星模拟器及星敏感器地面标定设备

摘要

本发明提供一种星模拟器及星敏感器地面标定设备，该星模拟器包括照明系统和光学系统。照明系统包括控制模块、模拟开关模块、发光模块、星图靶标入射板和靶标。控制模块产生控制信号和星等模拟信号，并输出。模拟开关模块根据接收到的控制信号选择一个模拟通路，并将接收到的星等模拟信号通过选择的模拟通路输出。发光模块包括多个放大及电流驱动电路，和多个LED。光学系统包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第二负透镜，第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第二负透镜依次设置在同一水平光路的光轴上。本发明提供的星模拟器及星敏感器地面标定设备，提高了星图模拟的分辨率和对比度，提高了星图模拟的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及航天器标定技术，尤其涉及一种星模拟器及星敏感器地面标 定设备。

背景技术

随着航天科技的发展，空间飞行器已经越来越趋向于采用空间光学姿态 敏感器进行实时姿态的捕捉与测量，而采用星光制导来代替惯导，用星图实 时校正、稳定飞行器姿态来代替单轴或三轴陀螺稳定态的星敏感器，目前已 经得到广泛的应用，飞行器可以根据其实时提供的飞行位置偏差和姿态偏差， 随时启动伺服系统以校正这些偏差。

星模拟器作为星敏感器的地面标定设备的重要组成部分，用于模拟天空 中星的位置、亮度以及光谱特性等。星模拟器按照工作方式的不同可以分为 静态星模拟器和动态星模拟器。静态星模拟器实质是一个平行光管，在焦面 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，可以实现单星张 角、星点位置和星等的高精度模拟，但只能模拟单一的星图，灵活性不高。 动态星模拟器则通常以液晶光阀等作为星图显示器件，通过计算机软件对各 个像素点的控制，实现对星图的动态模拟和星点的星等控制。这种星模拟器 结构较为复杂，对星图刷新率要求高，而且由于在模拟星点时受到像素尺寸 的制约，往往模拟精度不如静态星模拟器高。

发明内容

本发明提供一种星模拟器及星敏感器地面标定设备，以提高星图模拟的 精度和灵活性。

本发明提供一种星模拟器，包括：

照明系统，包括控制模块、模拟开关模块、发光模块、星图靶标入射板 和靶标；

所述控制模块用于根据接收到的用以指示星点位置的星位指示信号和用 以指示星点亮度的星等指示信号产生控制信号和星等模拟信号，并输出；

所述模拟开关模块包括多个模拟通路，所述模拟开关模块与所述控制模 块相连，用于根据接收到的所述控制信号选择一个所述模拟通路，并将接收 到的所述星等模拟信号通过选择的所述模拟通路输出；

所述发光模块包括多个放大及电流驱动电路，和多个LED，所述放大及 电流驱动电路与所述LED一一对应相连，所述放大及电流驱动电路与所述模 拟开关的模拟通路一一对应相连，所述放大及电流驱动电路用于将接收到的 所述星等模拟信号进行放大和电压-电流变换处理，产生电流输出信号，以驱 动所述LED发光；

所述多个LED阵列式设置在所述星图靶标入射板上；

所述靶标上穿设有多个圆孔，所述圆孔与所述LED对应设置；

光学系统，包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜和第二负透镜， 所述第一负透镜、所述第一正透镜、所述第二正透镜和所述第二负透镜依次 设置在同一水平光路的光轴上，所述照明系统发出的光经过所述第一负透镜、 所述第一正透镜、所述第二正透镜和所述第二负透镜后平行射出。

本发明提供一种星敏感器地面标定设备，包括气浮式光学平台，还包括 如本发明提供的星模拟器，所述星模拟器设置在所述气浮式光学平台上。

由上述技术方案可知，本发明提供的星模拟器及星敏感器地面标定设 备，照明系统能够实现根据星位指示信号控制多个LED的其中之一发光，以 对星点位置的模拟，提高了星图变换的灵活性。LED发光的亮度可以根据星 等指示信号产生相应幅值的电流信号来控制，以对星点亮度的模拟。且LED 为可以产生高亮的元件，亮度的可调范围大，且亮度均匀，提高了星图模拟 的分辨率和对比度，提高了星图模拟的精度。而且光学系统为分离式光学系 统，可以避免胶合镜片的胶合面对成像的影响，进一步提高了成像精度，且 所使用的光学零件少，结构简单，有利于加工和装配。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的星模拟器结构示意图；

