论 (52)4.2 星敏感器遮光罩设计 (56)4.2.1 遮光罩参数计算与设计 (56)4.2.2 挡光环设计 (59)4.3 星敏感器光学系统建模 (60)4.4 光学系统杂散光抑制结果 (62)4.5 杂散光抑制结果验证 (64)4.6 遮光罩优化设计 (65)4.7 本章小结 (69)第五章星敏感器光学系统模拟成像分析 (70)5.1 光学镜头模拟成像 (70)5.2 光学镜头视场内杂散光抑制分析 (74)5.3 光学系统视场外杂散光模拟成像分析 (75)5.4 本章小结 (77)第六章总结与展望 (78)6.1 本文完成的工作 (78)6.2 下一步研究计划 (79)致谢 (81)参考文献 (82)作者在学期间取得的学术成果 (87)表目录表2.1 SonyICX285AL探测器参数表 (11)表2.2 不同视场下不同阈值星等的探测概率 (15)表2.3 SKY2000星表中不弱于M V的全天星数的数目 (18)表2.4 不同视场下的焦距 (18)表2.5 不同视场不同入瞳直径下的设计难度系数C (20)表2.6 不同阈值星等不同入瞳直径下的信噪比SNR (20)表2.7 方案1不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.8 方案2不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.9 方案3不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.10 方案4不同孔径光学系统信噪比和设计难度 (21)表2.11 四种方案探测到恒星的概率和星表大小 (22)表2.12 弥散斑圆大小对内插星象中心的影响 (23)表2.13 光学系统设计参数表 (24)表3.1 光学系统各视场弥散斑直径 (34)表3.2 垂轴色差数据 (37)表3.3 包围85%和90%能量时半径大小 (40)表3.4 不同温度4个半视场下的光斑均方根半径值/μm (42)表3.5 不同温度下光学镜头焦距值 (44)表3.6 不同温度下镜头焦距值相对于20°C时焦距值的变化值 (44)表3.7 不同温度时光学系统后截距参数及其移动量 (44)表3.8 4.949°视场不同温度下包围85%和90%能量的包围圆半径 (45)表3.9 不同温度引起的不同半视场能量中心偏移 (46)表3.10 不同温度下垂轴色差最大值 (46)表3.11 光学镜头主要参数 (51)表4.1 挡光环高度和位置表 (61)表4.2 杂散光追迹值表 (63)表4.3 优化结构挡光环高度和位置表 (67)表4.4 优化结构杂散光追迹值表 (68)表5.1 竖直轴不同视场星象能量中心位置 (73)表5.2 竖直轴方向不同视场星象能量提取位置 (75)图目录图2.1 探测器量子效率曲线图 (11)图2.2 不同视场下不同阈值星等的平均星数目 (17)图2.3 阈值星等5.5时不同视场下探测到不同数目的星的概率 (17)图2.4 10°视场下不同阈值星等探测到不同星的数目的概率 (17)图2.5 不同视场下难度系数C与口径直径的关系曲线 (20)图2.6 不同阈值星等不同口径下的信噪比SNR曲线图 (21)图3.1 初步优化光学系统2D结构图 (30)图3.2 初步优化光学系统点列图 (30)图3.3 初步优化光学系统传递函数曲线 (31)图3.4 初步优化光学系统点扩散函数 (31)图3.5 初始光学系统能量分布图 (31)图3.6 优化后光学镜头数据 (32)图3.7 优化后光学系统2D结构图 (32)图3.8 优化后光学镜头数据 (33)图3.9 优化后光学系统点列图 (34)图3.10 光线像差曲线 (35)图3.11 光程差曲线 (35)图3.12 优化后光学系统场曲与畸变曲线 (36)图3.13 垂轴色差曲线 (36)图3.14 光学系统传递函数曲线 (38)图3.15 点扩散函数图 (39)图3.16 优化后光学系统包围能量曲线 (39)图3.17 原始星点图像 (40)图3.18 4.949 星象示意图 (41)图3.19 -30°C、-10°C、10°C、20°C、30°C和50°C的点列图 (43)图3.20 4.949°半视场不同温度下包围85%和90%能量的包围圆半径 (45)图3.21 光学镜头公差分析时公差设置 (47)图3.22 公差分析方法设置 (48)图3.23 灵敏度分析 (48)图3.24 蒙特卡罗分析结构 (49)图3.25 蒙特卡罗统计 (49)图3.26 光学镜头3D图 (50)图3. 