陳啟夢，張國玉 ，王哲，趙梓朝

（1.長春理工大學，長春 130022；2.光電測控與光電信息傳輸技術教育部重點實驗室，長春 130022；3.光電測控儀器工程技術研究中心，長春 130022；4.吉林省計量科學研究院，長春 130103）

標定型星模擬器設計與關鍵參數(shù)測試

陳啟夢1，2，3，張國玉1，2，3，王哲1，趙梓朝4

（1.長春理工大學，長春 130022；2.光電測控與光電信息傳輸技術教育部重點實驗室，長春 130022；3.光電測控儀器工程技術研究中心，長春 130022；4.吉林省計量科學研究院，長春 130103）

為了完成高精度星敏感器關鍵參數(shù)的地面標定，研制單星指向誤差優(yōu)于3″、星間角距誤差優(yōu)于5″的標定型星模擬器。根據(jù)標定型星模擬器的工作原理，設計高精度的準直光學系統(tǒng)，從設計結果分析，光學系統(tǒng)有效視場為37°，全視場角內(nèi)準直光學系統(tǒng)相對畸變≤0.1%，MTF達到衍射極限，可以實現(xiàn)對星點位置的準確模擬。提出單星指向、星間角距等關鍵參數(shù)的誤差計算方法并進行測試，實驗結果表明：設計的標定型星模擬器的成像精度符合設計指標要求，整個設備可以滿足高精度星敏感器地面測試的使用需要。

星模擬器；單星指向；星間角距；光學設計；誤差計算

為順利完成星敏感器關鍵參數(shù)的地面標定工作，需要一套高精度的標定系統(tǒng)將星敏感器在軌工作時觀測到的恒星位置信息準確地反映出來，從而實現(xiàn)對真實天空的模擬［1-3］。星模擬器就是一種能夠完成上述工作的星敏感器重要地面標定設備。星模擬器根據(jù)檢測參數(shù)需求可以分為標定型星模擬器和功能檢測型星模擬器。標定型星模擬器對星點位置和星等的模擬有很高要求，一般只模擬幾幅在固定天區(qū)的恒星星圖，因此也稱為靜態(tài)星模擬器，通常用一塊表面上掩膜腐蝕出高精度透光微孔的星點板仿真恒星位置關系，突出系統(tǒng)性能；功能檢測型星模擬器能夠輸出實時模擬星圖，因此也稱為動態(tài)星模擬器，一般選用TFT-LCD、LCOS等光調(diào)制器件作為星圖顯示元件，強調(diào)系統(tǒng)功能［4-6］。

本文研制的高精度標定型星模擬器，從星點位置指標要求出發(fā)，用于對星敏感器的性能測試。重點設計了一個準直光學系統(tǒng)，并詳細說明了單星指向、星間角距等關鍵參數(shù)的精度計算方法，并進行實際測試實驗，分析驗證了系統(tǒng)的可行性。

1 標定型星模擬器的工作原理

標定型星模擬器結構簡單、裝調(diào)方便，常規(guī)的標定型星模擬器主要由控制電源、高均勻性光源、帶通濾光片、激光直寫微孔星點板、高精度準直光學系統(tǒng)等組成，其結構組成如圖1所示。

圖1 標定型星模擬器結構組成示意圖

標定型星模擬器的工作原理如下：將利用激光直寫技術制作的攜帶星點位置分布的透光微孔星點分劃板放置在高精度準直光學系統(tǒng)的焦平面上，光源照亮星點分劃板并在其上星圖顯示區(qū)域內(nèi)具有高均勻性，通過中性帶通濾光片修正星光光譜，形成符合光譜要求的模擬恒星星點。由于星點分劃板放置在準直光學系統(tǒng)的焦平面上，因此透過星點微孔的光線經(jīng)過準直光學系統(tǒng)后平行射出，星敏感器接收平行光在其像面會聚形成一幅完整的固定天區(qū)恒星模擬星圖，從而實現(xiàn)了模擬器對無窮遠恒星的模擬以及敏感器對來自無窮遠模擬星光的觀測。為保證模擬器安全工作，控制電源對光源供電［7］，同時在一定范圍調(diào)節(jié)光源的發(fā)光亮度來改變模擬星等等級。

2 準直光學系統(tǒng)設計

準直光學系統(tǒng)是標定型星模擬器實現(xiàn)其對星敏感器地面測試能力的關鍵因素，它可以完成對無窮遠處固定天區(qū)星點位置準確的模擬，其性能直接影響模擬器對星敏感器的地面標定精度。

2.1 設計原則及設計參數(shù)

由于標定型星模擬器要具有模擬較大空間尺寸星圖的性能，故所設計的準直光學系統(tǒng)實質是一個較大視場平行光管；考慮到測試試驗中星敏感器與模擬器的對接方式是光瞳銜接，因此，要求設計的準直光學系統(tǒng)光瞳外置，且必須具有畸變小、復消色差的高質量成像特點。

根據(jù)高精度星敏感器的地面標定要求，設計的標定型星模擬器準直光學系統(tǒng)的設計參數(shù)如表1所示。

表1 光學系統(tǒng)的設計指標

2.2 設計結果

根據(jù)星模擬器準直光學系統(tǒng)的設計要求，消除畸變是系統(tǒng)設計中最為重要的任務之一，設計中發(fā)現(xiàn)改變透鏡基本結構參數(shù)不能有效校正畸變，無法到達相對畸變小于0.1%的要求，因此設定優(yōu)化操作數(shù)控制相對畸變。最后根據(jù)技術指標要求，設計完成后的星模擬器結構如圖2所示。