图2为图1中照明系统的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的星模拟器的光学系统结构示意图；

图4为本发明实施例三提供的星模拟器的光学系统结构示意图；

图5为本发明实施例四提供的星模拟器的照明系统结构示意图；

图6为本发明实施例六提供的甚高精度星敏感器地面标定装置的结构 示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明 的是，在附图或说明书中，相似或相同的元件皆使用相同的附图标记。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的星模拟器结构示意图，图2为图1中照明 系统的结构示意图。如图1和图2所示，本实施例提供的星模拟器具体可以 应用于对星敏感器的地面标定，本实施例提供的星模拟器具体包括照明系统 81和光学系统82。照明系统81包括控制模块11、模拟开关模块12、发光模 块13、星图靶标入射板和靶标。控制模块11用于根据接收到的用以指示星 点位置的星位指示信号和用以指示星点亮度的星等指示信号产生控制信号和 星等模拟信号，并输出。模拟开关模块12包括多个模拟通路，模拟开关模块 12与控制模块11相连，用于根据接收到的控制信号选择一个模拟通路，并 将接收到的星等模拟信号通过选择的模拟通路输出。发光模块13包括多个放 大及电流驱动电路131，和多个LED，放大及电流驱动电路131与LED一一 对应相连，放大及电流驱动电路131与模拟开关的模拟通路一一对应相连， 放大及电流驱动电路131用于将接收到的星等模拟信号进行放大和电压-电流 变换处理，产生电流输出信号，以驱动LED发光。多个LED阵列式设置在 星图靶标入射板(未示出)上。靶标(未示出)上穿设有多个圆孔，圆孔与 LED对应设置。圆孔的直径具体可以为20微米。星图靶标入射板上设置的 LED发出的光经过靶标上的圆孔后，形成亮度均匀的星图。光学系统82包括 第一负透镜21、第一正透镜22、第二正透镜23和第二负透镜24，第一负透 镜21、第一正透镜22、第二正透镜23和第二负透镜24依次设置在同一水平 光路的光轴上，照明系统81发出的光经过第一负透镜21、第一正透镜22、 第二正透镜23和第二负透镜24后平行射出。

具体的，控制模块11可以为用户提供人机交互界面，以供用户输入用以 指示星点位置的星位指示信号和用以指示星点亮度的星等指示信号。星等模 拟信号具体为电压信号，具有一定的电压值，星等模拟信号与星等指示信号 向对应，不同数值的星等指示信号对应的星等模拟信号的电压值也不同。通 过该星等模拟信号可以控制LED的发光亮度，以实现对星等的模拟。控制信 号具体为控制LED位置的数字信号值，模拟开关模块12在控制信号的控制 下选择多个模拟通路其中之一，即控制多个LED其中之一发光，以模拟星点 的位置。模拟开关模块12具体可以为具有地址控制端的单刀多掷开关，在控 制信号的控制下在多个模拟通路之间切换。通过模拟开关模块12输出的星等 模拟信号经过放大及电流驱动电路131的放大处理，并由电压信号转换成电 流信号后驱动相对应的LED发光，就实现了对LED的单点控制。LED的位 置和数量具体可以根据星图需要来设置。

具体的，第一负透镜21、第一正透镜22、第二正透镜23和第二负透镜 24的光心都位于同一光轴上，可以通过支架将各透镜固定。第一负透镜21 材料具体可以为BF11玻璃，属于钡火石玻璃。第一正透镜22的材料具体可 以为TF3玻璃，属于特种火石玻璃。第二正透镜23的材料具体为TF3玻璃， 属于特种火石玻璃。第二负透镜24的材料具体可以为BF11玻璃，属于钡火 石玻璃。各透镜也可以采用其他具有较低色散系数的材料，不以本实施例为 限。第一负透镜21、第一正透镜22、第二正透镜23和第二负透镜24所组成 的光学系统82的焦距具体可以为5000mm。照明系统81发出的光经过光学 系统82的各透镜的处理后形成平行光，将星图成像到无穷远，以模拟甚高精 度星敏感器在轨观测到的星图。