27镜头各单个镜片参数 (51)图4.1 表面BRDF定义图 (53)图4.2 AB g模型示意图 (53)图4.3 基本能量方程传输图 (54)图4.4 星敏感器遮光罩设计流程图 (56)图4.5 星敏感器与杂光源夹角示意图 (57)图4.6 遮光罩结构示意图 (57)图4.7 延拓后的遮光罩结构 (59)图4.8 挡光环位置结构确定示意图 (59)图4.9 结构示意图 (61)图4.10 遮光罩与光学系统剖面图 (61)图4.11 辐照度图 (62)图4.12 PST曲线 (63)图4.13 30°杂散光光线追迹图 (64)图4.14 优化结构示意图 (65)图4.15 优化结构示意图 (67)图4.16 光线追迹示意图 (68)图4.17 PST曲线 (69)图5.1不同视场星场成像模拟 (70)图5.2 光学系统整体结构图 (70)图5.3 模拟成像光线追迹 (71)图5.4 探测器模拟星象图 (71)图5.5 探测器星象能量分布 (72)图5.6 探测器能量分布 (72)图5.7 光学镜头设置光阑后光线追迹 (74)图5.8 视场内杂散光抑制后探测器能量分布 (75)图5.9 光学系统光线追迹 (75)图5.10 探测器模拟星象图 (76)图5.11 探测器杂散光模拟成像 (76)图5.12 探测器平滑后模拟星象图 (77)摘要星敏感器是以恒星为探测对象的高精度空间姿态测量装置，已被广泛应用于航天、航空、航海、制导等领域。
星敏感器工作原理华威股份
星敏感器工作原理华威股份
星敏感器是一种用于探测星体的仪器，其工作原理主要涉及光电效应和光学原理。
在星敏感器中，首先通过一个透镜将传入的光线聚焦到光电检测器上。
光电检测器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，常见的有光敏二极管、光敏电阻等。
当光线照射到光电检测器上时，光电检测器会产生相应的电流或电压信号。
接下来，星敏感器通过处理电路对光电检测器输出的电信号进行放大、滤波等处理。
处理后的信号会被送到微处理器中进行进一步的计算和分析。
在计算和分析阶段，星敏感器会利用已知的星体位置和运动信息，结合光电检测器的输出信号，来确定星体的位置、方向和速度等参数。
通过不断地对星体的位置和速度进行测量和计算，星敏感器可以实现对星体的精确追踪和定位。
总的来说，星敏感器通过检测星体发出的光信号，将其转化为电信号，并利用计算和分析来确定星体的位置和运动信息。
这样就能够实现对星体的准确追踪和定位。
星敏感器测试用微调整机构设计（英文）
星敏感器测试用微调整机构设计（英文）
陈启梦;张国玉;张健;王哲;张宇
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2017(46)10
【摘要】针对高精度星敏感器在地面标定实验中与测试设备准确对接的实际要求,设计一种纳米级星敏感器标定用五维微调整机构.详细分析了光轴对准误差对敏感器测试的影响.为保证对接精确性,提出了搭积型调整架机械结构的设计思想;论述了二维平移和三维调整模块的设计方案;对调整机构进行了仿真建模和力学分析.对设计的微调整机构进行验证性实验,结果表明:位移分辨力可以达到25nm,角度分辨力可以达到0.1角秒,且稳定性高.设计的微调整机构可以满足星敏感器与测试设备准确对接的技术指标要求,确保了星敏感器定标结果的可信度.
