CN109520526A - 一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统及方法，使星模拟器与星敏感器高精准的安装在设定位置，实现星敏感器与星模拟器两者光轴的准直。星模拟器的出瞳与星模拟器的光学镜头系统具有一定的间距，基于这一特性设计星模拟器，使星模拟器光学结构在满足星模拟器标定功能的条件下，星模拟器的镜头比星敏感器的入瞳大，则当光线充满整个光学镜头系统时，有一部分光线被准直入射到星敏感器中，该部分光线作为星模拟器标定部分；另一部分光线被准直照射到星敏感器固定法兰面上，该部分光线作为星敏感器与星模拟器的自准直测量光路，从而在共光路的条件下实现星模拟器标定的功能以及星模拟器与星敏感器自准直测量的功能。

Description

一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统及方法

技术领域

本发明属于航天设备安装姿态的测量领域，具体涉及星模拟器的标定以及星敏感器与星模拟器的光轴自准直测量系统。

背景技术

星敏感器作为一种高精度、高可靠性姿态敏感测量器件，在当前航天飞行器中得到了广泛应用。星敏感器利用恒星位置相对于惯性空间基本不动的规律，通过对一个天区的恒星光电成像获取星图，再对星图进行处理和识别得到测量敏感器光轴在惯性空间指向，经过星敏感器在航天器安装坐标系与航天器姿态坐标系的转换即可得到航天器的三轴姿态；与其它姿态敏感器相比，星敏感器以恒星作为姿态测量参考基准，可以输出极高精度的绝对姿态信息并广泛应用于空间飞行器。星模拟器作为一种用于星敏感器的地面标定设备，主要是模拟天空中星的位置、亮度以及光谱特性等。

目前，星敏感器自准直测量主要有经纬仪布站测量法以及使用多个自准直仪配备双轴精密转台的测试方法。经纬仪布站测量法需要经纬仪之间相互瞄准，由于经纬仪是通过人眼观测，容易受到经纬仪布站的远近、光照等环境因素的影响，测量精度只能达到十几角秒，测量效率低。

多个自准直仪配备双轴精密转台的测试方法需要操作者将多个自准直仪摆放于不同的位置，通过基准块在多次基准变换后，观察自准直仪读出结果并计算安装误差。该方法受仪器设备、标准件、基准传递误差以及人工操作的制约，安装误差测试精度降低，而且安装效率也较低。

精密小角度测量是几何量计量检测的重要组成部分，在精密装备制造与校准、航空航天设备瞄准与定位等领域有广泛应用，随着这些领域的进一步发展，对其测量精度与稳定性的要求越来越高，因此高精度与高稳定性精密小角度测量技术的发展对于现代工业和科学研究具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的星模拟器的标定与自准直测量的误差大、受人为因素的限制等问题，本发明提供了一种在满足星模拟器标定的前提下，集成了精度高、操作简单且重复性能优良的小角度测量系统，使星模拟器与星敏感器高精准的安装在设定位置，实现星敏感器与星模拟器两者光轴的准直。

本发明专利的技术方案根据星模拟器的出瞳与星模拟器的光学镜头系统具有一定的间距，基于这一特性设计星模拟器，使星模拟器的光学结构在满足星模拟器标定功能的条件下，星模拟器的镜头比星敏感器的入瞳大，即当光线充满整个光学镜头系统时，有一部分光线被准直入射到星敏感器中，该部分光线作为星模拟器标定部分；另一部分光线被准直照射到星敏感器固定法兰面上，该部分光线作为星敏感器与星模拟器的自准直测量光路，从而在共用光路的条件下实现星模拟器标定的功能以及星模拟器与星敏感器自准直测量的功能。

实现本发明目的具体技术方案如下：

一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统，星模拟器的一端侧设有星敏感器固定法兰面，另一端侧依次设有系统镜窗、星模拟器的光学系统和分光镜；所述星敏感器固定法兰面上安装方形棱镜，所述与分光镜的光线射出对应位置设有CCD系统，保证分光镜射出的光线能够进入CCD系统中，CCD系统安装位置不限，只要与倾斜的分光镜位置对应即可；所述分光镜与星模拟器轴线具有倾斜夹角，经分光镜的光线可以入射到CCD系统中。

进一步地，方形棱镜安装在星敏感器固定法兰面被照射到的任意位置处。

进一步地，移动方形棱镜的安装位置，测量区域不同位置偏转角θ，即可得到不同位置的偏移量OO′。

进一步地，光源出射的光线充满整个星模拟器的光学系统，在星敏感器入瞳范围内的光线准直地入射到星敏感器，该部分光路作为星模拟器标定光路；星敏感器入瞳范围外的光线照射在星敏感器固定法兰面上，该部分光路作为星敏感器的自准直光路。

