高精度星敏感器結構設計與標定

2014-12-07 06:57:42林為才

長春理工大學學報(自然科學版) 2014年6期

林為才

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

星敏感器作為一種高精度的敏感測量儀器，通過測量天體上多個位置上的恒星來決定航天器的姿態。相對于太陽敏感器、地球敏感器等其他類型的敏感器，星敏感器具有高精度的特點，利用星敏感器，許多航天器不僅可獲得秒級精度的三軸姿態，而且還可用于修正陀螺的飄移。所以目前星敏感器已成為衛星、航天飛機等一些航天器上必備的高精度姿態敏感部件。目前具有高精度自主導航能力的高精度星敏感器的快速發展使無陀螺制導系統逐步代替慣性制導系統成為一種趨勢［1，2］。

因為星敏感器具有低功耗、小尺寸、低成本、高精度的特點，其應用領域也逐步擴大，近年來，對星敏感器的地面應用技術的研究已成為國內外的研究熱點。隨著對海上測控任務要求的不斷提高，采用星敏感器組成的測量系統來提高測控設備的測角精度，以實現普通無線電雷達對部分中低軌目標的精密定位的方法逐漸受到重視。通過星敏感器對船姿船位進行測量，可大幅提升航天測量船測量系統的精度和性能。本文提出一種高精度星敏感器結構，分析了該星敏感器的結構組成和設計，給出了該星敏感器的精度標定方法，得出了該星敏感器具備較高精度的結論。

1 星敏感器的結構設計

星敏感器的結構設計主要包括三個部分：光學系統設計、遮光罩結構設計和焦平面組件熱設計。

1.1 光學系統設計

高精度星敏感器光學系統具有輕小型、高精度及大相對孔徑的特點，精度達到秒級，相對孔徑在1∶1.2以上。為實現小型化、輕型化的星敏感器技術設計，采用大相對孔徑光學系統是核心技術。光學系統的精度是決定星敏感器最終精度的主要因素之一，針對電子學圖像處理對像質的特殊要求，既要滿足能量集中度的要求以實現恒星探測和后續質心細分算法，同時還對恒星彌散斑形狀有高對稱性的要求，通過質心漂移量指標進行評價，即恒星在像面的能量中心與理想位置的差別。對于所研制的1?級星敏感器，需要嚴格控制質心漂移量參數，它直接影響最終的星敏感器姿態精度［3，4］。

圖1 光學系統圖

如圖1所示，為了實現指標要求，相機采用大相對孔徑、高精度光學系統，焦距要求95mm，各視場的質心漂移量均要求達到微米量級甚至更高。設計采用雙高斯型光學結構向遠攝型光學結構過渡的方式，通過對前半部的系統進行復雜化，將光闌前移至第一片透鏡，這樣帶來的好處是既可以增大相對口徑、提高像質，還可以縮小筒長、減輕光學鏡頭重量。

星敏感器的鏡頭的光學畸變要求較高，光學系統最大相對畸變要求達到0.2‰，然而，很多光學元件由于偏心差的存在，造成了光學系統的畸變，而不對稱像差很難得到補償，為了保證偏心差達到使用要求，于是把鏡頭設計成多層鏡筒，通過定心配車的裝配方法解決系統的畸變問題，將配車用的鏡框夾在萬向夾頭上，使用定心儀調整好偏心差后再進行配車。

星敏感器的工作溫度為-30℃～45℃，溫度變化范圍較大。儀器裝調時溫度為20℃，那么最大溫差就為50℃。由于溫差較大，所以鏡筒材料的線膨脹系數應與透鏡的線膨脹系數相接近，以避免因溫度變化影響成像質量。故采用鈦合金，鈦合金膨脹系數和光學玻璃接近，光學計算表明可滿足像面穩定和焦距變化小于0.01mm的要求。

1.2 遮光罩的設計

遮光罩要設計成重量輕、剛度高、與鏡筒連接牢固，為了減輕重量，選擇鋁作為遮光罩材料。遮光罩的內壁除擋環攔光外，其余部分均為遮光紋。遮光罩的設計目的為減小太陽、月亮、地球等外界光源的影響，使其背景影響小于預定值，從而可以得到最優的星圖像顯示及形心。按夾角不同，在不變更其它元件的條件下，可更換不同的遮光罩，以使雜光在內壁上產生漫反射。

