甚高精度星模拟器及其关键技术研究
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摘要
星敏感器作为一种高精度空间姿态光学敏感器,在航天领域得到了广泛应用。随着航天技术的发展,对星敏感器的测量精度提出了更高的要求,高精度星敏感器的研制已迫在眉睫,星敏感器的精度标定是实现其姿态准确测量必不可缺少的重要环节,因此星敏感器的高精度标定问题是深空探测、导航领域急待解决的难题。而目前国内外地面标定所采用的方法精度只能达到10”左右,不能满足高精度星敏感器精度(≤1”)的标定要求。为此本文在探索星敏感器高精度标定方法和解决途径的基础上,以提高标定精度为目标,开展甚高精度星模拟器及其关键技术研究,并设计一种精度优于0.5”(1σ)的甚高精度星模拟器,以解决星敏感器的地面高精度标定难题,其可用于高精度星敏感器测量精度的地面标定和仿真试验,对研究高精度星敏感器、深空探测与高精度导航技术具有重要意义和应用价值。
在研究分析国内外星敏感器各种标定方法及特点的基础上,采用长焦距高成像质量准直光学系统和单点可控星图模拟方法与控制技术,提出了一种甚高精度星模拟器的总体设计方案,实现了固定天区动静态星图的模拟与显示。模拟器主要由长焦距高成像质量准直光学系统和高精度可变星等目标标准源组成,在长焦距高成像质量准直光学系统的焦面上放置一个刻有具有一定大小和分布规律的多个透光微孔作为星点的高精度可变星等目标源,每个星点的位置和亮度可设定与控制,由多个星点组合可形成固定天区的动静态星图,该星图经过长焦距高成像质量准直光学系统后成平行光出射,在光学系统出瞳处产生星图,从而实现了固定天区星图的动静态模拟。
针对星点成像质量问题,设计了一种长焦距高成像质量准直光学系统。准直光学系统是甚高精度星模拟器最重要的组成部分,在遵循模拟器光学系统设计原则的基础上,采用长焦距、大视场光学系统设计与计算方法,利用zEMAX对准直光学系统进行了优化设计,严格控制系统畸变和能量中心与主光线偏差,确定系统的结构参数,并对光学系统进行了像质评价与光学公差分析,得出畸变和能量中心与主光线偏差的设计值,分析其对星模拟器精度的影响。通过上述的设计、计算与分析为甚高精度星模拟器的研究提供了设计依据,并为甚高精度星模拟器的实现奠定了基础。
对现有的星模拟器星图显示方式进行了全面分析和研究后,从提高星点定位精度并且实现星图变换的目的出发,基于静态星模拟器星图显示技术的原理,提出了一种用静态目标标准源实现固定天区星图动态模拟与显示方法,并对高精度可变星等目标标准源进行了设计。利用激光直写技术刻划星点的精度优势(位置精度≤0.5μ m),并突破传统静态星模拟器照明方式,采用单点可控矩阵式LED照明技术为星图靶标提供光源,控制每个星点的亮灭和亮度,实现固定天区星图的动静态模拟。该方法可模拟的动态星图虽然样式有限,但克服了传统的动态星图模拟精度受显示器件像素尺寸影响的难题,并且在星图显示系统中也无需加入复杂的计算控制软件,简化了系统的设计难度,为甚高精度星模拟器的实现奠定了技术基础,并具有工程应用价值。
详细分析了甚高精度星模拟器的精度评价方法。星模拟器以星光出射精度作为精度评价指标,影响星光出射精度的误差源主要有准直光学系统引入的误差和星点刻划方式引入的误差。分别从光学系统理论设计的结果和实际加工与装调后的结果两个方面,对影响星光出射精度的误差源进行了理论分析与计算。结果表明：甚高精度星模拟器的星光出射精度,在理论设计的指标下进行精度分析可达到0.0651”；在实际加工与装调后的指标下进行精度分析可达到0.2312”,均满足星敏感器高精度地面标定的要求。
综上所述,本文研究的甚高精度星模拟器,能够在地面上模拟星空中有限个不同形式的星图,并且星光出射精度优于0.5”(1σ),可用于高精度星敏感器测量精度的地面标定和仿真试验,解决了星敏感器的高精度标定难题,为研制高精度星敏感器奠定了基础。
Star sensor is a kind of high precision space optical sensor, which has been widely applied in aerospace field. With the development of aerospace technology, the precision of star sensor has been put forward higher requirements, high precision of star sensor development has been imminent, the accuracy of the star sensor calibration is the indispensable important link to achieve accurate measurement of its attitude, so, deep space guide star sensor calibration with high precision is the problem in deep space exploration and navigation field. However, at present domestic and foreign ground calibration methods used in precision can only achieve10" above, can not meet the high accuracy calibration requirements of the star sensor precision (less thanl"). In this paper, based on exploring precision calibration method and solution of the star sensor, in order to improve the calibration accuracy, high precision star simulator and its key technology research are carried out. Design a very high-precision star simulator which has an accuracy of better than0.5"(la) to solve the problem of ground high precision calibration.The simulator can be used for ground calibration and simulation test in measurement precision of high precision star sensor, it has important significance and application value to study the high precision of star sensor, deep space exploration and high precision navigation.
