甚高精度星模擬器及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、星敏感器作為一種高精度空間姿態(tài)光學(xué)敏感器，在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對星敏感器的測量精度提出了更高的要求，高精度星敏感器的研制已迫在眉睫，星敏感器的精度標(biāo)定是實(shí)現(xiàn)其姿態(tài)準(zhǔn)確測量必不可缺少的重要環(huán)節(jié)，因此星敏感器的高精度標(biāo)定問題是深空探測、導(dǎo)航領(lǐng)域急待解決的難題。而目前國內(nèi)外地面標(biāo)定所采用的方法精度只能達(dá)到10″左右，不能滿足高精度星敏感器精度(≤1″)的標(biāo)定要求。為此本文在探索星敏感器高精度標(biāo)定方法和解決途徑的基礎(chǔ)上

2、，以提高標(biāo)定精度為目標(biāo)，開展甚高精度星模擬器及其關(guān)鍵技術(shù)研究，并設(shè)計(jì)一種精度優(yōu)于0.5″(1σ)的甚高精度星模擬器，以解決星敏感器的地面高精度標(biāo)定難題，其可用于高精度星敏感器測量精度的地面標(biāo)定和仿真試驗(yàn)，對研究高精度星敏感器、深空探測與高精度導(dǎo)航技術(shù)具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　在研究分析國內(nèi)外星敏感器各種標(biāo)定方法及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用長焦距高成像質(zhì)量準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和單點(diǎn)可控星圖模擬方法與控制技術(shù)，提出了一種甚高精度星模擬器的總體設(shè)計(jì)

3、方案，實(shí)現(xiàn)了固定天區(qū)動(dòng)靜態(tài)星圖的模擬與顯示。模擬器主要由長焦距高成像質(zhì)量準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和高精度可變星等目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)源組成，在長焦距高成像質(zhì)量準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦面上放置一個(gè)刻有具有一定大小和分布規(guī)律的多個(gè)透光微孔作為星點(diǎn)的高精度可變星等目標(biāo)源，每個(gè)星點(diǎn)的位置和亮度可設(shè)定與控制，由多個(gè)星點(diǎn)組合可形成固定天區(qū)的動(dòng)靜態(tài)星圖，該星圖經(jīng)過長焦距高成像質(zhì)量準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)后成平行光出射，在光學(xué)系統(tǒng)出瞳處產(chǎn)生星圖，從而實(shí)現(xiàn)了固定天區(qū)星圖的動(dòng)靜態(tài)模擬。
　　針

4、對星點(diǎn)成像質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)了一種長焦距高成像質(zhì)量準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)是甚高精度星模擬器最重要的組成部分，在遵循模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，采用長焦距、大視場光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，利用ZEMAX對準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制系統(tǒng)畸變和能量中心與主光線偏差，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了像質(zhì)評價(jià)與光學(xué)公差分析，得出畸變和能量中心與主光線偏差的設(shè)計(jì)值，分析其對星模擬器精度的影響。通過上述的設(shè)計(jì)、計(jì)算與分析為甚高精度星

5、模擬器的研究提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，并為甚高精度星模擬器的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
　　對現(xiàn)有的星模擬器星圖顯示方式進(jìn)行了全面分析和研究后，從提高星點(diǎn)定位精度并且實(shí)現(xiàn)星圖變換的目的出發(fā)，基于靜態(tài)星模擬器星圖顯示技術(shù)的原理，提出了一種用靜態(tài)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)源實(shí)現(xiàn)固定天區(qū)星圖動(dòng)態(tài)模擬與顯示方法，并對高精度可變星等目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行了設(shè)計(jì)。利用激光直寫技術(shù)刻劃星點(diǎn)的精度優(yōu)勢（位置精度≤0.5μm），并突破傳統(tǒng)靜態(tài)星模擬器照明方式，采用單點(diǎn)可控矩陣式LED照明技術(shù)為

6、星圖靶標(biāo)提供光源，控制每個(gè)星點(diǎn)的亮滅和亮度，實(shí)現(xiàn)固定天區(qū)星圖的動(dòng)靜態(tài)模擬。該方法可模擬的動(dòng)態(tài)星圖雖然樣式有限，但克服了傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)星圖模擬精度受顯示器件像素尺寸影響的難題，并且在星圖顯示系統(tǒng)中也無需加入復(fù)雜的計(jì)算控制軟件，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，為甚高精度星模擬器的實(shí)現(xiàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，并具有工程應(yīng)用價(jià)值。
　　詳細(xì)分析了甚高精度星模擬器的精度評價(jià)方法。星模擬器以星光出射精度作為精度評價(jià)指標(biāo)，影響星光出射精度的誤差源主要有準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)引

7、入的誤差和星點(diǎn)刻劃方式引入的誤差。分別從光學(xué)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)的結(jié)果和實(shí)際加工與裝調(diào)后的結(jié)果兩個(gè)方面，對影響星光出射精度的誤差源進(jìn)行了理論分析與計(jì)算。結(jié)果表明:甚高精度星模擬器的星光出射精度，在理論設(shè)計(jì)的指標(biāo)下進(jìn)行精度分析可達(dá)到0.0651″;在實(shí)際加工與裝調(diào)后的指標(biāo)下進(jìn)行精度分析可達(dá)到0.2312″，均滿足星敏感器高精度地面標(biāo)定的要求。
　　綜上所述，本文研究的甚高精度星模擬器，能夠在地面上模擬星空中有限個(gè)不同形式的星圖，并且星光出射