本实施例提供的星模拟器，照明系统81能够实现根据星位指示信号控制 多个LED的其中之一发光，以对星点位置的模拟，提高了星图变换的灵活性。 LED发光的亮度可以根据星等指示信号产生相应幅值的电流信号来控制，以 对星点亮度的模拟。且LED为可以产生高亮的元件，亮度的可调范围大，且 亮度均匀，提高了星图模拟的分辨率和对比度，提高了星图模拟的精度。而 且光学系统82为分离式光学系统82，可以避免胶合镜片的胶合面对成像的 影响，进一步提高了成像精度，且所使用的光学零件少，结构简单，有利于 加工和装配。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的星模拟器的光学系统结构示意图。如图3 所示，本实施例中，该星模拟器还可以包括滤光片25和衰减片26。滤光片 25设置在照明系统81和光学系统82之间，用于将照明系统81发出的光进 行滤光处理。衰减片26设置在滤光片25和光学系统82之间，用于将从滤光 片25射出的光进行衰减处理。具体的，滤光片25用于模拟光谱波段，可以 实现0.5μm～0.8μm光谱范围。衰减片26用于衰减星点输出能量，可以采用 衰减系数分别为30％(透过率T＝0.7)、50％(透过率T＝0.5)或75％(透 过率T＝0.25)的衰减片26供。

在本实施例中，光学系统82还可以包括第一反射镜27、第一分光棱镜 28和第一读数显微镜29。第一反射镜27设置在第二负透镜24的后面，第一 反射镜27用于将从第二负透镜24射出的平行光原路反射，平行光对第一反 射镜27的入射角为0度。第一分光棱镜28设置在照明系统81与第一镜片之 间，分光棱镜用于将从照明系统81发出的光透射给第一镜片，以及将从第一 镜片射出的光进行分光处理，形成第一子光束。第一读数显微镜29用于对第 一子光束进行检测。

照明系统81发出的光经过第一分光棱镜28，一部分光透射出第一分光 棱镜28后，经过第一负透镜21、第一正透镜22、第二正透镜23和第二负透 镜24的处理后，形成平行光，平行光垂直入射第一反射镜27，经过第一反 射镜27的反射后原路返回，经过第二负透镜24、第二正透镜23、第一正透 镜22和第一负透镜21后，再经过第一分光棱镜28进行分光处理，形成第一 子光束。通过第一读数显微镜29对第一子光束进行检测，可以实现对星光出 射精度的检测。具体的，第一读数显微镜29设置在三维调整机构上，第一读 数显微镜29前设有十字分划板30或高精度网格板，可以采用激光直写方法 制作，其刻线定位精度为0.2～0.5μm，以提高第一显微镜的检测角度和精度。 具体的，第一读数显微镜29与第一分光棱镜28的间隔，和照明系统81的与 第一分光棱镜28的间隔相等。

在实际的星模拟器星光出射精度标定过程中，可以采用特制的标准靶标 为基准来标定星光的出射精度，将星模拟器的靶标换成标准靶标，并将标准 靶标位置调整到光学系统82的焦平面上，设置有标准靶标的照明系统81产 生的图案为标准靶标的图案，图案经第一分光棱镜28、分光棱镜、第一负透 镜21、第一正透镜22、第二正透镜23和第二负透镜24后，垂直入射第一反 射镜27后原路返回，再经过第一分光棱镜28进行分光处理，十字分划板30 上形成标准靶标的自准直像，通过第一读数显微镜29(用于瞄准)及三维调 整机构(用于测量位移)测量出标准靶标图案自准直像各像点的位置与标准 靶标上已知图案位置相比较，设其误差的最大值为Δ_max，由于光学系统82的 误差在通过自准直平面反射镜后返回在像面上被放大二倍，提高了检验精度， 则星光出射精度Δθ为：

其中，f_实为光学系统82实测焦距值。

若光学系统82产生的测量误差为0.124″，标准靶标采用激光直写设备制 作，刻线定位精度为0.2～0.5μm，由此造成的测量误差为0.0083″～0.021″， 三维调整机构的位移测量精度为1μm，由此造成的测量误差为0.058″，读数 显微镜采用夹线对准方式，选取读数显微镜的放大率为50×，由此产生的测 量误差为0.03″，误差合成后，星光出射精度检测的测量误差为0.142″，由 此提高了星光出射精度检测的精度。