【总页数】9页(P181-189)
【关键词】星敏感器;纳米分辨率;微调整;建模分析
【作者】陈启梦;张国玉;张健;王哲;张宇
【作者单位】长春理工大学光电工程学院;吉林省光电测控仪器工程技术研究中心;长春理工大学理学院;航天系统仿真重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】V216.8
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5.光刻投影物镜整体式XY微调整机构设计 [J], 张德福;孙振
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航天器姿态控制技术中的星敏感器辅助设计研究
航天器姿态控制技术中的星敏感器辅助设计研究随着航天器的不断发展和进步，航天器的姿态控制技术也日益重要。
姿态控制是指控制航天器在空间中的方向、位置和速度，以实现特定的任务。
在航天器姿态控制系统中，星敏感器是一种重要的传感器，通过获取天空中的星星信息，实现对航天器姿态的精确测量和控制。
本文将讨论航天器姿态控制技术中的星敏感器辅助设计研究。
星敏感器是一种通过感知星星的空间方向，进而确定航天器姿态的传感器。
它利用光学方法对星光进行探测，并通过处理数据来确定航天器的姿态。
首先，星敏感器辅助设计需要考虑星敏感器的工作原理和性能。
星敏感器主要利用感光元件（如光电二极管）感知星光，并将光信号转换为电信号。
接下来，电信号经过放大和滤波等处理后，传递给姿态控制系统，进一步进行数据处理和姿态调整。
为了提高星敏感器的精确度和可靠性，在设计中需要重点考虑以下几个方面：1. 星敏感器的灵敏度和动态范围：在星敏感器的辅助设计中，需要确保星敏感器具有足够的灵敏度和适当的动态范围。
灵敏度是指星敏感器对星光的感知能力，灵敏度越高，传感器对星光的探测精度越高。
动态范围是指传感器能够处理的最大和最小星光强度之间的范围。
合理设计的星敏感器应具有宽动态范围，以适应不同亮度的星星。
2. 星敏感器的抗噪声能力：在航天器姿态控制中，星敏感器通常需要在复杂的空间环境中工作，如强烈的太阳光干扰、恶劣的气象条件等。
因此，星敏感器的抗噪声能力非常重要。
通过合理的信号处理算法和滤波技术，可以有效地降低星敏感器受到的噪声干扰，从而提高姿态控制的精确度。
3. 星敏感器的快速响应能力：航天器在运行过程中可能会面临各种突发情况或异常状况，需要快速调整姿态以应对。
因此，星敏感器的快速响应能力也是辅助设计中需要考虑的因素之一。
快速响应能力包括星敏感器的数据处理速度、信号传输速度和姿态控制系统的响应速度。
通过合理的星敏感器辅助设计，可以实现对航天器姿态的精确控制。
航天器在不同任务中需要保持特定的姿态，比如对地观测、轨道保持以及目标对接等。
星敏感器基本原理及研究现状与发展趋势
星敏感器基本原理及研究现状与发展趋势0 引言星敏感器是以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置，通过探测天球上不同位置的恒星并进行解算，为卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准，并且与惯性陀螺一样都具有自主导航能力，具有重要的应用价值。
星敏感器的研究发展与应用已历经半个多世纪，随着新材料，新器件的出现和工艺技术的进步，精度提高，功耗减小，成本降低，应用领域日益广泛的新型星敏感器不断推出。
因此，及时收集整理分析比较国外星敏感器的信息，有利于国内有关姿态测量控制技术的发展。
1 星敏感器研究现状1.1 应用于卫星等空间飞行器的星敏感器星敏感器空间适用性好，且成本较高，因此传统上多用于卫星等空间飞行器的定姿。
1.1.1 基于CCD图像传感器的星敏感器电荷耦合器件(CCD)体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠性高，像元尺寸及位置固定，对磁场不敏感，适合空间应用需要，自70年代中期美国率先研发出基于CCD的星敏感器后，一直作为主流的图像传感器应用于星敏感器。
