甚高精度星模拟器设计

研制了一套星间角距精度优于0.2″的甚高精度星模拟器系统对深空光学导航敏感器进行地面标定和精度测试.采用高精度大口径静态可变目标标准源作为甚高精度星模拟器的核心显示器件模拟星图,同时研制了一种单点可控星图模拟矩阵式LED照明系统为其提供光源,并设计了长焦距大视场投影光学系统使模拟星图成平行光出射,在光学系统出瞳处产生星...     

大尺寸高精度星模拟器光机结构设计

针对常规星模拟器在高精度光学导航敏感器的标定中无法满足星间角距和高星等的高精度模拟等实际问题,提出1种新型的大口径、长焦距、高精度星模拟器设计方案,并对模拟器、转向反射镜、标准目标源等主要组成部分进行了详细的光机结构设计.根据模拟器透镜组件尺寸大、透镜多的特点,镜筒设计为筒套筒与内套筒统一固定的结构方式;为减少镜面变形,转向平面反射镜采用微应力设计;为实现5～10等星的模拟,标准目标源采用OLED面阵光源经光纤光导并配合高精度星点靶标的结构.通过实际检测,其星间角距精度σ≤1″,可精确模拟5～10等星,满足当前对高精度光学导航敏感器的标定技术指标要求.     

太阳敏感器测试用运动式LED太阳模拟器研究

为了解决装星后的编码式太阳敏感器的测试问题,提出了一种具有运动功能的LED太阳模拟器,利用白光LED模拟太阳光信号,利用运动装置模拟太阳光矢量信号。介绍了太阳模拟器结构组成与工作原理,着重研究了太阳光和太阳光矢量的模拟方法。由辐射功率计算确定所需LED数量,根据斯派洛判据确定LED线性阵列间距,利用矩阵法计算了柱面镜的光学参数,借助Lighttools软件进行仿真分析。根据敏感器结构和功能要求确定了由超声电机、双摇杆机构、安装支架、编码器组成的运动装置,并对装置的矢量调整精度进行了分析。实验结果表明,研制的太阳模拟器工作距离50 mm处的辐照光斑50×10 mm、辐照度高于393 W/m2、辐照不均匀度优于±7. 3%,能够模拟实现-13°、0°、38°3种太阳矢量角,模拟精度优于±0. 008 3°,满足太阳敏感器测试要求。     

基于数字光处理技术的小型星模拟器设计

提出了基于数字光处理(DLP)技术的星模拟器系统的技术方案。根据星模拟器技术指标,确定了总体光学结构;在确定数字微镜元件(DMD)芯片规格的基础上,计算出星模拟器光学系统的焦距、单星张角、相对孔径等光学系统参数;最后,介绍了星图模拟软件的设计方法。计算及模拟结果表明,设计的小型星模拟器实现了星图视场为10.5°×7.5°,模拟星等为2.0~8.0等星,单星张角优于40″;将采样周期控制在毫秒量级,能为星敏感器提供任一时刻、任一惯性坐标系下指向的模拟星图,可满足航天工程中对小型星模拟器的动态性、大视场、宽星等范围、短采样周期等需求。     

红外星模拟器星点位置分析与模拟技术研究

针对传统星点位置误差测试方法无法应用于红外星模拟器,提出了一种红外星模拟器星点位置分析、模拟与测试的新方法。结合传统星模拟器星点位置测试方法,分析像差对星点位置的影响因素,建立像差与星点位置模拟理论模型,并通过误差拟合,分析出像质好则单星位置误差小的理论关系。依据红外星模拟器与星敏感器的对接方式,设计了出瞳距大且外置的可见和红外光双重组态下的准直光学系统,并实现红外波段像质优于可见光波段像质。利用经纬仪实测,验证理论模型的准确性,同时实测结果表明,可见光波段单星位置误差优于±13.65″,红外波段间接实现单星位置误差优于±13.65″。     

星敏感器星象模拟软件的研究

星敏感器是高精度姿态测量部件,广泛应用于各种航天器中,作用对象是空间恒星,成像过程涉及光学系统、CCD探测器及前端信号处理系统,最后输出惯性坐标系或地心坐标系下的姿态角.本文完成了对星敏感器成像过程的模拟,研制了星敏感器星像模拟软件,为星敏感器及其他类似航天器的性能评价提供了有效手段.     

