拼接星模拟器星位置误差校正方法（英文）

为了提高拼接式星模拟器的星图模拟精度,克服传统方法仅通过修正主距提高精度的局限性,提出了一种星图模拟精度的像差校正方法。分析拼接式星模拟器的工作原理和使用方法,优化小畸变平像场高成像质量准直光学系统像差,并根据像差设计结果,结合星点位置测量模型,分别建立畸变修正模型、彗差、场曲的修正模型。利用经纬仪、六维调整机构搭建星点位置精度测量装置,实测结果表明:基于像差理论的修正模型可有效提高拼接式星模拟器的星图精度,最大星点位置误差从48.78"降低至10.75",满足了技术指标。     

具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器设计

为解决现有星模拟器只关注星图模拟精度而忽略天空背景模拟的问题,设计了具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器.重点阐述星模拟器的组成和工作原理,详细论述光学系统优化设计方法.根据模拟器光学系统透镜大、精度高的特点,采用筒套筒的镜筒设计形式;为了保证星图模拟精度,采用激光直写技术制作星点板,刻划精度优于±1μm.测试结果表明:设计的具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器的星图模拟精度优于3″,天空背景均匀性优于95％,满足导航敏感器的高精度地面标定与功能测试需求.     

具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器设计（英文）

为解决现有星模拟器只关注星图模拟精度而忽略天空背景模拟的问题,设计了具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器.重点阐述星模拟器的组成和工作原理,详细论述光学系统优化设计方法.根据模拟器光学系统透镜大、精度高的特点,采用筒套筒的镜筒设计形式;为了保证星图模拟精度,采用激光直写技术制作星点板,刻划精度优于±1μm.测试结果表明:设计的具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器的星图模拟精度优于3″,天空背景均匀性优于95%,满足导航敏感器的高精度地面标定与功能测试需求.     

基于像差影响的星间角距修正方法EI北大核心CSCD

为了有效地提高星模拟器的精度,针对经典星间角距数学公式没有考虑光学系统像差影响的问题,提出了一种基于像差影响的星间角距修正方法,建立了相关的数学模型并推导了相应的数学公式。并以球幕投影的星模拟器平台为例进行分析和实验测试,结合所建立的星间角距数学模型,对各星点的方位角和俯仰角进行曲线拟合,得到像差影响的星点位置误差拟合曲线,从而完成星间角距修正。实验结果表明,修正前星间角距误差为27.56″,修正后星间角距误差为16.96″,相对于修正前减小了10.60″。本文方法为有效提高星模拟器的仿真精度提供了理论基础。     

星模拟器星点能量中心修正方法的研究

对星模光学系统中各种像差对几何中心位置的影响及像差对显示星点能量中心位置造成的偏差进行了分析与综合评估.分析结果表明,视场位置越大的星点产生的像点能量越不均匀,重心偏移越明显,系统中慧差和畸变对于星点能量中心影响较大.根据球面镜组成的共轴光学系统性质可知,能量中心的偏移发生在星点所在极半径方向上,因此提出了一种基于极坐标的星点位置修正方法,只需在星点所在方向对极半径进行修正.该方法简化了基于二维坐标轴分区修正的过程,减少了数据计算量.利用极坐标修正方法对星模拟器修正前后的单星位置误差进行了测试,实验结果表明极坐标修正过程较以往修正方法简单快捷,且修正结果更加准确.     

基于多视场拼接光电经纬仪的成像系统指向校正方法

分析了传统光电经纬仪脱靶量修正模型和多视场拼接光电经纬仪的特点,基于坐标变换原理,推导了成像系统具有大照准差和零位差的光电经纬仪脱靶量修正公式。依据上述脱靶量修正公式和目标模拟器指向,逆向推导了大照准差和零位差的光电经纬仪脱靶量计算公式,结合实际成像系统脱靶量信息,解算成像系统的指向校正系数。经实验验证表明,该方法突破了传统畸变修正模拟的局限性,适用于多视场拼接光电经纬仪的成像系统指向校正。针对大照准差为11.26°和大零位差为18.08°的2×3外拼接阵列测量系统,采用多成像模块外拼接型光电经纬仪系统的指向校正方法,得到水平和垂直的指向误差均小于1/5 pixel。     

大口径离轴反射式星模拟器光学系统设计

星模拟器作为星敏感器的地面标定系统,用来模拟星点像的大小、星等、光谱、色温、星的位置及星之间的角距等。随着航天技术的不断发展,对星模拟器本身的要求也越来越高,进而使星模拟器重要部件准直光学系统的设计成为关键因素。利用离轴反射式光学系统无色差、体积小、光利用率高、中心无遮拦等特点,提出一种离轴抛物面式准直光学系统。该系统由离轴主抛物面反射镜和次平面反射镜组成,实现了通光口径为300 mm,焦距为3 000 mm,视场角为30的准直光学系统设计,经像质分析表明,在视场角内畸变为0.006 2%（小于0.01%）,MTF达到衍射极限,波相差为0.071 6 ,所设计的光学系统能满足要求,并论述了准直光学系统的装校过程。     

