恒星地球模拟器的光学系统设计与精度模拟分析研究

为实现对敏感器的地面标定与精度测试, 需研制一套恒星地球模拟器, 要求其星间角距模拟精度优于10", 地球张角模拟精度优于0.05°. 通过设计高精度准直光学系统与高精度紫外准直光学系统, 实现了对星点位置与地球图像的无穷远距离模拟; 提出了星点位置模拟误差修正方法与地球图形模拟误差修正方法, 提高星间角距和地球张角的模拟精度.实测星间角距与地球张角模拟结果表明, 该模拟器的星间角距模拟精度优于10", 地球张角模拟精度优于0.02°.      

空间背景光星模拟器系统设计

为实现星敏感器光信号的高精度标定需求,提出了一种具有空间背景光的星敏感器地面标定系统,解决了空间背景光对星敏感器光信号定标精度的影响,提高了星敏感器的标定精度.对空间背景光对星敏感器标定精度的影响进行分析,给出了具有空间背景光的星模拟器实现方案,设计了能同时模拟空间背景光和星点位置信息的星模拟器光学系统.结果表明,该系统全视场相对畸变小于0.01%,MTF在80lp·mm-1处大于0.5,达到了高精度指标要求.设计了一套空间背景光系统,通过对电流和可变光阑的控制,实现了亮度26倍变化.提出了一种基于像差补偿的星点位置修正方法,并给出了修正模型.利用徕卡T6100经纬仪和照度计,分别对星模拟器所在的星点位置误差和空间背景光亮度进行测试.结果表明,空间背景光亮度可实现26倍调整,在最高能量和最低能量下星模拟器星点位置误差精度<10",满足星敏感器地面标定要求.      

基于畸变影响的动态星模拟器星点位置修正方法

介绍了动态星模拟器工作原理及星点位置误差计算方法,提出一种基于星模拟器自身光学系统畸变影响的星点位置修正方法,根据星点位置修正原理,建立修正模型并推导出相应公式. 通过对动态星模拟器光学系统进行分析,在畸变曲线基础上利用Matlab拟合得出光学系统视场与星点位置修正量的关系曲线,通过确定星点位置修正临界视场并选取适当修正范围,根据公式对星点位置进行修正以满足星模拟器的设计指标,利用该修正方法能够有效降低对动态星模拟器光学系统畸变设计的要求,为动态星模拟器误差修正提供有效方法.      

甚高精度星模拟器星图显示与控制系统研究

为对甚高精度星敏感器进行地面标定和精度测试,提出甚高精度星模拟器的研制,其模拟精度应优于0.5″.在甚高精度星模拟器设计中,对星模拟器的星图显示与控制系统进行了重点研究.根据模拟精度要求,提出利用星点板作为星图显示器件.采用单点可控矩阵式LED照明系统作为星点板光源,完成小天区静态形式的动态星图模拟.通过设计星图显示控制系统,编写控制软件,实现每个LED的亮灭和灰度值控制,完成了星图变换和星等模拟.实验结果表明,星图显示精度小于0.5″,可以实现动态变换以及星等模拟,以满足对甚高精度星敏感器的地面标定和精度测试要求.     

光学遥感卫星在轨星上绝对辐射定标的研究进展

高精度绝对辐射定标是实现光学遥感定量化应用的重要前提。首先简要介绍了绝对辐射定标,接下来系统性地梳理国内外发展现状及发展趋势,重点分析了太阳反射谱段光学遥感卫星在轨星上绝对辐射定标的各种方法,包括遥感器上定标设备、恒星和月球定标、高精度参考交叉定标卫星和同步绝对辐射定标仪等,其中前两类已经在轨实现精度优于2%~5%,后两类计划当中精度优于1%。最后总结发展规律和发展启示,给出高精度光学遥感卫星在轨星上绝对辐射定标发展的几点讨论。     

新型复合多视场光学敏感器及其导航方法

基于利用四面镜结构实现的复合多视场光学敏感器,给出了一种高精度天文导航方法,即通过四面镜同时观测地球、导航星和折射星,利用卫星、地球、恒星之间的位置关系,实现自主导航。通过研究导航量测信息的获取途径,给出了复合多视场光学敏感器的5种实用工作方式。结合卡尔曼滤波算法,建立了自主天文导航的仿真模型,并对5种工作方式进行了仿真与比较。仿真结果表明:双组直接敏感地平与单组间接敏感地平结合的导航方式精度最高,位置精度达到了10 m量级。      

大扫描视场飞行器共形光学系统设计

共形光学窗口外表面与飞行器轮廓相同,可以显著提升飞行器的整体性能,但在大扫描视场应用时,引入大量非对称动态像差,严重影响成像质量。针对大扫描视场的共形光学系统,提出了基于共形窗口内表面优化,以及分视场单元透镜阵列的动态像差校正方法,实现动态像差的静态化校正。在84°扫描视场范围内,对共形光学系统进行仿真验证,结果表明：该方法使共形光学系统在全扫描视场范围内的Zernike多项式系数绝对值从0~10.82λ减小到0~1λ（λ为波长）,同时各通道单元透镜阵列保持固定状态。与目前已有方法相比,本文显著提升了大扫描视场共形光学系统的成像质量和系统稳定性,有效简化了系统结构。本文的研究对实现大扫描视场、高成像质量和高稳定性的共形光学系统有重要意义。     

高精度高动态星模拟器研究

给出了高精度高动态星模拟器系统组成和总体结构, 提出一种基于亚像素显示技术提高动态星模拟器星点位置显示精度从而减小星点几何中心与能量中心位置偏差的新方法. 针对动态星模拟器高动态性要求, 提出一种快速精确检索全天球导航星的新方法, 将已知SAO (Smithsonian Astrophysical Observatory) 星表进行分区, 计算当前姿态四元数并分析航天器视轴所在区域, 对于距离视轴较远区域停止搜索和匹配, 很大程度上缩小了导航星搜索范围, 进而缩短了全天球恒星遍历所需时间. 软件测试结果表明, 此快速检索法可使全天球导航星的选取速度提高近10倍.      

