CN113720358A - 一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，准直光学系统、星点分划板组件、匀光板组件、光源组件、供电系统组件沿轴向依次设置；准直光学系统固定安装在第一安装支架或第二安装支架上；在星敏感器安装在背罩的舷窗内侧进行性能测试时，准直光学系统固定安装在第一安装支架的一端，第一安装支架的另一端固定安装在背罩的舷窗外面；在星敏感器垂直放置在水平试验台进行性能测试时，准直光学系统固定安装在第二安装支架的一端，第二安装支架的另一端固定安装在星敏感器遮光罩的外面，静态模拟器位于星敏感器上方。该星模拟器可应用于舷窗式星敏感器，也可用于其他星敏感器，具有较强的通用性，小型化和轻量化的优势。

Description

一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器

技术领域

本发明涉及一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，属于星模拟器技术领域。

背景技术

星敏感器是一种以恒星为参照物的高精度姿态测量设备，与其他姿态敏感器如地球敏感器、太阳敏感器等相比，具有测量精度高、抗干扰能力强等优势，其已成为现在最主要的姿态测量仪器之一。在我国遥感、高分测绘、深空探测、交会对接、二代导航等领域应用众多。火星进入舱GNC分系统选用星敏感器作为重要敏感器之一，通过对天区进行观测，识别提取星数并最终输出姿态，为进入舱GNC分系统提供探测器的惯性姿态基准。

星模拟器作为星敏感器高精度地面标定系统得到广泛应用。星模拟器按照星图显示的方式分为静态星模拟器和动态星模拟器。静态星模拟器星图显示单一，模拟精度高，结构简单，主要用于星敏感器的开环测试。动态星模拟器星图显示多样，结构较为复杂，主要用于星敏感器的闭环测试。

火星探测器为了避免气动热对星敏感器的影响以及保持气动外形的需要，星敏感器安装在背罩内部，45度向上倾斜，通过舷窗结构进行星图识别，见图 1所示。传统的星模拟器一般通过安装支架固定，将星模拟器头部伸入星敏感器的遮光罩内部，与星敏感器的光学镜头匹配对接。由于星模拟器出瞳距由星敏感器的入瞳位置及静态星模拟器可靠近星敏感器的程度来决定，所以传统的星模拟器的出瞳距较小。考虑到火星探测器星敏感器的特殊安装方式，模拟器和星敏感器之间的光路传输需要通过舷窗玻璃和遮光罩，星模拟器需要较大的出瞳距。同时舷窗玻璃会造成星模拟器的出射光与理论的出射光存在偏差，严重影响星敏感器的地面测试精度。传统的星模拟器光学设计未考虑光学玻璃的影响。因此，传统的星模拟器无法满足火星探测器着陆巡视器星敏感器的测试要求。

星敏感器地面测试需要完成星图识别、测量精度以及抗强光干扰等功能测试。在轨期间，星敏感器收到强光干扰的几率比较大，需要保证在受到强光干扰时给出有效的“见强光”标志，避免进入舱GNC分系统采用错误的姿态。同时，在强光转出星敏感器视场后，星敏感器能在较短时间内恢复正常工作。传统的星模拟器无法模拟太阳、地卫等强光干扰，需要开展单独的强光干扰测试，测试流程繁琐，不适用于分系统测试和整器测试。

安装支架作为星模拟器的承载部件，也是唯一与星模拟器直接接触的部件。安装支架直接影响模拟器出光口对敏感器接收探头的指向精度。传统的星模拟器一般采用固定框架式星模拟器或者手持式星模拟器，将固定框架下端固定在星敏感器的遮光罩外部，再将星模拟器固定在框架上方，通过转动旋钮将星模拟器头部下降到最低端。该方式容易对星敏感器的遮光罩内部产生损坏，安全性差。另外该支架体积庞大，稳定性差，不易操作，不适用于受限操作空间的环境。一般只能应用于单机和分系统测试。手持型星模拟器没有星敏感器安装位置的限制，但该方法无法保证星模拟器与星敏感器对接时，星模拟器的能量能够被星敏感器准确接收，严重影响地面测试精度。火星探测器背罩采用球锥型，高度约2m，采用手持式星模拟器，危险系数极高，容易对背罩形成损伤或者污染。

