采用扩展外部编程方法优化设计APS星敏感器光学系统

星敏感器是目前精度最高的姿态测量仪器,光学系统是其重要的组成部分.首先介绍星敏感器的工作原理.讨论星图识别过程中星像位置提取算法和星图识别算法.剖析光学系统的像差校正、成像特性要求.基于特殊的像质要求,兼顾优化速度,提出运用ZEMAX扩展外部编程以约束光线的优化设计方案.通过编写外部约束条件程序,使用动态数据交换技术实现外部程序和ZEMAX软件的通信,达到星敏感器光学系统的优化设计的目的.然后针对设计指标焦距f=43.56 mm,入瞳直径D=27.3 mm,全视场角为20°的APS星敏感器光学系统,采用该方案优化设计.得到的星敏感器光学系统,所有光学面都是球面,材料选用普通玻璃,具有像方远心的特点,系统成像质量满足星图识别要求.仿真表明:运用ZEMAX扩展外部编程优化设计星敏感器光学系统的方案快速有效.     

星敏感器地面标定设备的设计

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。     

一种静态星模拟器的设计与星点位置修正方法

为了实现对高精度星敏感器的地面标定,设计了一种大视场静态星模拟器,其星间角距精度要求优于20(″).采用星点分划板作为核心显示器件来模拟星图,通过设计大视场小畸变光学系统使模拟星图成平行光出射,在星敏感器入瞳位置产生星图.为保证星点板的星图模拟精度,提出了一种星点位置的修正方法.实验结果表明,经过星点位置修正后的静态星...     

高精度背景可控星图模拟器设计

为了实现星敏感器的地面标定和精度测试, 研制一套具有可变星图背景的高精度星图模拟器, 要求该系统的单星位置精度优于10。采用高精度静态目标标准源作为星图模拟器的核心器件, 配合一种亮度可控照明系统, 实现星点和背景的同时模拟, 并设计准直光学系统, 使模拟星图与背景成平行光出射, 在星敏感器出瞳处产生星图, 完成背景可控、星点位置精度高的星图模拟。最后, 提出提高星点位置模拟精度的方法, 并利用经纬仪实测星点位置精度, 配合照度计测试背景亮度。从实验结果可知, 该模拟器的星图模拟精度优于10, 背景亮度可实现26倍调整, 可用于高精度星敏感器的地面标定和精度测试。     

一种机载天文导航星图模拟的实现方法

星图模拟是研究机载天文导航的关键技术之一.通过分析近些年国内外天文导航技术研究方面的资料,结合机载条件下的实际运行环境、天文导航基本原理和成像的主要影响因素,改进了CCD星敏感器的光轴指向、视场范围和观测星的确定方法,对星体成像位置和灰度的确定方法及背景光和曝光时间对成像效果的影响进行了优化,并建立了相应的模型.最后运用Matlab编程生成了所需星图,为进一步研究机载天文导航技术打下了基础.     

利用仿真星图的星敏感器地面功能测试方法

介绍了一种基于仿真星图的星敏感器地面功能测试方法.该方法对卫星(飞行器)运动轨道和姿态参数及星敏感器的姿态参数进行仿真计算、模拟生成星敏感器在轨状态下的仿真星图.星敏感器以此仿真星图作为测试信号源,通过对仿真星图的处理,实现对星点定位、星图识别、姿态计算等功能的全面测试.为简化电路设计,该方法选用星敏感器现有接口作为通讯接口.为满足功能测试的实时性需求,采取局部更新的手段来减少星图传输数据量.实验表明,该方法能对星敏感器电子部件的功能进行有效验证,在使用RS232接口、波特率设置为115 200 bps的情况下,可以实现20 Hz数据更新率的测试.该方法实现简单、通用性强且不依赖其他外部设备,可以满足航天环境试验和整星联调阶段的功能测试任务要求.     

