星敏感器地面标定设备的设计_孙高飞

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1 星模拟器的组成和工作原理
功能检测型星模拟器 [2] 作为星敏感器的地面标 定 设备 ， 是为了能更好地模拟出星 敏 感 器 在 轨 工 作 的 实 际 状 态 。 它 主 要 由 准 直 物 镜 组 件 、 LCOS 组 件 、 光 源
( 背 光 板 )、 电 源 和 安 装 支 架 、 接 口 及 驱 动 电 路 、 星 模 拟
Abstract: In order to realize the ground calibration tests of star sensors, a ground calibration system of large field of view and high angular distance between stars ′ simulation accuracy was designed, the composition of calibration system, optical system design and simulation precision were studied. According star sensors ground calibration requirements the system components was introduced, a method to realize the angular distance between stars ′ simulation precision better than that of 20 ″ was put forward. Using the new display LCOS as star chart display, the image plane field by splicing methods was expanded, and Zemax software was used to design the optical system accordingly. On the basis of the original measuring method, the evaluation method of ground calibration equipment precision was given. And a way was proposed to improve the angular distance between stars ′ simulation accuracy by the method of star correction. The
摘 要 ： 为 了实现 星 敏 感 器的 地 面 标定 试 验， 设计 一 套 视 场 大 且 星 间 角 距 模 拟 精度高 的 星 敏 感 器 地
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面 标定 系 统 ， 对 标定 系 统 的 组 成 、 光学 系 统 设计和 模 拟 仿真 精度等进行 研究。 根据星 敏 感 器的 地 面 标 定要 求 介绍 系 统组 成， 提出 实现 星 间 角 距 模 拟 精度 优 于 20 ″ 的 方 法 ； 采 用 新 型 显示 器 件 LCOS 作 为 星 图 显示 器， 通过像 面 拼 接 的 方 法 扩 大 视 场 ， 并 据 此 利 用 Zemax 软 件设计 光学 系 统 。在 原 有 测 量 方 法 的 基 础上 ，给出 地 面 标定 设备 的 精度 评价 方 法 。 并提出 一 种 能 够 提 高 星 间 角 距 模 拟 精度 的 星 点 修 正方 法 。实验 结 果 表明： 星 敏 感 器 地 面 标定 设备 的 星 间 角 距 模 拟 精度 小 于 20 ″ ， 满足 对 星 敏 感 器 进行 地 面 标定 试 验的要 求 。
收 稿 日 期 ： 2013-02-02 ； 修 订 日 期 ： 2013-03-07
基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 (40905011) 作 者 简 介 ： 孙 高 飞 (1985-) ， 女 ， 博 士 生 ， 主 要 从 事 航 天 地 面 标 定 及 仿 真 试 验 方 面 的 研 究 。 Email:sungaofei1985516@ 导 师 简 介 ： 张 国 玉 (1962-) ， 男 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 博 士 ， 主 要 从 事 空 间 科 学 与 技 术 、 光 电 仪 器 与 检 测 技 术 等 方 面 的 研 究 。
第 42 卷第 10 期
Vol.42 No.10
红外与激 光工 程 Infrared and Laser Engineering
2013 年 10 月
Oct.2013
星敏感器地面标定设备的设计