发明内容

本发明解决的技术问题是：以火星探测器为应用背景，针对现有技术的不足，提供了一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，能够有效解决传统星模拟器体积大，精度相对低，稳定性差和安全性差等问题，为提升舷窗式星敏感器地面测试有效性提供了有力支持。

本发明的技术方案是：

一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，包括：准直光学系统、星点分划板组件、匀光板组件、光源组件、供电系统组件、第一安装支架和第二安装支架；

准直光学系统、星点分划板组件、匀光板组件、光源组件、供电系统组件沿轴向依次设置；

准直光学系统固定安装在第一安装支架或第二安装支架上；

在星敏感器安装在背罩的舷窗内侧进行性能测试时，准直光学系统固定安装在第一安装支架的一端，第一安装支架的另一端固定安装在背罩的舷窗外面；

在星敏感器垂直放置在水平试验台进行性能测试时，准直光学系统固定安装在第二安装支架的一端，第二安装支架的另一端固定安装在星敏感器遮光罩的外面，静态模拟器位于星敏感器上方。

本发明与现有技术相比优点在于：

1)本发明申请针对火星探测器着陆巡视器中模拟器和星敏感器之间的光路传输需要通过舷窗玻璃和遮光罩的特点，提出了一种长出瞳距星模拟器。舷窗玻璃会造成实际出射角与理论出射角之间存在偏差的问题。本发明申请在光学系统设计优化过程中充分考虑该因素，进行了优化升级。传统的星模拟器探入遮光罩内部与星敏感器镜头对接，未考虑到光学玻璃以及遮光罩的影响，不适用于火星探测器着陆巡视器中星敏感器的地面测试。

2)本发明申请针对火星着陆巡视器中星敏感器安装方式和位置多样性的特点，设计了一套安装支架，既能满足在分系统及单机环境下敏感器进行桌面联试，还能针对星敏感器45°安装条件，星模拟器固定在背罩壳体进行整器测试。通过更换安装法兰，静态星模拟器可适用不同安装形式的星敏感器测试，可有效保证星模拟器安装后的稳定性，具有较强的通用性，小型化和轻量化的优点。

附图说明

图1火星探测器星敏感器安装位置示意图。

图2静态星模拟器结构示意图。

图3光学系统图。

图4火星探测器星模拟器第二安装支架。

图5火星探测器星模拟器安装示意图。

图6火星探测器星模拟器安装示意图。

图7火星探测器星模拟器第一安装支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的。技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施，对本发明进行进一步详细说明。本发明提供了一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，设计了准直光学系统以及安装支架，实现了舷窗式星敏感器的有效地面测试。

一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，包括：准直光学系统、星点分划板组件、匀光板组件、光源组件、供电系统组件、第一安装支架和第二安装支架。

准直光学系统、星点分划板组件、匀光板组件、光源组件、供电系统组件沿轴向依次设置；

准直光学系统固定安装在第一安装支架或第二安装支架上；

如图1所示，在星敏感器安装在背罩的舷窗内侧进行性能测试时，准直光学系统固定安装在第一安装支架的一端，第一安装支架的另一端固定安装在背罩的舷窗外面，星敏感器安装在背罩的舷窗内侧，星敏感器位置与静态模拟器的位置对应。星敏感器和静态模拟器之间设置有舷窗玻璃，着陆巡视器的外侧遮罩有背罩，着陆巡视器位于背罩投影面的中心位置，背罩整体呈球锥型。背罩的轴向和静态模拟器光轴之间的夹角为45°；

在星敏感器垂直放置在水平试验台进行性能测试时，准直光学系统固定安装在第二安装支架的一端，第二安装支架的另一端固定安装在星敏感器遮光罩的外面，静态模拟器位于星敏感器上方。

光源组件包括：星图光源和背景光光源；星图光源发出光线，经过匀光板组件，照亮准直光学系统焦面位置的透光星点分划板组件得到模拟星，经过准直光学系统以平行光的形式投射到辐照面上形成模拟星点；背景光光源位于星图光源的下方，背景光经过匀光板组件，照亮准直光学系统焦面位置的透光星点分划板组件得到模拟背景，经过准直光学系统以平行光的形式投射到辐照面上形成模拟星图背景，模拟星点和星图背景叠加，形成背景可控的星图模拟，不但可实现星图模拟，还可通过改变背景阈值模拟太阳、地卫等强光干扰。