基于硅基液晶拼接的高对比度动态星模拟器光学系统

针对基于硅基液晶(LCOS)拼接技术的动态星模拟器对比度低,无法在星图识别过程中为星敏感器提供全部有效目标的问题,提出通过抑制光学系统杂散光来提高LCOS拼接动态星模拟器对比度的方法,讨论了偏振度对于杂散光的影响,并推导出入射角与偏振度的函数关系。设计了抑制杂散光的光学系统,该系统包括利用复合抛物面聚光器(CPC)结合望远系统组成照明光源,配合多棱镜的1/4波片和视场角不小于11°的准直光学系统。在截止频率为60lp/mm,视场角小于±5°的情况下,该准直系统的调制传递函数(MTF)大于0.7。实验显示:该高对比度LCOS拼接动态星模拟器的星间角距误差小于18″,相对于传统型的星模拟器杂散光降低了2.38倍,其在保证精度的条件下,降低了动态星模拟器的背景噪声,提高了动态星图的可识别率,基本可以满足星敏感器在多星等条件下的对精度和动态特性的需求。     

高轨道准直式红外地球模拟器光学系统设计

为了提高红外地球敏感器的地面测试与标定精度,以地球模拟器能够精确达到技术指标为目的,对地球模拟器光学系统进行研究。在光学系统中将地球光阑放于锗准直透镜的焦平面附近,使得通过地球光阑的光入射到锗准直透镜后,以平行光出射到红外地球敏感器上。同时根据卫星在同步轨道、更高轨道和较低轨道所使用的红外地球敏感器地面标定试验的需求,采用更换地球光阑的方案,提供了三种不同的地球张角。计算结果表明,地球模拟器边缘处成像清晰,且三种不同轨道的地球张角误差均小于±0.05°。该方案设计的地球模拟器可准确在地面上模拟卫星在太空中所看到的地球,满足了地球模拟器的整体性能要求。     

一种星敏感器系统热设计方法及试验验证

目前,国内机构针对星敏感器的温控研究与设计较少,多集中于星图的图像处理和图像算法的优化。着重以星图中目标能量变化、信噪比、质心定位误差等参数为指标,分析温度对该星敏感器的热影响,从而实现高精度星敏感器在空间复杂热环境下的可靠应用。进一步基于星敏感器的结构及热分布,对星敏感器进行热设计及散热路径优化,提出星敏感器热电制冷器（Thermo electric cooler,TEC）的热控措施。以典型在轨高温工况与低温工况为例,利用有限元仿真软件进行该热设计的有效性与合理性仿真分析。在以上的设计与分析基础上,完成一套温度控制系统,通过模拟星敏感器在高温工况下的环境条件,使用热电制冷方式对星敏感器采取制冷措施,使星敏感器探测器温度维持在20℃±3℃,达到温控指标,保证星敏感器能够在恶劣温度环境下持续提供高精度姿态信息。重点阐明热环境因素与成像质量之间的关系,完成温度与星点识别精度的关联性分析,为后续星敏感器热控设计及定姿精度提升提供参考。     

可变地球弦宽模拟器结构研究

可变地球弦宽模拟器是用来模拟地球红外辐射的物理特性和几何特性,作为圆锥扫描式红外地球敏感器地面测试与标定的重要设备。本文对可变地球弦宽模拟器的总体设计方案、工作原理和模拟器重要部分的设计思路进行了介绍。提出了一种可变地球弦宽圆锥扫描式地球模拟器的结构设计方案,为可变地球弦宽圆锥扫描式地球模拟器总体性能参数的实现奠定了基础。     