圖2 設計的星模擬器結構圖

如圖3所示是規(guī)劃后的準直光學系統(tǒng)相對畸變曲線，全視場內(nèi)最大相對畸變誤差不大于0.08%，中心波長最大相對畸變誤差不大于0.06%。

圖3 準直光學系統(tǒng)的場曲、畸變曲線

MTF是所有光學系統(tǒng)性能判據(jù)中最全面的判據(jù)，規(guī)劃后的準直光學系統(tǒng)MTF曲線如圖4所示。

圖4 準直光學系統(tǒng)的MTF圖

規(guī)劃后的準直光學系統(tǒng)主光線點列圖如圖5所示。通過點列圖可以計算準直光學系統(tǒng)能量中心與主光線偏差，進而計算光學系統(tǒng)產(chǎn)生的星點模擬角度理論偏差，計算結果如表2所示。

圖5 準直光學系統(tǒng)的主光線點列圖

表2 星點模擬角度理論偏差

3 關鍵參數(shù)測試方法及實驗結果

標定型星模擬器自身關鍵參數(shù)的精度是決定其對星敏感器標定精度的關鍵，根據(jù)本文的研究內(nèi)容，涉及的關鍵參數(shù)包括單星指向誤差和星間角距誤差。

3.1 測試方法及誤差計算

為完成對星模擬核心參數(shù)的檢測，采用TM6100型經(jīng)緯儀、自準直平面反射鏡以及f′=1000mm的平行光管組成測試系統(tǒng)，測試關系如圖6所示。其中長焦距平行光管的作用是將星點分劃板調(diào)焦到標定型星模擬器準直光學系統(tǒng)的最佳像面；經(jīng)緯儀無窮遠調(diào)校則通過自準直平面反射鏡和自身目鏡來完成；在保證星模擬器光學系統(tǒng)的光軸與經(jīng)緯儀的光軸同軸的情況下，利用經(jīng)緯儀讀取星點分劃板上每個星點的方位角度值α和俯仰角度值β，然后計算星圖中各星點的單星指向值和星點間的星間角距值。

圖6 模擬器關鍵參數(shù)測試方法示意圖

星點位置計算模型如圖7所示，星點位置的理論值通過公式（1）計算，測試值通過公式（2）計算；測試值減去理論值得到的結果即為對應的誤差值，通過公式（3）計算。

圖7 星點位置精度計算模型

3.2 典型星圖測試結果

搭建測試平臺，對如圖8所示的典型星圖進行星點位置精度測試。

圖8 測試用星圖

通過實驗得到的單星指向誤差和星間角距誤差結果如圖9所示。

圖9 測試星圖星點位置誤差圖

從計算的誤差分布可以看出，兩幅被測星圖中所有點的單星指向誤差均優(yōu)于3″，星間角距誤差均優(yōu)于5″，滿足對星敏感器性能的測試水平要求，所設計的標定型星模擬器可以作為高精度星敏感器的地面測試設備。

4 結論

本文針對星敏感器地面標定對測試設備性能的具體要求，設計了一種高精度標定型星模擬器。提出了模擬器的總體設計方案，包括系統(tǒng)組成及工作原理；設計了光瞳外置的模擬器準直光學系統(tǒng)，該光學系統(tǒng)具有大視場、寬光譜、小畸變等優(yōu)點；闡述了模擬器關鍵參數(shù)的測試方法，搭建實驗平臺并對典型星圖進行實際測試。結果表明：核心參數(shù)實測結果均滿足技術指標要求。因此，設計的標定型星模擬器可以作為高精度星敏感器地面性能測試的重要設備。

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Design of Calibration Star Simulator and Test of Key Parameters

CHEN Qimeng1，2，3，ZHANG Guoyu1，2，3，WANG Zhe1，ZHAO Zizhao4
（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Key Laboratory of Optoelectronics Measurement and Control and Optical Information Transfer Technology Under Ministry of Education，Changchun 130022；3.Engineering Research Center of Photoelectric Measurement and Control Instrument，Changchun 130022；4.Jilin Institute of Metrology and Research，Changchun 130103）

In order to complete the ground calibration work of the key parameters for high precision star sensor，a calibration star simulator whose single star pointing error is better than 3"and interstellar angular error is better than 5"is developed.According to the working principle of the calibrated star simulator，a high precision collimating optical system is designed.From the design results，it can be seen that the effective field of view is 37°，the relative distortion of the collimating optical system in the whole field is≤0.1%，and the MTF nearly reaches the diffraction limit.So the design results of the collimating optical system can realize the accurate simulation of the star point position.The error calculation method of key parameters such as single star pointing，interstellar angle and so on is put forward and the practical experiment is done.The experimental results show that the design accuracy of the calibration star simulator meets the requirements of the design index，and the whole equipment can meet the ground test need of high precision star sensor.

star simulator；single star point pointing；interstellar angle；optical design；error calculation

V249.4 TH74

A

1672-9870（2017）04-0041-04

2017-05-25

陳啟夢（1989-），女，博士，講師，E-mail：qmchen1989@163.com