大视场星敏感器标定技术研究

大视场星敏感器光学系统,由于畸变量较大,在轨标定过程中,直接采用最小二乘最优估计(LMS)或扩展卡尔曼滤波方法(EKF)无法精确求解其标定参数。在深入分析星敏感器测量误差因素的基础上,对考虑畸变和不考虑畸变两种情况的在轨标定结果进行了仿真对比;指出了标定焦距之前需先标定光学畸变的必要性,并介绍了4种可用于在轨校正光学畸变的方法;提出先标定主点偏差,再标定光学畸变参数,最后标定焦距的标定方法。仿真结果表明,可以采用像面旋转法求取主点偏差,利用高阶多项式方法求取光学畸变参数,畸变校正后,采用LMS和EKF标定算法估计焦距,标定精度达到了3.1μm和2.2μm。对100幅模拟星图处理后,星间角距统计偏差约为传统在轨标定方法的1/10～1/8。     

全天时机载星跟踪器镜头设计

为了提高飞机导航系统的精度,本文设计了一种全天时机载星跟踪器的光学镜头,通过光学设计和像差分析,使光学系统的角分辨率为2角秒,在一个CCD像元尺寸内光学系统的能量集中度达到90%以上,畸变小于3‰,弥散斑直径最大7.6μm,其他各种像差也得到了很好的校正.同时为了提高星跟踪器探测的极限星等,设计了有六个档位的滤光片调节机构.本设计满足用户对高精度天文导航系统的需求.     

小型星模拟器系统的设计研究

基于超小型P13XM015型TFT-LCD技术的小型星模拟器的工作原理,及其在工程应用中整个系统的设计、制造、加工、调试和检测技术,提出对星间间距采用软件修正以及先分别测量再组合修正的方法,对星等采用使用相适应的仪器星等的方法。采用模块化方法设计了小型星模拟器系统的光学系统准直物镜、模拟星库的编制、坐标转换、位置解算、系统控制软件等。在实验室实现了整个系统的组装,搭建了控制和测试平台,并给出了实验结果。实验结果表明:本系统的星库精度及星位置解算误差12,角分辨率误差23.43。     

弱光单星模拟器的设计与标定

针对实验室高星等目标模拟问题,设计了一种由光源、可调光阑、积分球、光电探测器和平行光管组成的弱光单星模拟器,用于检测探测相机、星敏感器的星等探测能力。推导了光电探测器读数、积分球出口光谱辐亮度随可调光阑遮拦比的变化关系,结合星等定义公式和像面照度公式,介绍了弱光单星模拟器的工作原理,解决了高星等目标的标定难题。理论分析了弱光单星模拟器的星等模拟范围及精度,结果表明其最高可模拟19.5 Mv星等,精度为11.6%;模拟低于15 Mv星等时,精度优于8%。实验结果表明:实验室内,模拟星等与KLL-04型弱光照度计实测星等的相对误差最大为7.09%;实验室的探测相机与天文观测的探测相机所测得的星等探测能力在6.5Mv处的相对误差为1.9%,在15.2Mv处的相对误差为2.6%。所设计弱光单星模拟器能够对高星等目标进行有效模拟。     

具光反馈功能的星模拟器设计

为满足天文导航设备星敏感器内场高精度检测和标校的实际工程需要,设计了一种结构简单并且具有光反馈功能的新型高精度单星模拟器。选用发光二极管作为光源,采用先聚焦再准直的方法实现模拟星光的平行输出。星模拟器的光反馈系统可以在输出光强发生变化的时候自动调节星光光源的发光强度,从而使星模拟器的输出光强在相当长的时间段内保持稳定。星模拟器输出光束的平行度达到8,输出光束的均匀性达到80 %,在连续工作至少8 h的情况下输出光束的稳定性达到89 %。相对稳定的输出光强减少了星模拟器因为模拟的星等发生变化而产生的影响,提高了星敏感器检测和标定的精度。     

星敏感器标定方法研究

星敏感器标定是对其内部各种参数的估计,能有效减小星敏感器的系统误差,提高其姿态输出精度。根据待定系数标定和内部参数标定参数的不同,建立了星敏感器标定参数模型。并针对不同标定模型,分别介绍了各种标定参数的地面标定方法和计算方法。在分析现有在轨标定方法、比较在轨标定和地面标定的差别的基础上,重点分析了星敏感器焦距和主点等内部参数的在轨标定方法,采用扩展卡尔曼滤波对在轨星图进行处理。仿真结果表明,焦距和主点估计值的扩展卡尔曼方法较最小二乘估计法,其收敛速度快、稳定性好且精度高,在5000幅星图后输出即可稳定,可有效去除星点随机误差影响,提高标定精度。     