遮光罩的作用是使能夠進入鏡頭的雜光量盡量少，必須達到設計的指標要求，遮光罩的長度、孔徑的尺寸等要經過具體的計算來確定［5，6］。如圖2所示，設θ為光線的入射角，φ為入射光線的半視場角，x是二級遮光罩長度，y是一級遮光罩長度，則x=βL，就可得以下方程組：

由 d=50mm,θ=45°,φ=5°，代入式（4）得：

可考慮L=210mm，再考慮遮光罩與CCD接口、隔熱問題，可把遮光罩的總長度取為L=220mm。所以可得最大口徑D=50+2×220tan5=88mm。

解得：

圖2 光線示意圖

1.3 焦平面組件熱設計

星敏感器在使用時，要在鏡筒光軸與焦平面垂直的基礎上保持良好的穩定性，焦平面組鏡筒與焦平面組件的連接面與光軸有垂直要求，如有傾斜，會使成像發生畸變，裝調件的發熱會影響成像穩定性，因此焦平面組件的熱設計是星敏感器結構的重要環節。

如圖3所示，光束通過光學系統和箱體窗口聚焦到探測器上，箱體是一個密封結構，在里面充滿氮氣，以免箱體中的水蒸汽在制冷過程中凝結在窗口玻璃上。

圖3 焦平面組件

半導體制冷器制冷端與探測器背面相接觸以使探測器保持低溫狀態，導熱端與紅色的導熱管相接觸，熱管的功能是可以作為一種傳熱元件，能夠很快的傳遞熱量，而且對環境有著非常好的適應性，因此在散熱中的應用非常廣泛。通過導熱管將熱傳導到箱體壁上，箱體外表面有散熱片和風扇，可以保證將熱傳導到空氣中。熱管的傳熱性能由當量導熱系數評價熱管的傳熱性能，當量導熱系數根據下式求得：

式中：Q代表的是熱量值；L代表的是長度；A代表的是截面面積；Th代表的是熱端平均溫度；Tc代表的是冷端平均溫度。

將Q=30W ；L=0.113m；A=0.000256m2；Th=353K ；Tc=273K ；代入式（6），得，當量導熱系數K=166W/mK。

選用的熱管的導熱系數為1100W/mK，可以滿足星敏感器的使用要求。

2 星敏感器的精度標定

單星測量精度是姿態測量精度的基礎，系統單星測量精度應達到3″，后續星識別和姿態計算才能實現測量精度指標要求。因此，光學系統畸變、主點、焦距的標定及整機單星測量精度的驗證非常重要，精度標定是檢驗姿態測量的高精度性能的重要依據。

采用轉動帶發光目標的高精度0.5″萊卡經緯儀來進行標定，該萊卡經緯儀能提供方位、俯仰編碼器值（0°～360°），并能產生帶目標光源，轉動萊卡經緯儀，獲取主點附近多幀帶目標的圖像，經過圖像處理提取目標中心，記錄（Xi，Yi，Ai，Ei），把像面順著轉動一周后，所有位置所成的像點在像面上圍成一個圈，可以把這個圈進行擬合，擬合后這個圈的中心為系統的主點，對大量的測量結果進行最小二乘擬合可求得相機焦距［7］。使用相機拍攝高精度Leica經緯儀（0.5″）發出的光點，測量光點經過的各個角度，通過調整經緯儀的各個方向的位置，使光點的像處在星敏感器的主點位置處，這時記下經緯儀所顯示的數值，把顯示的這個數值記為（A0，E0），同時把主點所處于的位置記為（X0，Y0）。然后通過轉動萊卡經緯儀得到一定的角度，記下此時的數值，為（Ai，Ei），同時可以把圖像采集出來，提取出光點的質心，記為（Xi，Yi）。這樣就能得到星敏感器的脫靶量值，即：Δx=x0-xi，Δy=y0-yi。那么，就可以根據當前的質心位置，推出經緯儀的角度值，原理如下式所示：