静态模拟器的出瞳距大于150mm。本发明实施例中为162mm，星模拟器的出瞳距大小与星敏感器的入瞳距以及两者的靠近程度有关，天问一号火星探测器中星敏感器和静态模拟器之间的光路需要通过舷窗玻璃和遮光罩的长距离传输，为了保证模拟的星点能完全进入星敏感器视场，因此本发明提出了长出瞳距星模拟器。第一安装支架包括：安装套筒、膨胀螺钉和橡胶垫；

安装套筒和背罩的舷窗之间通过膨胀螺钉连接；安装套筒和背罩的舷窗之间设置有橡胶垫；准直光学系统和安装套筒之间通过螺纹副连接。

第二安装支架包括：Z型支架、锁紧旋钮和夹持转块；

夹持转块中心开有螺纹孔，准直光学系统和夹持转块之间通过螺纹副连接；

Z型支架的两端设置有弯折方向相反的弯折部；Z型支架两端的弯折部上均加工有通孔；

夹持转块上加工有周向均布的通孔和螺纹孔；

Z型支架的一端弯折部上的通孔通过标准件固定连接夹持转块上的螺纹孔；

锁紧旋钮依次穿过Z型支架另一端弯折部上的通孔、夹持转块上的通孔后与星模拟器背罩固定连接。

火星探测器星敏感器45°向上安装在背罩内部，通过舷窗进行星图识别，光路传输需要通过舷窗玻璃和遮光罩。本发明可实现通过长出瞳距准直光学系统完成舷窗的透射和光路长距离传输功能，设计过程中充分考虑舷窗的影响，通过光路计算，得到所有的像差及像差曲线，经过反复像差平衡和优化设计，降低舷窗对成像质量的影响。本发明设计了一套安装支架，通过更换安装法兰可适用不同安装形式的星敏感器测试。

实施例

一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，主要包括：静态星模拟器头部和星模拟器安装支架组成。

1.静态星模拟器头部，如图2所示，主要功能是检测星敏感器星图识别和星跟踪等功能。火星探测器着陆巡视器对静态星模拟器的精度要求较高，进行光学系统设计过程中，充分考虑舷窗玻璃对成像质量的影响，以及舷窗玻璃和遮光罩造成的出瞳距选择问题，提出了一种长出瞳距星模拟器，具有畸变小，场曲小且精度高的光学性能。

2.考虑到舷窗式星敏感器的安装技术要求，设计了一套满足多自由度可调，具有轻量化，小型化优点的星模拟器安装支架。

(一)准直镜光学系统设计

在静态星模拟器中，星图的模拟精度受准直光学系统的影响，因此设计的光学系统要具有很高的成像质量。

1.准直光学系统出瞳口径、视场和出瞳位置计算

为了保证静态星模拟器与星敏感器实现完美对接，准直光学系统在设计时要遵循光瞳衔接原则，星模拟器的出瞳直径要与星敏感器的入瞳直径一致，位置要重合。出瞳距的设计在考虑光学星点分划板组件安装结构允许范围内尽可能增大出瞳距，从而进一步优化星模拟器与星敏感器对接时受星敏感器遮光罩和舷窗玻璃限制的因素，最终选择出瞳距为162mm的长出瞳距星模拟器。

2.初始结构的确认

考虑到火星景物模拟器准直光学系统具有出瞳外置、视场较大的等特点，其光学特性类似于目镜系统，同时，模拟器准直光学系统对畸变要求比较严格，光学系统的畸变会影响星点模拟器的准确性，因此选择无畸变目镜作为光学系统的初始结构。

3.初始结构优化和像差平衡

初始结构确认后，把舷窗玻璃添加到光学系统设计中，利用光学计算程序进行光路计算，得到所有的像差及像差曲线。从而判断舷窗玻璃对整个光学系统成像质量的影响。经过反复像差平衡和优化设计，静态星模拟器光学系统最终选用6片透镜组成，如图3所示。选用高折射率的火石玻璃材料减少轴外像差，使整个视场角范围内像面较平整，做到各视场弥散较均匀。选用了高折射率低色散的镧系玻璃作正透镜，主要是校正弥散斑质量中心色偏差。使用胶合镜主要是校正球差和色差同时也避免了对公差特别敏感的小空气间隔，有利于后期的装调。最终利用ZEMAX和CODE V程序的交互式制订工具对光学系统进行优化。