CCD星图模拟器的设计及验证

为了方便星图识别算法和星敏感器性能的测试,设计了一种CCD星图模拟器,开发了星图模拟软件。采用高分辨率显示设备及平行光管模拟无穷远处平行光,实现了高质量星图的模拟。通过高精度QUEST算法求解姿态,对模拟的星图进行了验证。计算了3颗以上恒星的偏航角、俯仰角和滚动角,对100幅模拟星图进行了统计分析,结果显示其定位精度已达98．1％。目前,该星图模拟器已成功用于实际项目,为后续的测试星图识别算法提供了良好的依据,并缩短了开发周期。     

一种基于姿态关联帧的星敏感器标定方法

提出了一种基于姿态关联帧的星敏感器标定方法,该方法通过外场天文观测即可实现标定。首先,利用与星敏感器捷联安装的陀螺组合体提供的高精度角度信息,实现了多帧星图的关联叠加,然后构建多帧星图之间恒星与像点的成像映射模型,最后采用最小二乘法实现了星敏感器内参数的全局优化。仿真结果表明,相比基于星角距的标定方法,所提方法标定精度更高、稳健性更佳,且能同时标定出星敏感器相对陀螺组合体的安装矩阵,因此其适用于船载和机载惯性/天文组合导航系统的参数标定。     

一种星敏感器蒙气差修正的新方法

为简化星敏感器蒙气差修正步骤,提高星敏感器自主姿态测量能力,提出了一种基于参考量修正的蒙气差修正新方法。该方法恒星视天顶距计算简单,不需要载体的姿态信息,蒙气差修正不需要求解二元非线性方程组,只需要简单加法即可完成。仿真分析与实验结果表明,利用参考量蒙气差修正方法得到的船体姿态解算结果与观测量蒙气差修正方法是一致的,二者偏差在0.1″以内。对星敏感器姿态测量的应用,基于参考量修正的蒙气差修正方法不需利用外部姿态信息,既计算简单,又不损失姿态测量精度。     

固定分布式多星模拟器研究

多星模拟器是一种能够在实验室内模拟天空中多颗恒星位置、星等、光谱信息的装置,用于完成星敏感器的室内测试和标定。针对星敏感器设备试验需求,描述了组成固定分布式多星模拟器的单星模拟器和支架的设计,以及检验多星模拟器模拟星点角位置稳定性、平移造成的模拟星角位置误差等采用的检测仪器和方法。检测结果模拟星点角位置,实际检测数据证明各项性能指标均达到了设计要求,可用于星敏感器的室内动静态性能测试试验,有效缩短星敏感器试验和测试时间。     

基于TFT-LCD的动态星模拟器星点位置修正方法

介绍了基于TFT-LCD的动态星模拟器的工作原理及星点位置误差的计算方法。利用经纬仪对动态星模拟器显示的网格星点进行测量,计算了各星点的位置误差及修正系数。对网格上星点的修正系数进行分区处理,并利用Matlab软件对各分区的修正系数进行曲线拟合,得到修正系数关于星点位置(方位或俯仰)坐标的方程。结果表明,修正后星点的位置误差均小于35″,满足动态星模拟器的设计要求。     

基于TFT-LCD的动态星模拟器星点位置修正方法

介绍了基于TFT-LCD的动态星模拟器的工作原理及星点位置误差的计算方法。利用经纬仪对动态星模拟器显示的网格星点进行测量,计算了各星点的位置误差及修正系数。对网格上星点的修正系数进行分区处理,并利用Matlab软件对各分区的修正系数进行曲线拟合,得到修正系数关于星点位置（方位或俯仰）坐标的方程。结果表明,修正后星点的位置误差均小于35″,满足动态星模拟器的设计要求。     

基于数字微镜的光谱可调星模拟器光源系统

为满足对星敏感器在各种谱线分布下对探测能力的高精度标定,提出了一种基于数字微镜的星模拟器光源系统设计方案,在一定程度上解决了由星模拟器与星敏感器观星的色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的问题。从理论上分析了光谱不匹配影响定标精度的原理,设计了基于数字微镜器件的光谱可调的恒星光谱模拟系统。采用遗传算法作为光谱匹配,通过遗传算法求解不同的光谱构造函数实现对不同光谱的模拟。最后分别对5 nm分辨率和20 nm分辨率的光谱模拟系统在3 900,4 800,6 500 K 3种色温下进行了测试。测试结果表明,该星模拟器的恒星光谱模拟精度在5 nm分辨率下优于2%,在20 nm分辨率下优于5%。