（1）德国Jena-Optronik 的ASTRO 系列该公司的第一款星敏感器是ASTRO 1，1984 年研制，1989年应用于MIR(和平)空间站上。
其后的ASTRO 5是全自主星敏感器，重量轻、功耗小、价格便宜，但横滚轴精度较差，需要两枚同时工作以提高精度。
ASTRO 10 为分体式结构，电子模块与光敏模块分离，主要应用于近地轨道的各类卫星(SAR-Lupe，TerraSAR，DARPA’s Orbital Express,我国的HJ-1 与FY-3等)。
ASTRO 10 集高精度低功耗低重量低成本等优点于一身，是全自主式星敏感器。
主要特点是：内置星表，无须先验知识定姿，遮光罩的遮光角可以自定。
自主温控或者由飞行器控制。
电子模块和敏感器头部相互独立，依靠电缆连接，便于在飞行器上的安装与调整。
电子接口可选。
弹载星敏感器原理及系统应用
弹载星敏感器原理及系统应用引言：弹载星敏感器是一种用于弹道导弹和卫星之间进行星载传感器测试和校准的设备。
它通过收集和分析卫星发射的星光，在导弹的飞行过程中提供准确的导航和定位信息。
本文将介绍弹载星敏感器的原理和系统应用。
一、弹载星敏感器原理弹载星敏感器的工作原理基于光学技术。
它由一个光学系统、一个探测器和一个信号处理单元组成。
在导弹发射前，弹载星敏感器被安装在导弹的头部，以确保其能够在飞行过程中稳定地接收星光信号。
1. 光学系统：光学系统是弹载星敏感器的核心部分，它由透镜、滤光片和其他光学元件组成。
透镜用于聚焦星光信号，滤光片则用于滤除非目标波长的光源，以保证测量的准确性。
2. 探测器：探测器是弹载星敏感器的核心组件，负责将接收到的光信号转化为电信号。
常用的探测器有光电二极管和光电倍增管。
探测器根据接收到的光信号的强度和频率，产生相应的电信号。
3. 信号处理：弹载星敏感器的信号处理单元对探测器输出的电信号进行处理和分析。
它可以测量星光信号的强度、频率和相位等信息，并将这些信息转化为导弹的导航和定位数据。
二、弹载星敏感器系统应用弹载星敏感器在军事和航天领域有着广泛的应用。
以下是其中的几个方面：1. 导航和定位：弹载星敏感器可以通过测量接收到的星光信号，提供导弹的准确导航和定位信息。
通过与卫星系统的配合，可以实现导弹的精确打击目标。
2. 弹道测试和校准：弹载星敏感器可以用于弹道导弹的测试和校准。
在导弹发射前，通过对星光信号的测量和分析，可以评估导弹的飞行性能，并对导弹进行必要的校准。
3. 卫星测试和校准：弹载星敏感器还可以用于卫星的测试和校准。
在卫星发射前，通过对星光信号的测量和分析，可以评估卫星的性能，并对卫星进行必要的校准。
4. 天文观测：除了军事和航天领域，弹载星敏感器还可以用于天文观测。
它可以通过测量星光信号的强度和频率，研究宇宙中的恒星和行星等天体。
结论：弹载星敏感器是一种重要的光学设备，具有精确测量星光信号的能力。
空间探测器的星敏感器技术研究
空间探测器的星敏感器技术研究在现代航天领域，空间探测器作为人类探索宇宙、地球和各种行星等天体的重要工具之一，承担着重要的科学任务。
而星敏感器技术作为航天领域的核心技术之一，在空间探测器中发挥着至关重要的作用。
本文将着重探讨空间探测器的星敏感器技术研究，从原理、应用以及未来发展等方面进行详细介绍。
星敏感器技术是一种利用星体作为基准点实现空间探测器姿态确定的技术手段。
在航天器的定位控制中，星敏感器可以通过观测特定的星星，以确定航天器的姿态、位置和速度等重要参数。
通过星敏感器技术，航天器可以实现精确的定位和导航，从而确保任务的准确执行。
在空间探测器中，星敏感器通常由光学望远镜、星敏感器探测器和星场处理器等组成。
光学望远镜主要用于观测星体，星敏感器探测器则负责将星体转换成电信号，星场处理器则对电信号进行处理，最终确定航天器的姿态。