4.指标分析

光学系统有无舷窗玻璃的情况下，系统的MTF都没有发生变化，且都接近衍射极限。光学系统的象散和场曲偏差最大值约为0.08mm，最大相对畸变约为 -0.039％，满足对畸变的要求，星模拟器和支架的重量约0.6744kg，满足小型化，轻量化的要求。

(二)安装支架设计

本发明申请提出的一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，相比传统的星模拟器，本发明实现了安装支架的通用化设计，该安装支架可满足火星探测器不同测试阶段的安装需求，第二安装支架组成如图4所示，该支架可以直接固定在星敏感器的遮光罩上进行桌面测试，安装方式如图5所示。同时可以利用该支架将星模拟器45°安装固定在火星探测器背罩上。除了安装位置特殊以外，由于安装支架与背罩的舷窗玻璃接触，需要注意以下几点：

1.星模拟器结构与背罩玻璃之间需避免直接硬接触，以避免对背罩玻璃形成损伤或污染；

2.与背罩接触应采用紧固防脱落措施，满足长时间测试强度；

3.结构紧凑，重量轻，体积小。

针对以上要求，本发明申请采用橡胶垫来柔性连接安装支架和舷窗玻璃，利用采用φ4通孔使用膨胀螺栓固定支架和背罩，一个孔垂直受力1Kg，如图6 所示，星模拟器和支架的重量约0.6744kg。，支架1组成如图7所示。

该套安装支架满足多自由度可调、单人可操作、轻量化、安全性高，通用性强的优势。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，其特征在于，包括：准直光学系统、星点分划板组件、匀光板组件、光源组件、供电系统组件、第一安装支架和第二安装支架；

准直光学系统、星点分划板组件、匀光板组件、光源组件、供电系统组件沿轴向依次设置；

准直光学系统固定安装在第一安装支架或第二安装支架上；

在星敏感器安装在背罩的舷窗内侧进行性能测试时，准直光学系统固定安装在第一安装支架的一端，第一安装支架的另一端固定安装在背罩的舷窗外面；

在星敏感器垂直放置在水平试验台进行性能测试时，准直光学系统固定安装在第二安装支架的一端，第二安装支架的另一端固定安装在星敏感器遮光罩的外面，静态模拟器位于星敏感器上方。

2.根据权利要求1所述的一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，其特征在于，在星敏感器安装在背罩的舷窗内侧进行性能测试时，背罩轴向和静态模拟器光轴之间的夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，其特征在于，光源组件包括：星图光源和背景光光源；

星图光源发出光线，经过匀光板组件，照亮准直光学系统焦面位置的透光星点分划板组件得到模拟星，经过准直光学系统以平行光的形式投射到辐照面上形成模拟星点；

背景光光源位于星图光源的下方，背景光经过匀光板组件，照亮准直光学系统焦面位置的透光星点分划板组件得到模拟背景，经过准直光学系统以平行光的形式投射到辐照面上形成模拟星图背景，模拟星点和星图背景叠加，形成背景可控的星图模拟。

4.根据权利要求3所述的一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，其特征在于，静态模拟器的出瞳距大于150mm。

5.根据权利要求4所述的一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，其特征在于，静态模拟器的出瞳距为162mm。

6.根据权利要求2～5任意一项所述的一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，其特征在于，第一安装支架包括：安装套筒、膨胀螺钉和橡胶垫；

安装套筒和背罩的舷窗之间通过膨胀螺钉连接；安装套筒和背罩的舷窗之间设置有橡胶垫；准直光学系统和安装套筒之间通过螺纹副连接。

7.根据权利要求2～5任意一项所述的一种针对舷窗式星敏感器的静态模拟器，其特征在于，第二安装支架包括：Z型支架、锁紧旋钮和夹持转块；

夹持转块中心开有螺纹孔，准直光学系统和夹持转块之间通过螺纹副连接；

Z型支架的两端设置有弯折方向相反的弯折部；Z型支架两端的弯折部上均加工有通孔；

夹持转块上加工有周向均布的通孔和螺纹孔；

Z型支架的一端弯折部上的通孔通过标准件固定连接夹持转块上的螺纹孔；

锁紧旋钮依次穿过Z型支架另一端弯折部上的通孔、夹持转块上的通孔后与星模拟器背罩固定连接。

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