基于可分离模糊核的复合运动模糊星图建模与仿真

在采用天文光学自主导航方式进行深空探测时,导航星的视星等高,为获取清晰的星图,星敏感器焦距长、曝光时间长,同时受探测器多种运动复合的影响,星图易产生模糊拖尾现象,很难用基于硬件的常规方法有效复原。研究复合运动模糊星图的建模方法,可揭示星敏感器与导航星的真实相对运动对星图像质的影响规律,从而用软件算法复原高像质星图,提高星敏感器的动态性能。由于缺乏确定的参数模型,复合运动模糊星图建模难度较大。提出了一种基于可分离模糊核的复合运动模糊星图建模的新方法,研究星敏感器角运动和角振动对成像的影响,并与常用的分步模糊方法比较。仿真表明:基于可分离模糊核方法的仿真星图更符合星敏感器实际运动对星图退化的影响;星敏感器的复合运动特别是旋转运动对质心提取效果具有显著影响,严重时会导致星敏感器无法定姿。     

高精度LCOS动态星模拟器的光学系统设计

针对高精度星敏感器对其功能测试设备精确模拟星点位置和星等的实际要求,设计了一种硅基液晶(LCOS)型高精度动态星模拟器的光学系统。分析星模拟器准直与照明光学系统的任务需求并给出了设计方案。为提高模拟器的成像精度,提出了LCOS的光学拼接方法,详细设计了大视场、大相对孔径、大出瞳距离的准直光学系统并进行了像质评价;为同时满足显示器件的照明条件和-1~7等星的准确模拟,对照明光学系统进行了详细设计并给出了仿真结果。提出了一种动态星模拟器星点位置修正方法,通过实验测试,动态星模拟器的星间角距误差优于12″,精确模拟-1~7等星,满足当前对高精度星敏感器的检测需要。     

L2范式距离的星图识别方法

在Hausdorff距离的基础上,提出一种不依赖于星敏感器的旋转方向和焦距等因素的星图识别方法。在构造Hausdorff距离的数据点集合时,采用基于L2范数对应的相对欧氏距离作为集合元素,解决星敏感器滚动对星图识别的影响;另一方面,由于受星敏感器焦距的影响,星敏感器图像与标准参考图也会存在误差。在构造标准数据点元素时,考虑到如果一个数据点集包含另一个数据点集,在这两个数据点集之间至少有两个数据点之间的L2范式距离是相同的。对L2范式Hausdorff距离进行比例化处理,每个集合中的相对空间距离除以本集合中最小的相对空间距离,构成一种新的数据点集。这种方法不需要对星敏感器图像由于焦距不同进行标定,避免了星敏感器焦距对星图识别的影响。给出了距离的计算公式和实现步骤,并给出了实验结果。结果表明:在星敏感器转动、尺度变换等情况下,该算法可以正确得到星图识别结果,从而获得星敏感器的姿态信息。     

弹载星敏感器像移模型及其仿真分析

星敏感器像移模型是星图运动补偿算法的关键技术,也是动态星模拟算法中的重要组成,它为高分辨率星敏感器的全链路运动模糊的建模仿真提供支撑。首先,借助正态分布的静态星像能量模型,引入星像移速度,得到匀速运动星像的能量分布函数。其次,为了获取星像移速度,研究了两种解算方法:（1） 基于坐标系转换的星像移模型;（2） 基于星光矢量旋转的像移几何模型。最后,建立仿真环境,通过调整积分时间、三个姿态角变化率、发射时间、地点、观星时弹体姿态角等输入参数,可以获取弹载星敏感器在轨运动时观测星像的重要仿真数据:如导航星信息,像移大小、方向,灰度分布,信噪比等。这对星图运动补偿算法的研究和评价都显得十分必要。     

太阳同步轨道星敏感器热设计典型工况确定

以某太阳同步轨道卫星星敏感器为例,阐述了热环境分析、外热流计算、典型工况条件确定以及热试验模拟的全过程。首先,分析了星敏感器所处的内、外部热环境,确定了其温度水平的主要影响因素。其次,进行了星敏感器通光孔到达外热流的计算,确定了典型工况的工况条件。然后,制定了星敏感器热平衡试验外热流的模拟方案,利用闭环程控系统进行外热流加载。最后,依据星敏感器自身特点,提出了热试验外热流的加载策略。典型工况条件的确定合理可行。     

基于低空遥感系统的星载光学遥感器成像仿真

在星载光学遥感器设计过程中,利用计算机仿真技术模拟遥感器成像过程能够评估遥感系统设计可行性,并预测遥感器成像能力。针对高分辨率星载光学遥感器成像特点,提出一种基于低空遥感系统的成像仿真方法。以低空宽视场和多光谱图像数据为基础,利用图像分类、分类拟合等方法生成低空多光谱宽视场仿真图像,采用经验线性法进行反射率反演,结合星载光学遥感器空间分辨率、MTF、光谱响应等特性以及大气辐射传输理论得到遥感器入瞳处辐亮度仿真图像。将QuickBird卫星作为仿真对象,开展成像仿真实验,并评价仿真精度。实验结果表明仿真图像与卫星图像保持较高相似程度。     

