靜態星模擬器設計與精度分析

孫高飛，張國玉，劉石，王琪，王凌云，高玉軍

（1.長春理工大學　光電工程學院，長春　130022；2.吉林省光電測控儀器工程技術研究中心，長春　130022；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春　130022）

靜態星模擬器設計與精度分析

孫高飛1，2，張國玉1，2，劉石1，2，王琪1，王凌云1，2，高玉軍3

（1.長春理工大學光電工程學院，長春130022；2.吉林省光電測控儀器工程技術研究中心，長春130022；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130022）

為了實現對星敏感器進行的地面標定和精度測試，研制高精度靜態星模擬器，要求模擬器的星間角距精度優于10″。利用激光直寫技術制作星點分劃板，將其作為核心顯示器件來模擬星圖，設計準直光學系統實現無窮遠距離和角度模擬，并通過優化像差保證模擬星點的成像質量。同時，提出星點位置修正方法以改善由于焦距測不準和光學系統相差帶來的星圖模擬誤差。實驗結果表明：經過修正的星圖，單星位置模擬精度優于10″，可以作為地面標定與測試裝置，供星敏感器進行觀測。

星模擬器；星圖模擬精度；光學系統；星點位置；星敏感器

星模擬器作為星敏感器的地面測試設備，隨著星敏感器的迅猛發展，對星模擬器也提出了更高的要求。星模擬器按星圖顯示方式不同分為靜態星模擬器和動態星模擬器。靜態星模擬器模擬精度高，但星圖顯示單一，不能變化，多用于星敏感器的性能測試。動態星模擬器模擬精度低，但星圖顯示多樣，可實現星圖連續模擬，多用于星敏感器的功能測試［1-4］。

本文研究的靜態星模擬器用于產生較大空間尺度的模擬星圖，可在實驗室條件下作為星敏感器的目標源［5-8］，以供其完成恒星識別、姿態確定、極性檢查等工作，實現對星敏感器的性能測試，要求星圖模擬精度優于10″。

1　靜態星模擬器的組成

靜態星模擬器主要由光源、準直光學系統組件、星點分劃板組件、電控部分組件（含電源和線路盒）、立式調整機構等組成。靜態星模擬器的工作原理與組成如圖1所示。

圖1　靜態星模擬器的工作原理與實物照片圖

由光源發出的光線照亮位于準直光學系統焦平面上，刻有若干個透光微孔的星點分劃板，形成模擬星點。由模擬星點產生的光線經準直光學系統后，以平行光形式射出，在星敏感器的入瞳處形成一幅完整的星圖，即實現了對星圖的模擬。其中，固定天區星圖中，單星張角和星對角距利用星點分劃板上刻有多個微小透光微孔來模擬；星等通過照明光源和調節光源的發光亮度來模擬；無窮遠處星光的模擬由準直光學系統來實現。

2　光學系統設計

恒星的無窮遠距離依靠光學系統設計實現。采用準直光學系統，將星點分劃板置于焦平面位置，則星光矢量以平行光的形式出射，從而實現無窮遠恒星距離模擬。為了保證模擬星圖視場內，所有星點成像清晰且位置準確，設計的準直光學系統應具有畸變小、場曲小且復消色差的特點。另外，為了確保星模擬器與星敏感器對接使用時，星模擬器的能量能夠被星敏感器準確接收，還應考慮兩個系統間的參數匹配與能量銜接。

靜態星模擬器的光學系統設計參數如表1所示。實際設計的系統像差曲線如圖2至圖4所示。

表1　準直光學系統的主要技術指標

圖2　橫向（垂軸）象差曲線

圖3　軸向色差、球差曲線

圖4　場曲和畸變象差曲線

圖2為光學系統的橫向（垂軸）象差曲線，全視場內最大值為±20μm；圖3為光學系統的軸向色差、球差曲線，全視場內優于0.05mm；圖4為光學系統的場曲和畸變曲線，全視場內場曲優于±0.06mm，畸變優于±0.01%。

3　星點分劃板設計

星模擬器星點分劃板上的星點，經由光學系統后形成星光矢量。表2所示為通過星光矢量來約束星點板上的星點位置。其中，方位角和俯仰角為各個星點相對于空間坐標系的位置，可由天區星表查得；星點理論直角坐標是根據光學系統設計的視場和焦距，利用星點位置計算公式求得。