实施例三

图4为本发明实施例三提供的星模拟器的光学系统结构示意图。如图4 所示，本实施例提供的星模拟器与实施例二的区别在于，还可以采用以下结 构对星光出射精度进行检验。光学系统82还可以包括第二反射镜31、第三 反射镜32、第二分光棱镜33和第二读数显微镜34。第二反射镜31用于将照 明系统81发出的光反射给第一镜片，照明系统81发出的光对第二反射镜31 的入射角为10度。第三反射镜32设置在第四镜片的后面，第三反射镜32用 于将从第四镜片射出的平行光原路反射，平行光对第三反射镜32的入射角为 0度。第二分光棱镜33设置在照明系统81与第二反射镜31之间，且设置在 照明系统81的光路上，第二分光棱镜33用于将照明系统81发出的光透射给 第二反射镜31，以及将经过第二反射镜31反射回来的光进行分光处理，形 成第二子光束。第二读数显微镜34用于对第二子光束进行检测。

照明系统81发出的光经过第二分光棱镜33，一部分光透射出第一分光 棱镜28后，经过第二反射镜31的反射后，经过第一负透镜21、第一正透镜 22、第二正透镜23和第二负透镜24的处理形成平行光，平行光垂直入射第 三反射镜32，经过第三反射镜32的反射后原路返回，经过第二负透镜24、 第二正透镜23、第一正透镜22和第一负透镜21后，经过第二反射镜31的 反射，再经过第一分光棱镜28进行分光处理，形成第二子光束。通过第二读 数显微镜34对第二子光束进行检测，就可以完成对星光出射精度的检测。通 过第二反射镜31的设置，进行光路折转，可以减小整个星模拟器光学系统 82的尺寸，进一步减小了气浮式光学平台的尺寸，也提高了空间的利用率。

实施例四

图5为本发明实施例四提供的星模拟器的照明系统结构示意图。如图5 所示，在本实施例中，控制模块11具体可以包括控制器111和数模转换器 112。控制器111用于根据接收到的用于指示星点位置的星位指示信号和用于 指示星点亮度的星等指示信号产生星等数字信号和控制信号，并输出。数模 转换器112与控制器111相连，用于将星等数字信号经过模拟转换为星等模 拟信号，并输出。星等数字信号为控制LED亮度的数字信号值，以模拟星点 的亮度，星等数字信号经过数/模接口电路120转换成与该星等数字信号相对 应的星等模拟信号，数/模接口电路120具体可以采用DAC0832芯片。

在本实施例中，发光模块13为多个，且发光模块13具有使能端。相应 地，照明系统81还包括地址译码器14，地址译码器14具有地址信号输入端 和多个片选信号输出端，地址信号输入端用于接收控制电路输出的控制信号， 片选信号输出端与发光模块13的使能端一一对应相连，地址译码器14用于 根据接收到的控制信号，产生片选信号，并通过片选信号输出端输出。地址 译码器14根据控制信号产生片选信号，以控制多个发光模块13其中之一工 作，通过地址译码器14的设置，可以实现对多个发光模块13的选择控制。 当星图需要的LED数量比较多时，可以不用另外增加控制模块11即可实现 对LED的控制。

在本实施例中，LED的数量具体可以为121个，星图靶标入射板上相应 穿设121个安装位，安装位的前端与星图靶标入射板上设置的第一孔口相连 通，安装位的后端与设有星图靶标入射板上设置的第二孔口相连通，第一孔 口的直径为1毫米，第二孔口的直径为3毫米。第二孔口具体用于对LED进 行安装，其直径值具体可以与LED的尺寸相适应，不以本实施例为限。LED 发出的光通过第一孔口射出。

在本实施例中，发光模块13还包括多个放大及电流驱动电路131，和多 个保持电路132。各保持电路132分别连接在一个放大及电流驱动电路131 和一个LED之间，保持电路132用于将接收到的电流输出信号在预设时间内 持续输出至LED。通过保持电路132的设置，可以实现多个LED同时发光， 提高了星图的复杂性和多变性。