进一步地，入射到星敏感器固定法兰面上的光线经方形棱镜反射回去，二次反射回来后，再次通过星模拟器的光学系统，该部分光线入射到分光镜后，最终光线成像在位于分光镜下方的CCD系统中，得到位置偏移量OO'。

进一步地，依据公式OO′＝f·tan(2θ)，其中f为系统焦距，θ为星敏感器固定法兰面偏转角，若θ较小时，θ≈OO'/2f，得到安装方形棱镜位置处的偏转角度信息，即得到星敏感器的位置信息。

一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统的测量方法，包括如下步骤：

光源出射的光线充满整个星模拟器的光学系统，在星敏感器入瞳范围内的光线经过光学系统准直地入射到星敏感器，该部分光路作为星模拟器标定光路；星敏感器入瞳范围外的光线照射在星敏感器固定法兰面上，该部分光路作为星敏感器的自准直光路；

通过在星敏感器固定法兰面上安装方形棱镜，将入射到星敏感器固定法兰面上的光线经方形棱镜7反射回去；

方形棱镜反射回来的光线再次通过星模拟器的光学系统，该部分光线入射到分光镜后，最终光线成像在位于分光镜下方的CCD系统中，得到位置偏移量OO′；

依据公式OO′＝f·tan(2θ)，其中f为系统焦距，θ为星敏感器固定法兰面偏转角，若θ较小时，得到安装方形棱镜位置处的偏转角度信息，得到星敏感器固定法兰面的位置信息，即得到星敏感器的位置信息。

进一步地，在星敏感器固定法兰面被照射到的任意位置处安装方形棱镜，在星敏感器入瞳范围外部的光线，该部分光线照射到星敏感器固定法兰面的区域范围内，重复权利要求7中的步骤，最终得到安装在不同位置处方块棱镜的信息，实现该区域不同位置偏转角θ的测量，可得到不同位置的偏移量OO′。

本发明专利与现有技术相比，其显著优点为：结合星模拟器光学结构特点，充分利用了星模拟器的光学结构空间，使得系统的复杂性得以简化，降低了系统的成本，操作简单且容易实现。

附图说明

图1为本发明实施例中的星模拟器标定的光路部分。

图2为本发明实施例中的星模拟器中自准直测量的光路部分。

图3为本发明实施例中的基于共光路的星模拟器标定与自准直测量的实体模型图。

图4为本发明实施例中的星敏感器固定法兰面偏转角θ的测量简化结构图。

附图标记如下：1-星敏感器固定法兰面 2-星敏感器 3-系统窗镜 4-星模拟器的光学系统 5-分光镜 6-星模拟器标定光路 7-方形棱镜 8-自准直光路 9-CCD系统

具体实施方式

下面结合附图1-4对本发明一个具体实施方式作进一步详细描述。

如图3所示，一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统，星模拟器2的一端侧设有星敏感器固定法兰面1，另一端侧依次设有系统镜窗3、星模拟器的光学系统4和分光镜5；星敏感器固定法兰面1上安装方形棱镜7，分光镜5的下方设有CCD系统9；分光镜5与星模拟器2的轴线具有倾斜夹角，经分光镜5的光线可以入射到CCD系统9中，并在CCD系统9中成像。

如图1所示，星模拟器标定的光路部分，光源出射的光线充满整个星模拟器的光学系统4，在星敏感器入瞳范围内的光线经过星模拟器的光学系统4准直地入射到星敏感器件2，该部分光路作为星模拟器标定光路6；

如图2所示，星敏感器入瞳范围外的光线照射在星敏感器固定法兰面1上，该部分光路作为星敏感器的自准直光路8。

如图3所示，通过在星敏感器固定法兰面1上安装方形棱镜7，将入射到星敏感器固定法兰面1上的光线经方形棱镜7反射回去。方形棱镜7反射回来的光线再次通过星模拟器的光学系统4，该部分光线入射到分光镜5后，最终光线成像在位于分光镜5下方的CCD系统9中，得到位置偏移量OO′。依据公式OO′＝f·tan(2θ)，其中f为系统焦距，θ为星敏感器固定法兰面偏转角，若θ较小时，由此得到安装方形棱镜7位置处的偏转角度信息，即得到星敏感器2的位置信息。

如图4所示，在星敏感器入瞳范围外部的光线，该部分光线照射到星敏感器固定法兰面1的区域范围内，可以在星敏感器固定法兰面1被照射到的任意位置处通过安装方形棱镜7，然后经过上述同样的过程，最终得到安装在不同位置处方块棱镜7的信息，实现该区域不同位置偏转角θ的测量，即可得到不同位置的偏移量OO′。