由于星點分劃板存在自身的制造誤差和安裝誤差，同時受機械系統的加工誤差和裝配誤差、光學系統的加工誤差、裝配誤差以及像差（包括畸變、能量中心與主光線位置偏差、球差、彗差和場曲）等影響，導致計算的星點理論直角坐標位置存在位置誤差。另外，星敏感器與星模擬器對接時，還存在光軸銜接相對誤差、微調裝置的調整誤差等。

表2　靜態星模擬器星圖星點位置值

4　實驗結果與數據分析

由于星點分劃板的位置誤差導致的星模擬器星圖模擬精度偏差，且無法在星點分劃板制作時避免，只能在星模擬器測試階段，通過大量測試數據，建立修正模型予以消除［9］。

針對MN星敏靜態星模擬器的星圖模擬精度進行測試，利用TM6100型經緯儀對裝有新的星點分劃板的微型星敏靜態星模擬器進行測試。利用式（2）計算天區星圖中各星點的理論星間角距值和實測星間角距值。

式中，αi為經緯儀測試的第i個星點的方位角度值；αj為經緯儀測試的第 j個星點的方位角度值；di= 90°-bi，bi為經緯儀測試的第i個星點的俯仰角度值；d2=90°-bj，bj為經緯儀測試的第 j個星點的俯仰角度值。

理論星間角距值與實測星間角距值之差，即為星圖模擬誤差。通過對同一塊星點分劃板的20次重復測量，剔除粗大誤差后，以其中一點為例，得到單點誤差分布圖如圖5（a）所示。同理，對其余星點進行測試，并得到星圖中所有星點的誤差分布圖，如圖5（b）所示。

圖5　誤差分布圖

根據誤差分布圖，建立修正模型如式（1）所示，重新計算星點的直角坐標（Ui實，Vi實）位置并制作星點分劃板。

式中，f設為準直光學系統設計的焦距；θi設為根據式（2）計算的星間角距設計值；θi實為根據式（2）計算的星間角距實測值；KU為星點在U軸坐標位置的經驗修正值；KV為星點在V軸坐標位置的經驗修正值；Kf為實測焦距的經驗修正值。

利用經緯儀對修正后的星點分劃板進行測試，并通過式（1）計算星間焦距實測值，得到星圖模擬誤差分布圖，如圖6所示。

圖6　星點位置誤差圖

從圖中可以看出，所有星點的星間角距精度優于10″，滿足技術指標要求，該模擬器可以作為地面觀測目標為微型星敏感器提供高精度恒星模擬圖像。

5　結論

本文從星敏感器地面標定與測試設備的要求出發，設計了一種星圖模擬精度優于10″的靜態星模擬器。首先，介紹了系統的組成和工作原理；然后，研究高精度準直光學系統的設計方法，并用ZEMAX軟件設計光學系統，通過星點分劃板作為星圖顯示器件，實現了星圖模擬；最后，提出星點位置修正方法，改善了星圖模擬精度。由此完成了星圖模擬精度優于10″的靜態星模擬器研制，可供星敏感器進行地面測試與精度標定。

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Design of Static Star Simulator and Accuracy Analysis

SUN Gaofei1，2，ZHANG Guoyu1，2，LIU Shi1，2，WANG Qi1，WANG Lingyun1，2，GAO Yujun3
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Optical Measurement and Control Instrumentation，Jilin Province Engineering Research Center，Changchun 130022；3.Changchun Institute of Optics，Fine Machines and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033）

In order to realize the ground of star sensor calibration and test accuracy，developing high precision static star simulator，required the star angular distance between the precision of simulator is better than 10".Star reticle，using laser direct writing technique to simulate the map as a core display device，design of collimation optical system to realize simulate infinite distance and angle，and through the optimization of aberration guarantee simulation object in image quality.At the same time，the star position correction method is proposed to improve the focal length of uncertainty and the optical system are map simulation error.The experimental results show that the revised chart，single location simulation precision is better than 10"，can be used as a calibration and test equipment on the ground，for star sensor.

star simulator；simulation accuracy for star map；optical system；star position；star sensor

V524.7TH74

A

1672-9870（2015）05-0026-04

2015-05-24

孫高飛（1985-），女，博士，講師，E-mail：51579428@qq.com