应用非线性优化算法自主标定星敏感器

考虑传统的星敏感器标定方法忽略了星敏感器的畸变与光学参数之间的相互作用而引入的额外误差,提出了一种基于非线性优化的星敏感器自主标定算法。该算法首先忽略星敏感器畸变的影响,构建目标函数,利用LevenbergMarquardt非线性优化算法优化星敏感器的光学参数;然后,将得到的光学参数估计值作为理想值,通过线性最小二乘法估计相机的镜头畸变系数;最后,将前两个步骤获得的参数作为初始值,构建目标函数,利用Levenberg-Marquardt算法同时优化光学参数和畸变系数。开展了仿真实验研究,并与最小二乘法和Samman法的标定结果做了对比,结果表明:提出的方法能够很好地实现星敏感器的自主标定。在同等测试条件下,文中算法获得的最大残差为0.015pixels,精度高于其它两种标定方法两个数量级。星敏感器外场实验还表明,提出的优化方法有效提升了星敏感器的性能。     

用于高精度卫星姿态测量的大相对孔径 高杂光抑制比星敏感器光学设计

星敏感器是卫星高精度空间姿态测量与飞行控制的关键仪器。 针对低阈值星等、大视场等特殊需求,设计了焦距 55 mm,相对孔径 1 / 1. 1,视场角 17°×17°的星敏感器光学系统。 基于无热玻璃图方法,通过光学玻璃材料与机械结构材料的 温度特性匹配优化,实现了光学被动式无热化设计。 完成两级遮光罩与挡光环的消杂光结构设计,利用非序列光线追迹完 成视场内成像光线鬼像分布与视场外杂散光仿真分析与计算。 结果表明,星敏感器光学系统各视场弥散斑半径 RMS 小于 4. 5 μm,2×2 像元内能量集中度≥96% ,-35℃ ~ 45℃ 大温差下各视场的 MTF 在截止频率处均大于 0. 6,畸变优于 0. 05% 。 45°规避角外杂光 PST 达到 10 -8 量级,像面处各阶鬼像光斑半径均大于 0. 8 mm。 星敏感器光学成像质量与杂光抑制满足高 精度姿态测量要求。     

一种星图模拟中观测星提取的方法

为了利用计算机动态实时地模拟生成星敏感器拍摄到的星图,针对球坐标系特点,提出了一种改进的高效且适应性强的观测星提取方法.通过对天球分区法在高纬度区域的完善,解决了星敏感器圆形视场在高纬度区域实际的赤经范围计算问题.进一步介绍了一种新的对分区节点进行判断的改进方法,还对提高观测星提取效率的措施(细化分区、采用坐标变换和分步提取)进行了探讨.分析表明,改进的分区法可减轻动态实时模拟星图时的计算压力,效率高,能适应天球中各纬度区域,且逻辑描述简洁,适宜编程.将该方法运用于软件的实现,满足了星图动态实时模拟的要求.     

船载高精度星敏感器安装角的标定

星敏感器测量船体姿态精度与星敏感器与甲板之间的安装角标定精度密切相关。本文介绍了船载星敏感器的相关坐标系及安装角的定义,建立了船载星敏感器蒙气差修正模型,提出了一种船载高精度星敏感器安装角标定方法。船进坞坐墩时,船载经纬仪通过拍摄方位标确定航向,星敏感器通过星图识别获得视场内星点的赤经、赤纬,构成地心惯性系参考矢量,经岁差、章动、极移、船位等修正,得到各恒星在惯导地平系下的参考矢量。然后,根据蒙气差模型对星点逐个修正俯仰角,重构惯导地平系下的参考矢量。最后,依据姿态确定算法原理,解算星敏感器安装矩阵,求解安装角。实验表明,使用该方法可使方位角、俯仰角的标定精度达10"以内。该方法有效发挥了星敏感器指向精度高的优点,改善了程序自动化程度,提高了船体姿态测量精度。     