Based on the study and analysis of the various calibration method and the characteristics of sensor home and abroad, used high imaging quality collimating optical system with long focal length and single point controllable star image simulation method and control technology, put forward a design program of very high accuracy star simulator, which realizes dynamic simulation and displays of a number of maps. The simulator is mainly composed of a high imaging quality collimating optical system with a long focal length and a standard target source with high precision and variable magnitude. High precision variable magnitude target source which has a plurality of transparent microporous with a certain size and distribution is placed on focal plane of the collimating optical system with high imaging quality and a long focal length. Each star's position and brightness can be set and controlled, multiple stars can be combined to form the different area of particular star map, the star map is exited through high imaging quality collimating optical system with a long focal length in parallel light, and is produced on the exit pupil of the optical system, achieving star map simulation with a small celestial body full vision field and high precision. According to the problem of star position accuracy of the image, designed a kind of high imaging quality optical system with a long focal length. Collimating optical system is the most important part in very high accuracy star simulator; following the principle of designing a simulator, optical system with a long focal length, large field of view and calculation method is used. Use ZEMAX to optimize the collimating optical system, strictly control of system distortion and deviation of energy center and the main light, determine the structure parameters of the system, and give optical tolerance analysis and evaluation of image quality of the optical system, obtain deviation value of design of the distortion and energy center and the main light analyze its effect on the precision of star simulator. Design basis is provided for the study of very high accuracy star simulator by the design calculation and analysis, and for very high accuracy star simulator which establishes the basis.
The star map display mode of star simulator is comprehensively analyzed and researched. In order to improve the positioning accuracy and the realization of the map star transformation, based on star map display technology principle of static star simulator, put forward a method which uses a static target standard source to achieve chart dynamic simulation and display, design high precision variable target standard source.
Using the technology of laser direct writing scoring aster ion (the position precision is less than or equal to0.5u m), and breaking through the traditional mode for illumination of static star simulator, use the lighting technology of a single point controllable matrix LED as light source of star tester, control each star's light and brightness, realize a small area of the sky star map of dynamic transformation. This method can simulate the dynamic star map, although its style is limited, overcome the problem of traditional simulation accuracy of dynamic star map by effecting of the pixel size, and the map display system is also without adding complicated calculation and controlling software, simplifies design difficulty of the system, achieves very high precision star simulator lay theoretical foundation for achieving very high precision star simulator, and has engineering application value.