本实施例的一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统的测量方法，包括如下步骤：

如图3所示，光源出射的光线充满整个星模拟器的光学系统4，在星敏感器2入瞳范围内的光线经过光学系统准直地入射到星敏感器2，该部分光路作为星模拟器标定光路6；星敏感器入瞳范围外的光线照射在星敏感器固定法兰面1上，该部分光路作为星敏感器的自准直光路8；

通过在星敏感器固定法兰面上安装方形棱镜，将入射到星敏感器固定法兰面上的光线经方形棱镜7反射回去；

方形棱镜7反射回来的光线再次通过星模拟器的光学系统4，该部分光线入射到分光镜后，最终光线成像在位于分光镜5下方的CCD系统9中，得到位置偏移量OO′；

依据公式OO′＝f·tan(2θ)，其中f为系统焦距，θ为星敏感器固定法兰面偏转角，若θ较小时，得到安装方形棱镜7位置处的偏转角度信息，得到星敏感器固定法兰面1的位置信息，即得到星敏感器2的位置信息。

如图4所示，在星敏感器固定法兰面被照射到的任意位置处安装方形棱镜，在星敏感器入瞳范围外部的光线，该部分光线照射到星敏感器固定法兰面的区域范围内，重复权利要求7中的步骤，最终得到安装在不同位置处方块棱镜的信息，实现该区域不同位置偏转角θ的测量，可得到不同位置的偏移量OO′。

Claims (8)

1.一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统，其特征在于，所述星模拟器的一端侧设有星敏感器固定法兰面，另一端侧依次设有系统镜窗、星模拟器的光学系统和分光镜；所述星敏感器固定法兰面上安装方形棱镜，所述与分光镜的光线射出对应位置设有CCD系统；所述分光镜与星模拟器的轴线具有倾斜夹角。

2.根据权利要求1所述的一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统，其特征在于，所述方形棱镜安装在星敏感器固定法兰面被照射到的任意位置处。

3.根据权利要求2所述的一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统，其特征在于，移动方形棱镜的安装位置，测量区域不同位置偏转角θ，即可得到不同位置的偏移量OO′。

4.根据权利要求1所述的一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统，其特征在于，光源出射的光线充满整个星模拟器的光学系统，在星敏感器入瞳范围内的光线准直地入射到星敏感器，该部分光路作为星模拟器标定光路；星敏感器入瞳范围外的光线照射在星敏感器固定法兰面上，该部分光路作为星敏感器的自准直光路。

5.根据权利要求4所述的一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统，其特征在于，入射到星敏感器固定法兰面上的光线经方形棱镜反射回去，二次反射回来后，再次通过星模拟器的光学系统，该部分光线入射到分光镜后，最终光线成像在位于分光镜下方的CCD系统中，得到位置偏移量OO'。

6.根据权利要求5所述的一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统，其特征在于，依据公式OO′＝f·tan(2θ)，其中f为系统焦距，θ为星敏感器固定法兰面偏转角，若θ较小时，θ≈OO'/2f，得到安装方形棱镜位置处的偏转角度信息，即得到星敏感器的位置信息。

7.一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

光源出射的光线充满整个星模拟器的光学系统，在星敏感器入瞳范围内的光线经过光学系统准直地入射到星敏感器，该部分光路作为星模拟器标定光路；星敏感器入瞳范围外的光线照射在星敏感器固定法兰面上，该部分光路作为星敏感器的自准直光路；

通过在星敏感器固定法兰面上安装方形棱镜，将入射到星敏感器固定法兰面上的光线经方形棱镜反射回去；

方形棱镜反射回来的光线再次通过星模拟器的光学系统，该部分光线入射到分光镜后，最终光线成像在位于分光镜下方的CCD系统中，得到位置偏移量OO′；

依据公式OO′＝f·tan(2θ)，其中f为系统焦距，θ为星敏感器固定法兰面偏转角，若θ较小时，得到安装方形棱镜位置处的偏转角度信息，即得到星敏感器的位置信息。

8.根据权利要求7所述的一种基于共光路的星模拟器标定与自准直测量系统的测量方法，其特征在于，在星敏感器固定法兰面被照射到的任意位置处安装方形棱镜，在星敏感器入瞳范围外部的光线，该部分光线照射到星敏感器固定法兰面的区域范围内，重复权利要求7中的步骤，最终得到安装在不同位置处方块棱镜的信息，实现该区域不同位置偏转角θ的测量，可得到不同位置的偏移量OO′。