航空红外相机成像故障仿真研究

本文基于光学相机成像效应仿真模型，提出了一种航空红外相机典型故障效应仿真方法。在对航空红外相机的光学系统、探测器、电子电路信号对成像效应进行深入仿真的基础上，对不同类型成像故障效应进行了模拟，采用典型故障的成像表现评价指标进行全面验证评价。研究结果表明：基于红外相机成像效应的仿真模型可有效模拟多种故障成像效应，能对装备的使用维护、试验鉴定中的故障的初步分析发挥重要的指导作用。     

星模拟器多星等模拟方法研究

根据星模拟器对真实星等模拟的需求,结合星模拟器工作原理,优化设计了一种高成像质量星模拟器光学系统;建立了星等能量计算模型,实现了星等能量的理论计算;提出一种两片线性渐变密度滤光片组合的多星等模拟方案,实现了多星等能量的高精度连续调节;软件仿真结果验证-2～6等星星等模拟误差均小于±10%,满足真实星等的模拟要求,为星模拟器的真实星等模拟提供一种设计思路。     

基于自适应光学技术的高速流场效应模拟方法

在高分辨率天文观测和空间测绘过程中,高速流场效应会造成目标光学波前畸变,影响探测器分辨率。从高速流场造成的光学效应对空间观测的影响入手,研究分析了自适应光学技术及其关键器件-光学变形镜的技术特点,提出了一种基于光波波面调制技术和光程差（OPD）数据的高速流场光学传输效应模拟方法,并完成了初步验证实验。其中,通过光线追迹法和物理光学方法计算高速流场光学传输效应而获得的体现目标光束波面畸变程度的光程差（OPD）数据,该数据用于光学变形镜的控制驱动。这种模拟方法可用于空间对地观测过程中流场环境造成的透射光斑抖动、偏移等光学波面畸变效应仿真,实现在实验室环境下对光学传感器性能和空间光学探测系统高速流场效应半实物仿真和高速流场扰动校正能力的测试评估。     

基于OpenGL的星载可见光相机成像仿真系统

介绍了一种星载可见光相机成像仿真系统,它主要用 于模拟星载可见光相机观测其他空间目标时的场景并输出仿真 图像。该系统不仅可以为空间目标检测与追踪研究提供图像数 据,而且还可以为空间相机的设计及性能评估提供技术支持。采用 3ds Max软件建立了空间目标的精准三 维模型,并给其赋予了材质属性;使用卫星工具包(Satellite Toolkit, STK) 预报了被观测目标和相机的轨道参数,并利用星表提供了星空背景中 恒星的位置、星等和自行等参数;在开源图形库(Open Graphics Library, OpenGL)中 建立了星载可见光相机观测空间目标时的场景,并模拟了星载可见光 相机的观测效果。结果表明,本文系统具有较高的仿真度和渲染速度,可 以实现深空点目标和近距离面目标的观测成像效果图的实时渲 染。     

星敏感器动态精度评价方法

针对现有精度评价方法无法有效计算星敏感器在大动态条件下精度的问题,基于星敏感器成像模型与星对角距的不变性,提出了一种星敏感器动态精度评价方法。阐明了该方法的原理,提出了计算流程和统计方法。基于风云卫星在轨数据,对比了该方法与常用的滑动窗口法的处理结果,分析了两种方法在小角速率条件下处理的等价性,验证了该方法的可行性。基于地面观星数据,分析了两型星敏感器在不同动态条件下的测量精度。与现有的动态精度评价方法相比,该方法可有效地剥离动态过程中测试系统引入的误差,更真实地反映动态条件下星敏感器的实际测量精度。     

星敏感器支架的结构/热稳定性分析及验证

为明确星敏感器支架受空间环境影响产生的变形对星敏感器定姿精度的影响,对星敏感器支架的结构/热稳定性进行了研究。通过有限元法对星敏感器支架进行刚度分析,将热分析获得的在轨极端工况下的温度数据映射至结构模型上计算得到热变形,利用最小二乘法得到各星敏感器光轴矢量,最后进行试验验证。结果表明:星敏感器组件的结构基频为429 Hz,与分析结果相差不超过2%,试验前后星敏感器光轴与基准坐标系各轴夹角最大变化不超过5;在轨期间星敏感器支架最大温度波动小于2 ℃,星敏感器光轴变化最大为4~5,与分析结果一致。星敏感器支架的结构/热稳定性良好,能够满足星敏感器定姿精度要求。