GPS授时校频方法研究与试验结果

为了解决多目标综合测量系统各测站之间时间同步和频率校准问题,提出了利用GPS(Global Positioning System)单星或多星共视方法进行站间时间同步与校频,给出了这两种方法的计算公式,分析了星历误差、星钟误差、电离层折射误差、对流层折射误差、多径效应和接收机硬件延迟对时间同步精度的影响.为了验证GPS授时校频精度,进行了相关试验.通过与铯原子钟比对,表明利用GPS可实现纳秒级时间同步,校频精度也优于5.0×10-11,多星共视具有更高的同步校频精度.      

星敏感器低频误差分析

介绍星敏感器的误差分类、低频误差定义、误差产生原因及其测试标定方法等.星敏感器输出姿态周期性误差的主要原因为视场空间误差和热弹性变形误差,典型星敏感器采取相应的解决措施后,低频误差可控制在0.8″以内.     

面向星敏感器测试的数字星模系统设计

分析星敏感器和数字星模系统的功能,描述数字星模系统的功能需求,提出数字星模系统的设计方法．数字星模系统由星图组件和通信组件组成,基于该系统,针对星敏感器进行静态和动态星图测试试验,并对试验的方法和结果进行分析说明．试验表明数字星模系统及其设计方法的正确性、有效性．     

视场内导航星分布的预测

给出理想情况下视场内导航星分布模型的基础上,根据敏感器的星等门限和测量精度,进一步实现了存在星等误差情况下导航星分布的预测,使得该模型更为接近真实的情况.实验表明,采用该模型获得的分布与用MonteCarlo方法获得的统计分布极为接近,证明了该模型的正确性和有效性,从而得到了一种事先对视场内导航星分布作出较为准确估计的新的方法.      

光谱连续可调星敏感器地面标定系统设计

为解决由于色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的影响,提出一种光谱连续可调星敏感器地面标定系统设计方案.该高精度准直光学系统的光谱范围为500~800nm,像质测试结果表明,全视场畸变小于0.08%,MTF在60lp·mm-1处大于0.6.基于DMD光源系统的组成和工作原理,对光谱分辨率和光谱曲线模拟精度进行分析,设计了一套光谱分辨率全谱段优于2nm的Czerny-Turner分光系统.测试结果表明,星点位置精度优于7";光谱分辨率为10nm和20nm时光谱曲线模拟精度分别优于2%和5%,有效降低了由于色温不匹配对星敏感器标定精度的影响.      

H波段折反式星敏感器光学系统设计

面向短波红外星敏感器在机载平台、弹载平台以及舰载平台的应用需求,设计了H波段折反式星敏感器光学系统。该折反式镜头总长为232mm、焦距为704.3mm、全视场为2°、F数为3.9、探测极限星等为6。结果表明：调制传递函数值接近衍射极限,在奈奎斯特采样频率处大于0.5;各视场径向能量趋于一致,弥散斑可覆盖2~3像元;相对畸变小于0.1%,满足指标要求。本文可为近地空间短波红外星敏感器的工程应用提供理论基础与技术支持。     

离轴反射式星敏感器地面标定设备光学系统设计

在星敏感器随航天器升空完成姿态测量任务之前,需在地面对其进行标定试验.为满足星敏感器更高精度标定要求,针对常规地面标定设备光学结构在应对大口径、长焦距、宽光谱需求时存在的弊端,设计了一种离轴光管作为准直光学系统,研究了离轴光管装调方法,并对像质进行了评价.重点研究了一套照明系统对星点亮度进行精确控制,采用LED阵列式背光板为光源,并利用照度计对光源亮度进行多次测试,测得的数据表明可对7个连续星等进行模拟,相邻星等间亮度模拟误差小于0.8%.所设计的光学系统可为研制深空探测星敏感器提供地面标定基础.      

三轴转台三轴交汇中心位置对准方法的研究

在导弹仿真系统中,需要设计一个三轴导引头转台来模拟空中导弹的姿态,需要仿真转台的三轴交汇中心与模拟运动球面的球心精确对准。首先在转台地基上设3个基准点,并精确测量在某基准坐标系下3个基准点和球心的三维坐标。为了满足精确的对准要求,本文设计了一种对准方案,利用已知坐标,通过利用两个经纬仪的测量将经纬仪三轴交汇中心引入基准坐标系,再利用经纬仪引出转台三轴交汇中心,以经纬仪为桥梁将球心与转台三轴交汇中心联系起来。通过计算和调整,完成对准任务,最终实现了三轴转台的位置对准。