实施例五

本发明实施例五提供一种星敏感器地面标定设备，该星敏感器地面标定 设备包括气浮式光学平台，还包括本发明任意实施例提供的星模拟器，星模 拟器设置在气浮式光学平台上。

实施例六

图6为本发明实施例六提供的甚高精度星敏感器地面标定装置的结构示 意图。如图6所示，甚高精度星敏感器地面标定装置具体为星敏感器地面标 定设备，其包括，放置在气浮式光学平台1，设置于气浮式光学平台1上的 星图靶标2，设置于星图靶标2后为其提供光源的单点可控星图模拟矩阵式 照明系统3，设置于星图靶标2后利用软件控制单点可控星图模拟矩阵式照 明系统3各点亮灭和照度的计算机4，设置于单点可控星图模拟矩阵式照明 系统3后为用于供直流电压的开关电源5，设置于星图靶标2前用于模拟光 谱波段的滤光片6及用于衰减星点能量的衰减片7，设置于光路中用于折转 光路的转向平面反射镜8，设置于转向平面反射镜8后用于将星图靶标2成 像在无穷远的长焦距大视场投影光学系统9。其中星图靶标2用于模拟星空 星点相对位置，星点间距位置精度优于1μm；单点可控星图模拟矩阵式照明 系统3用于实现星图靶标的星等可变、亮度均匀的照明要求；计算机4用于 设计软件控制单点可控星图模拟矩阵式照明系统3各点的亮灭和照度；开关 电源5用于给系统各电路部分提供所需的直流电压；滤光片6用于实现甚高 精度星敏感器要求的0.5μm～0.8μm光谱范围；衰减片7用于衰减星点输出 能量，备有衰减系数分别为30％(透过率T＝0.7)、50％(透过率T＝0.5)和 75％(透过率T＝0.25)的衰减片供选用；转向平面反射镜8用于折转光路以 缩短光程；长焦距大视场投影光学系统9是一种由四片透镜组成的小畸变、 波像差和倍率色差小、弥散斑均匀的高成像质量长焦距大视场投影光学系统， 完成对星图靶标2的高质量无穷远成像。

利用本发明的甚高精度星敏感器地面标定装置进行星图模拟的工作过程 如下：将星图靶标安装在长焦距大视场投影光学系统的焦平面上，由单点可 控星图模拟矩阵式照明系统作为星图靶标的光源，由计算机软件控制单点可 控星图模拟矩阵式照明系统按照甚高精度星敏感器视场形成成像无限远的标 准模拟星图，且具有可变的星图生成功能。其中星图靶标是静止可变的将标 准源安装在模拟器焦平面上。单点可控星图模拟矩阵式照明系统配合星图靶 标提供小天体全视场可变星等目标。

本发明提供的甚高精度星敏感器地面标定装置的星光出射精度标定设备 如图1所示，其包括，设置在长焦距大视场投影光学系统9前的用于将星图 靶标的像返回的自准直平面反射镜50，设置于长焦距大视场投影光学系统9 后的分光棱镜51，设置于分光棱镜前的分划板52，设置于分划板52前面的 读数装置读数显微镜53，设置于读数显微镜53下的位移装置三维调整机构 54.

利用本发明的甚高精度星敏感器地面标定装置的星光出射精度标定设备 的工作过程如下：(1)以一块特制的标准靶标为基准来标定星光的出射精度， 将星图靶标2换成标准靶标，并将标准靶标位置调整到长焦距大视场投影光 学系统9焦平面上，用单点可控星图模拟矩阵式照明系统3照明标准靶(2) 标准靶标中的图案经长焦距大视场投影光学系统9、自准直平面反射镜50、 分光棱镜51返回后在分划板52上形成标准靶标的自准直像，通过读数显微 镜(用于瞄准)53及三维调整机构(用于测量位移)54测量出标准靶标图案 自准直像各像点的位置(3)与标准靶标上已知图案位置相比较，设其误差的 最大值为，光学系统的误差在通过自准直平面反射镜后返回到像面上被放大 二倍。其中长焦距大视场投影光学系统9产生的测量误差为0.124″；标准靶 标采用激光直写设备制作，刻线定位精度为0.2～0.5μm，由此造成的测量误 差为0.0083″～0.021″；三维调整结构54的位移测量精度为1μm，由此造 成的测量误差为0.058″；读数显微镜53采用夹线对准方式，选取读数显微 镜的放大率为50×，由此产生的测量误差为0.03″；误差合成后，本发明的 甚高精度星敏感器地面标定装置的星光出射精度标定设备的测量误差为 0.142″。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者 对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术 方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。