Accuracy evaluation method of the very high accuracy star simulator is analyzed in detail. Exiting accuracy of starlight is used as accuracy evaluation index of star simulator, collimated optical system error introduced by collimating optical system and display mode of star map effect on exiting accuracy of starlight. Error source which effects emitting accuracy of starlight is analyzed and calculated in the aspect of theory from theory results and actual machining and assembling the results of optical system. The results showed that: very high accuracy star simulator emitting accuracy of starlight can reach0.065" under the theoretical design; accuracy reached0.2312"after actual processing and alignment, can meet ground calibration requirements of the high accuracy of star sensor.
In a word, the very high accuracy star simulator in this paper can be capable of simulating different forms of Star map, and the emitting accuracy of starlight is better than0.5"(1σ), can be used for ground calibration and simulation test of high accuracy star sensor, solves the problem of high precision calibration of star sensor, laid the foundation for the development of high precision star sensor.
在研究分析国内外星敏感器各种标定方法及特点的基础上,采用长焦距高成像质量准直光学系统和单点可控星图模拟方法与控制技术,提出了一种甚高精度星模拟器的总体设计方案,实现了固定天区动静态星图的模拟与显示。模拟器主要由长焦距高成像质量准直光学系统和高精度可变星等目标标准源组成,在长焦距高成像质量准直光学系统的焦面上放置一个刻有具有一定大小和分布规律的多个透光微孔作为星点的高精度可变星等目标源,每个星点的位置和亮度可设定与控制,由多个星点组合可形成固定天区的动静态星图,该星图经过长焦距高成像质量准直光学系统后成平行光出射,在光学系统出瞳处产生星图,从而实现了固定天区星图的动静态模拟。
针对星点成像质量问题,设计了一种长焦距高成像质量准直光学系统。准直光学系统是甚高精度星模拟器最重要的组成部分,在遵循模拟器光学系统设计原则的基础上,采用长焦距、大视场光学系统设计与计算方法,利用zEMAX对准直光学系统进行了优化设计,严格控制系统畸变和能量中心与主光线偏差,确定系统的结构参数,并对光学系统进行了像质评价与光学公差分析,得出畸变和能量中心与主光线偏差的设计值,分析其对星模拟器精度的影响。通过上述的设计、计算与分析为甚高精度星模拟器的研究提供了设计依据,并为甚高精度星模拟器的实现奠定了基础。
对现有的星模拟器星图显示方式进行了全面分析和研究后,从提高星点定位精度并且实现星图变换的目的出发,基于静态星模拟器星图显示技术的原理,提出了一种用静态目标标准源实现固定天区星图动态模拟与显示方法,并对高精度可变星等目标标准源进行了设计。利用激光直写技术刻划星点的精度优势(位置精度≤0.5μ m),并突破传统静态星模拟器照明方式,采用单点可控矩阵式LED照明技术为星图靶标提供光源,控制每个星点的亮灭和亮度,实现固定天区星图的动静态模拟。该方法可模拟的动态星图虽然样式有限,但克服了传统的动态星图模拟精度受显示器件像素尺寸影响的难题,并且在星图显示系统中也无需加入复杂的计算控制软件,简化了系统的设计难度,为甚高精度星模拟器的实现奠定了技术基础,并具有工程应用价值。
详细分析了甚高精度星模拟器的精度评价方法。星模拟器以星光出射精度作为精度评价指标,影响星光出射精度的误差源主要有准直光学系统引入的误差和星点刻划方式引入的误差。分别从光学系统理论设计的结果和实际加工与装调后的结果两个方面,对影响星光出射精度的误差源进行了理论分析与计算。结果表明：甚高精度星模拟器的星光出射精度,在理论设计的指标下进行精度分析可达到0.0651”；在实际加工与装调后的指标下进行精度分析可达到0.2312”,均满足星敏感器高精度地面标定的要求。
综上所述,本文研究的甚高精度星模拟器,能够在地面上模拟星空中有限个不同形式的星图,并且星光出射精度优于0.5”(1σ),可用于高精度星敏感器测量精度的地面标定和仿真试验,解决了星敏感器的高精度标定难题,为研制高精度星敏感器奠定了基础。
Star sensor is a kind of high precision space optical sensor, which has been widely applied in aerospace field. With the development of aerospace technology, the precision of star sensor has been put forward higher requirements, high precision of star sensor development has been imminent, the accuracy of the star sensor calibration is the indispensable important link to achieve accurate measurement of its attitude, so, deep space guide star sensor calibration with high precision is the problem in deep space exploration and navigation field. However, at present domestic and foreign ground calibration methods used in precision can only achieve10" above, can not meet the high accuracy calibration requirements of the star sensor precision (less thanl"). In this paper, based on exploring precision calibration method and solution of the star sensor, in order to improve the calibration accuracy, high precision star simulator and its key technology research are carried out. Design a very high-precision star simulator which has an accuracy of better than0.5"(la) to solve the problem of ground high precision calibration.The simulator can be used for ground calibration and simulation test in measurement precision of high precision star sensor, it has important significance and application value to study the high precision of star sensor, deep space exploration and high precision navigation.
