甚高精度星模拟器及其关键技术研究

摘要

星敏感器作为一种高精度空间姿态光学敏感器，在航天领域得到了广泛应用。随着航天技术的发展，对星敏感器的测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，星敏感器的精度标定是实现其姿态准确测量必不可缺少的重要环节，因此星敏感器的高精度标定问题是深空探测、导航领域急待解决的难题。而目前国内外地面标定所采用的方法精度只能达到10″左右，不能满足高精度星敏感器精度(≤1″)的标定要求。为此本文在探索星敏感器高精度标定方法和解决途径的基础上，以提高标定精度为目标，开展甚高精度星模拟器及其关键技术研究，并设计一种精度优于0.5″(1σ)的甚高精度星模拟器，以解决星敏感器的地面高精度标定难题，其可用于高精度星敏感器测量精度的地面标定和仿真试验，对研究高精度星敏感器、深空探测与高精度导航技术具有重要意义和应用价值。
　　在研究分析国内外星敏感器各种标定方法及特点的基础上，采用长焦距高成像质量准直光学系统和单点可控星图模拟方法与控制技术，提出了一种甚高精度星模拟器的总体设计方案，实现了固定天区动静态星图的模拟与显示。模拟器主要由长焦距高成像质量准直光学系统和高精度可变星等目标标准源组成，在长焦距高成像质量准直光学系统的焦面上放置一个刻有具有一定大小和分布规律的多个透光微孔作为星点的高精度可变星等目标源，每个星点的位置和亮度可设定与控制，由多个星点组合可形成固定天区的动静态星图，该星图经过长焦距高成像质量准直光学系统后成平行光出射，在光学系统出瞳处产生星图，从而实现了固定天区星图的动静态模拟。
　　针对星点成像质量问题，设计了一种长焦距高成像质量准直光学系统。准直光学系统是甚高精度星模拟器最重要的组成部分，在遵循模拟器光学系统设计原则的基础上，采用长焦距、大视场光学系统设计与计算方法，利用ZEMAX对准直光学系统进行了优化设计，严格控制系统畸变和能量中心与主光线偏差，确定系统的结构参数，并对光学系统进行了像质评价与光学公差分析，得出畸变和能量中心与主光线偏差的设计值，分析其对星模拟器精度的影响。通过上述的设计、计算与分析为甚高精度星模拟器的研究提供了设计依据，并为甚高精度星模拟器的实现奠定了基础。
　　对现有的星模拟器星图显示方式进行了全面分析和研究后，从提高星点定位精度并且实现星图变换的目的出发，基于静态星模拟器星图显示技术的原理，提出了一种用静态目标标准源实现固定天区星图动态模拟与显示方法，并对高精度可变星等目标标准源进行了设计。利用激光直写技术刻划星点的精度优势（位置精度≤0.5μm），并突破传统静态星模拟器照明方式，采用单点可控矩阵式LED照明技术为星图靶标提供光源，控制每个星点的亮灭和亮度，实现固定天区星图的动静态模拟。该方法可模拟的动态星图虽然样式有限，但克服了传统的动态星图模拟精度受显示器件像素尺寸影响的难题，并且在星图显示系统中也无需加入复杂的计算控制软件，简化了系统的设计难度，为甚高精度星模拟器的实现奠定了技术基础，并具有工程应用价值。
　　详细分析了甚高精度星模拟器的精度评价方法。星模拟器以星光出射精度作为精度评价指标，影响星光出射精度的误差源主要有准直光学系统引入的误差和星点刻划方式引入的误差。分别从光学系统理论设计的结果和实际加工与装调后的结果两个方面，对影响星光出射精度的误差源进行了理论分析与计算。结果表明:甚高精度星模拟器的星光出射精度，在理论设计的指标下进行精度分析可达到0.0651″;在实际加工与装调后的指标下进行精度分析可达到0.2312″，均满足星敏感器高精度地面标定的要求。
　　综上所述，本文研究的甚高精度星模拟器，能够在地面上模拟星空中有限个不同形式的星图，并且星光出射精度优于0.5″(1σ)，可用于高精度星敏感器测量精度的地面标定和仿真试验，解决了星敏感器的高精度标定难题，为研制高精度星敏感器奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究的目的意义

1．2 星敏感器技术简介

1．3 星模拟器国内外研究现状和发展趋势

1．3．1 国外星模拟器研究现状和发展趋势

1．3．2 国内星模拟器研究现状和发展趋势

1．4 主要研究内容和关键技术

1．4．1 研究内容

1．4．2 拟解决的关键技术

1．5 本章小结

第二章 星敏感器地面标定技术

2．1 星敏感器地面标定原理

2．1．1 星敏感器标定模型

2．1．2 星敏感器参数标定方法

2．2 星敏感器地面标定方法

2．2．1 天文标定方法

2．2．2 参数标定与误差补偿标定方法

2．2．3 模型参数分析与校准标定方法

2．3 星敏感器地面标定系统

2．3．1 基于静态星模拟器的地面标定系统

2．3．2 基于动态星模拟器的地面标定系统

2．4 本章小结

第三章 甚高精度星模拟器的总体设计方案

3．1 模拟器的组成、总体结构和工作原理

3．1．1 模拟器的组成及功用

3．1．2 模拟器总体方案与总体结构布局

3．1．3 模拟器的工作原理

3．2 模拟器主要部分的设计与选取

3．2．1 准直光学系统光机结构设计

3．2．2 自准直调焦装置设计

3．2．3 隔振光学平台的选取

3．3 系统的主要技术指标

3．4 本章小结

第四章 模拟器光学系统设计

4．1 恒星的模拟参数分析

4．2 光学设计基本原则

4．3 初始结构设计

4．3．1 主要校正的像差

4．3．2 设计指标与结构类型选择

4．3．3 初始结构计算

4．4 优化设计与像质评价

4．5 光学公差分析

4．5．1 公差种类与分析方法

4．5．2 公差分配及分析结果

4．6 本章小结

第五章 高精度可变星等目标标准源

5．1 可变星等目标标准源组成与工作原理

5．1．1 基本组成

5．1．2 工作原理

5．2 可变星相分布甚高精密靶标

5．2．1 星图靶标的设计与制备

5．2．2 光学滤光片设计

5．3 可变星等弱目标模拟照明系统

5．3．1 单点可控矩阵式LED照明系统设计

5．3．2 星图显示系统设计

5．3．3 星图动态显示

5．4 三维移动工作台的选取

5．5 本章小结

第六章 甚高精度星模拟器精度理论分析

6．1 理论设计的星光出射精度分析

6．1．1 光学系统误差对星点位置的影响

6．1．2 星图靶标制作误差对星点位置的影响

6．1．3 星点位置误差

6．1．4 星光出射精度

6．2 实际加工与装调后星光出射精度分析

6．2．1 实际光学系统误差对星点位置的影响

6．2．2 实际星图靶标制作误差对星点位置的影响

6．2．3 实际星点位置误差

6．2．4 实际星光出射精度

6．3 星光出射精度分析结果

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 主要研究工作总结

7．2 论文主要创新工作

7．3 前景展望

致谢

参考文献

攻读博士期间的学术成果和参与科研情况

作者简介