孙 高 飞 1， 张国 玉 1,2， 高 玉 军 3， 王 凌 云 1,2， 苏 拾 1,2， 付 芸 1,2， 王向东 (1. 长 春理工大学 光电工 程 学院， 吉 林 长 春 130022 ； 2. 吉 林 省 光电 测控 仪 器工 程 技术 研究中 心 ， 吉 林 长 春 130022 ； 3. 中国科学院 长 春光学 精 密 机 械 与物 理研究所， 吉 林 长 春 130022 ； 4. 晋 西 工业集团有限 责 任 公司， 山西 太 原 030027)
Email:zh_guoyu@
第 10 期
孙 高 飞 等 ：星 敏 感 器 地 面 标 定 设 备 的mental results show that the star sensor ground calibration equipment of the angular distance between stars′ simulation precision is less than 20 ″, meet the star sensor for ground calibration test requirements. Key words: star sensor; calibration; star simulator; simulation precision
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红外与激 光工 程
关 键 词 ： 星 敏 感 器； 标定； 星 模 拟 器； 仿真 精度 中 图 分 类 号 ： V416.8 文献标志码： A 文 章 编 号 ： 1007-2276(2013)10-2822-06
Design of star sensor ground calibration equipment
Sun Gaofei1, Zhang Guoyu1,2, Gao Yujun3, Wang Lingyun1,2, Su Shi1,2, Fu Yun1,2, Wang Xiangdong4
时 修 正 的 方 法 ，以 保 证 星 图 模 拟 精 度 的 要 求 。
0 引 言
随着国内航天事业的迅猛发展， 星敏感器以其 精确的量测精度 ，在 航 天 器 导 航 方 面 ，受 到 越 来 越 多 的 关 注 。 星 敏 感 器 的 功 能 是 观 测 恒 星 的 角 位 置 ，通 过 卡尔曼滤波的方法确定航天器的位置和速度。 而星 敏感器在研制时 ，不 可 避 免 地 存 在 多 个 误 差 源 ，如 光 学 系 统 误 差 、机 械 结 构 误 差 、电 学 线 路 误 差 和 算 法 误 差等等。 那么 ，在 星 敏 感 器 投 入 使 用 前 ，就 必 须 提 出 一种对其精度进行标定的设备。 考虑到航天试验不 仅 难 度 大 ，而 且 成 本 太 昂 贵 ，因 此 国 内 多 采 用 半 物 理 仿真技术进行试验研究。 半物理仿真系统主要包括 由 星 敏 感 器 、星 模 拟 器 、轨 道 发 生 器 和 导 航 计 算 机 等 构 成 。 与 传 统 的 方 法 相 比 ，它 不 仅 可 以 验 证 星 敏 感 器 样机的参数和性能， 更可以验证先进的滤波算法和 天文导航方法等。 星模拟器作为半物理仿真系统的重要组成 ，它 也是验证和标定星敏感器的主要设备。 按工作方式 的不同分为标定型星模拟器和功能检测型星模拟 器 。 标 定 型 星 模 拟 器 的 实 质 是 一 个 平 行 光 管 ，在 焦
(1. College of Opto - electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China; 2. Optical measurement and control instrumentation, Jilin Province Engineering Research Center, Changchun 130022, China; 3. Changchun Institute of Optics, Fine Machines and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China; 4. Jinxi Industries Group Co. LTD, Taiyuan 030027, China)
面位置放置星点 板 ，经 光 源 照 射 后 ，星 点 板 就 可 以 通 过平行光管成像到无穷远来模拟星图。 这种星模拟 器的结构简单，没有实时性要求 ，但对单星张角 、星 点位置和星等的模拟精度要求很高。 功能检测型星 模拟器的主要功能则是可以在地面上进行实时的星 图模拟， 产生的实时星图与待测星敏感器的工作状 态相匹配， 可以对星敏感器的星点提取和星图识别 算 法 进 行 功 能 测 试 。 这 种 星 模 拟 器 结 构 较 为 复 杂 ，对 星图刷新率和模拟星图的星间角距精度要求高。 且 作为星模拟器显示核心器件的光阀， 国内研制水平 很 低 ，同 时 受 国 外 对 国 内 的 出 口 限 制 ，因 此 制 约 了 功 能检测型星模拟器的发展。 文中设计功能检测型星模拟器， 星图显示部分 采 用 了 LCOS 器 件 ， 并 对 其 提 出 拼 接 使 用 的 新 方 法 ， 按星敏感器的要求， 在视场范围内形成成像在无穷 远的高精度模拟星图。 并且对星点位置提出一种实