Based on the study and analysis of the various calibration method and the characteristics of sensor home and abroad, used high imaging quality collimating optical system with long focal length and single point controllable star image simulation method and control technology, put forward a design program of very high accuracy star simulator, which realizes dynamic simulation and displays of a number of maps. The simulator is mainly composed of a high imaging quality collimating optical system with a long focal length and a standard target source with high precision and variable magnitude. High precision variable magnitude target source which has a plurality of transparent microporous with a certain size and distribution is placed on focal plane of the collimating optical system with high imaging quality and a long focal length. Each star's position and brightness can be set and controlled, multiple stars can be combined to form the different area of particular star map, the star map is exited through high imaging quality collimating optical system with a long focal length in parallel light, and is produced on the exit pupil of the optical system, achieving star map simulation with a small celestial body full vision field and high precision. According to the problem of star position accuracy of the image, designed a kind of high imaging quality optical system with a long focal length. Collimating optical system is the most important part in very high accuracy star simulator; following the principle of designing a simulator, optical system with a long focal length, large field of view and calculation method is used. Use ZEMAX to optimize the collimating optical system, strictly control of system distortion and deviation of energy center and the main light, determine the structure parameters of the system, and give optical tolerance analysis and evaluation of image quality of the optical system, obtain deviation value of design of the distortion and energy center and the main light analyze its effect on the precision of star simulator. Design basis is provided for the study of very high accuracy star simulator by the design calculation and analysis, and for very high accuracy star simulator which establishes the basis.
The star map display mode of star simulator is comprehensively analyzed and researched. In order to improve the positioning accuracy and the realization of the map star transformation, based on star map display technology principle of static star simulator, put forward a method which uses a static target standard source to achieve chart dynamic simulation and display, design high precision variable target standard source.
Using the technology of laser direct writing scoring aster ion (the position precision is less than or equal to0.5u m), and breaking through the traditional mode for illumination of static star simulator, use the lighting technology of a single point controllable matrix LED as light source of star tester, control each star's light and brightness, realize a small area of the sky star map of dynamic transformation. This method can simulate the dynamic star map, although its style is limited, overcome the problem of traditional simulation accuracy of dynamic star map by effecting of the pixel size, and the map display system is also without adding complicated calculation and controlling software, simplifies design difficulty of the system, achieves very high precision star simulator lay theoretical foundation for achieving very high precision star simulator, and has engineering application value.
Accuracy evaluation method of the very high accuracy star simulator is analyzed in detail. Exiting accuracy of starlight is used as accuracy evaluation index of star simulator, collimated optical system error introduced by collimating optical system and display mode of star map effect on exiting accuracy of starlight. Error source which effects emitting accuracy of starlight is analyzed and calculated in the aspect of theory from theory results and actual machining and assembling the results of optical system. The results showed that: very high accuracy star simulator emitting accuracy of starlight can reach0.065" under the theoretical design; accuracy reached0.2312"after actual processing and alignment, can meet ground calibration requirements of the high accuracy of star sensor.
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引文
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