天文导航中的星敏感器技术

由于星敏感器仅仅工作在全天球的识别模式下远不能满足当前飞行器任务的需要,提出了当星敏感器有足够的先验信息情况下,可在星跟踪模式或者预测星像模式下工作,来提高星敏感器的数据更新率,降低由全天球识别带来误匹配的可能性.本文提出了一种新的星跟踪算法来克服飞行器在大角速度飞行情况下传统星跟踪算法处理时间过长等不足;为了消除由于系统噪声带来的误差,还提出了星图滤波和星像滤波的方法.实验结果表明,当飞行器在2.25°/s的角速度下飞行时,星敏感器能在10 pixel×10 pixel的范围内从星图中正确提取星像,星图经去噪后,星敏感器输出精度提高了近5″,从而使星敏器可在飞行器高动态飞行情况下实现高精度、高更新率的姿态输出.文中描述的所有方法已在2007年和2008年进行了地面观星测试,并于2009年即将应用于某些卫星的姿控系统中.     

大视场低畸变的星敏感器光学系统设计

星敏感器是微纳卫星的重要组成部分,其通过光学遥感技术,可推测出微纳卫星的飞行姿态信息.根据星敏感器的要求及所选探測器CMV300参数,设计了一种基于球面的星敏感器光学系统.该光学系统由6片国产透镜组成,光谱范围为520～880nm,视场角18°,相对孔径1/1.49.优化后的光学系统焦距为25mm,总长为37.9mm,具有极低的畸变率(≤0.12％),能量集中度大于或等于90％(2×2像元内),成像均匀且具有良好的色差校正.结果表明,该光学系统成像质量良好,可满足微纳卫星对星敏感器的要求及发展需要.     

流水线并行处理提高星敏感器数据更新率

星敏感器是当前广泛应用于航天器姿态测量的高精度光学姿态敏感器。小型化、低功耗、高精度、高数据更新速率是现阶段星敏感器发展的共同特点。本文介绍了星敏感器数据更新时间的组成;着重介绍了流水线并行处理机制提高星敏感器数据更新率的方法,并给出了串行工作机制、二级流水线机制、三级流水线机制在星敏感器中实现结果。最后介绍了多星敏探头和软件插值等提高数据更新率的方法。     

精密光电测试转台热特性仿真分析

本精密光电测试转台用于高精度星敏感器的地面标定检测系统,其置于地面模拟空间环境中,要求其在恶劣的模拟空间环境中具有极高的精度.为了研究精密转台在模拟的空间高、低温真空环境中的变形特点及工作精度,首先分析了转台所处的高、低温真空环境的特点,给出了转台在高、低温真空环境中的主要传热途径,然后合理地选择了转台材料并设计了转台的机械结构,最后应用ANSYS有限元分析软件对转台做了热-结构耦合仿真分析.通过仿真分析,得到了转台在两个极限温度(-60℃和90℃)环境中达到热平衡时的温度变化特性和整体变形量,进而得出了变形对转台在高、低温真空环境中精度的影响.结合对转台的使用精度要求,对转台进行了结构优化设计,最终使转台达到了所需要的工作精度要求.     

空间光学遥感器热平衡试验装置的设计

热平衡试验是空间光学遥感器研制中的重要试验内容.需要创造一个地面模拟试验环境和条件,来代替空间高真空和超低温的环境.按照试验规范,在模拟真空冷黑、空间外热流和热边界条件下对空间光学遥感器系统进行热平衡试验.这项技术涉及到试验对象的轨道参数、结构、材料表面特性、轨道外热流计算、轨道外热流模拟、真空冷黑、热边界条件、热计算和热设计等因素.在对上述各项因素综合研究的基础上,提出了用于空间光学遥感器热平衡试验的装置,并用AutoCAD软件完成了其结构设计.简述了该试验装置的构造、特点和设计方法.     

一种单星模拟器控制电路的设计

针对单星模拟器的技术需求,设计出一种单星模拟器控制电路.该电路由光强控制、编码器、步进电机驱动、光强探测等模块构成,从而实现不同色温和星等.结果表明:该系统满足设计要求,在峰值光谱范围350nm～950nm下,可模拟多种星体色温及星等.