这样的系统设计可以有效提高空间探测器的精度和稳定性，确保其顺利完成任务。
在实际应用中，星敏感器技术在空间探测器的姿态确定、太阳、地球、近地天体等成像、精确定位和空间测绘等方面发挥着重要作用。
例如，在地球遥感卫星中，星敏感器技术可以帮助卫星实现高精度成像，对地球资源进行调查和监测。
在月球探测器中，星敏感器技术可以帮助探测器精确确定自身位置，避免碰撞或意外发生。
未来，随着航天技术的不断发展，星敏感器技术也将迎来更加广阔的应用前景。
随着空间探测器任务的不断拓展，对星敏感器技术的要求也将不断提升。
科研人员将继续深入研究星敏感器技术，提高其精度和稳定性，以满足未来空间探测器对高精度定位和导航的需求。
总的来说，空间探测器的星敏感器技术是航天领域中不可或缺的重要技术之一，具有广阔的应用前景和发展空间。
通过对星敏感器技术的深入研究和不断创新，我们相信在未来的航天领域中，星敏感器技术将会展现出更加广阔的发展前景，为人类探索宇宙和地球带来更多的科学成果和技术成就。
卫星姿态
卫星姿态卫星姿态是指卫星星体在轨道上运行所处的空间指向状态。
直角坐标系的原点置于星体上，指向地面的Z轴反映偏航方向，Y轴反映俯仰方向，X轴反映滚动方向，通常采用三轴稳定、自旋稳定、重力梯度稳定等方式保持姿态的稳定。
根据对卫星的不同工作要求，卫星姿态的控制方法也是不同的。
按是否采用专门的控制力矩装置和姿态测量装置，可把卫星的姿态控制分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。
被动姿态控制是利用卫星本身的动力特性和环境力矩来实现姿态稳定的方法，有自旋稳定、重力梯度稳定等；主动姿态控制主要是三轴稳定姿态控制方式。
定义：卫星星体所处的空间位置状态稳定方式：自旋/重力梯度/三轴稳定分类：被动姿态控制，主动姿态控制定义卫星姿态是指卫星星体在轨道上运行所处的空间指向状态。
将直角坐标系的原点置于星体上，指向地面的Z轴反映偏航方向，Y轴反映俯仰方向，X轴反映滚动方向。
星体在高空中沿局部地球铅垂方向和轨道矢量方向运行，不时地产生对三轴的偏移。
姿态控制是通过姿态控制分系统（ACS）来实现，使用地平扫描仪可感应俯仰和滚动轴的姿态误差，使用速度陀螺仪和罗盘可感应偏航轴的姿态误差。
姿态控制方式姿态的稳定通常采用以下几种方式：①三轴稳定。
依靠姿态控制分系统使卫星偏航轴方向始终保持与当地铅垂线方向一致，以保对地观测传感始终对准地面；②自旋稳定。
卫星自转轴对空间某点取向固定，使其姿态保持稳定；③重力梯度稳定。
在地球重力场作用下，转动物体的转轴逐渐达到平衡状态，与重力梯度方向一致，即同当地垂直线方向一致，以保持卫星姿态的稳定。
根据对卫星的不同工作要求，卫星姿态的控制方法也是不同的。
按是否采用专门的控制力矩装置和姿态测量装置，可把卫星的姿态控制分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。
被动姿态控制：被动姿态控制是利用自然环境力矩或物理力矩源，如自旋、重力梯度、地磁场或气动力矩等以及他们之间的组合来控制航天器的姿态。
这种系统不需要电源，因而也不需要姿态敏感器和控制逻辑线路。
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星敏感器- 纳型星敏感器
星敏感器通过对恒星成像，进行图像识别后完成航天器的姿态测量。
ST-HA-APS4-1微纳型星敏感器产品基于敏捷制造的研发理念，具备快速批量化生产能力，是一种低重量、低功耗、低成本的星敏感器。
产品特点
星敏感器通过对恒星成像，进行图像识别后完成航天器的姿态测量。
ST-HA-APS4-1微纳型星敏感器产品基于敏捷制造的研发理念，具备快速批量化生产能力，是一种低重量、低功耗、低成本的星敏感器。
性能指标
测量精度：5”（1σ，光轴方向）标定后可达3”
动态性能：≤2deg/s可跟踪
电源功耗：1W
姿态更新频率：10Hz
太阳抑制角：40deg
应用领域
产品适用于微小型卫星平台。