标定型星模拟器设计与关键参数测试

陈启梦，张国玉 ，王哲，赵梓朝

（1.长春理工大学，长春 130022；2.光电测控与光电信息传输技术教育部重点实验室，长春 130022；3.光电测控仪器工程技术研究中心，长春 130022；4.吉林省计量科学研究院，长春 130103）

标定型星模拟器设计与关键参数测试

陈启梦1，2，3，张国玉1，2，3，王哲1，赵梓朝4

（1.长春理工大学，长春 130022；2.光电测控与光电信息传输技术教育部重点实验室，长春 130022；3.光电测控仪器工程技术研究中心，长春 130022；4.吉林省计量科学研究院，长春 130103）

为了完成高精度星敏感器关键参数的地面标定，研制单星指向误差优于3″、星间角距误差优于5″的标定型星模拟器。根据标定型星模拟器的工作原理，设计高精度的准直光学系统，从设计结果分析，光学系统有效视场为37°，全视场角内准直光学系统相对畸变≤0.1%，MTF达到衍射极限，可以实现对星点位置的准确模拟。提出单星指向、星间角距等关键参数的误差计算方法并进行测试，实验结果表明：设计的标定型星模拟器的成像精度符合设计指标要求，整个设备可以满足高精度星敏感器地面测试的使用需要。

星模拟器；单星指向；星间角距；光学设计；误差计算

为顺利完成星敏感器关键参数的地面标定工作，需要一套高精度的标定系统将星敏感器在轨工作时观测到的恒星位置信息准确地反映出来，从而实现对真实天空的模拟［1-3］。星模拟器就是一种能够完成上述工作的星敏感器重要地面标定设备。星模拟器根据检测参数需求可以分为标定型星模拟器和功能检测型星模拟器。标定型星模拟器对星点位置和星等的模拟有很高要求，一般只模拟几幅在固定天区的恒星星图，因此也称为静态星模拟器，通常用一块表面上掩膜腐蚀出高精度透光微孔的星点板仿真恒星位置关系，突出系统性能；功能检测型星模拟器能够输出实时模拟星图，因此也称为动态星模拟器，一般选用TFT-LCD、LCOS等光调制器件作为星图显示元件，强调系统功能［4-6］。

本文研制的高精度标定型星模拟器，从星点位置指标要求出发，用于对星敏感器的性能测试。重点设计了一个准直光学系统，并详细说明了单星指向、星间角距等关键参数的精度计算方法，并进行实际测试实验，分析验证了系统的可行性。

1 标定型星模拟器的工作原理

标定型星模拟器结构简单、装调方便，常规的标定型星模拟器主要由控制电源、高均匀性光源、带通滤光片、激光直写微孔星点板、高精度准直光学系统等组成，其结构组成如图1所示。

图1 标定型星模拟器结构组成示意图

标定型星模拟器的工作原理如下：将利用激光直写技术制作的携带星点位置分布的透光微孔星点分划板放置在高精度准直光学系统的焦平面上，光源照亮星点分划板并在其上星图显示区域内具有高均匀性，通过中性带通滤光片修正星光光谱，形成符合光谱要求的模拟恒星星点。由于星点分划板放置在准直光学系统的焦平面上，因此透过星点微孔的光线经过准直光学系统后平行射出，星敏感器接收平行光在其像面会聚形成一幅完整的固定天区恒星模拟星图，从而实现了模拟器对无穷远恒星的模拟以及敏感器对来自无穷远模拟星光的观测。为保证模拟器安全工作，控制电源对光源供电［7］，同时在一定范围调节光源的发光亮度来改变模拟星等等级。

2 准直光学系统设计

准直光学系统是标定型星模拟器实现其对星敏感器地面测试能力的关键因素，它可以完成对无穷远处固定天区星点位置准确的模拟，其性能直接影响模拟器对星敏感器的地面标定精度。

2.1 设计原则及设计参数

由于标定型星模拟器要具有模拟较大空间尺寸星图的性能，故所设计的准直光学系统实质是一个较大视场平行光管；考虑到测试试验中星敏感器与模拟器的对接方式是光瞳衔接，因此，要求设计的准直光学系统光瞳外置，且必须具有畸变小、复消色差的高质量成像特点。

根据高精度星敏感器的地面标定要求，设计的标定型星模拟器准直光学系统的设计参数如表1所示。

表1 光学系统的设计指标

2.2 设计结果

根据星模拟器准直光学系统的设计要求，消除畸变是系统设计中最为重要的任务之一，设计中发现改变透镜基本结构参数不能有效校正畸变，无法到达相对畸变小于0.1%的要求，因此设定优化操作数控制相对畸变。最后根据技术指标要求，设计完成后的星模拟器结构如图2所示。

图2 设计的星模拟器结构图

如图3所示是规划后的准直光学系统相对畸变曲线，全视场内最大相对畸变误差不大于0.08%，中心波长最大相对畸变误差不大于0.06%。

图3 准直光学系统的场曲、畸变曲线

MTF是所有光学系统性能判据中最全面的判据，规划后的准直光学系统MTF曲线如图4所示。

图4 准直光学系统的MTF图

规划后的准直光学系统主光线点列图如图5所示。通过点列图可以计算准直光学系统能量中心与主光线偏差，进而计算光学系统产生的星点模拟角度理论偏差，计算结果如表2所示。

图5 准直光学系统的主光线点列图

表2 星点模拟角度理论偏差

3 关键参数测试方法及实验结果

标定型星模拟器自身关键参数的精度是决定其对星敏感器标定精度的关键，根据本文的研究内容，涉及的关键参数包括单星指向误差和星间角距误差。

3.1 测试方法及误差计算

为完成对星模拟核心参数的检测，采用TM6100型经纬仪、自准直平面反射镜以及f′=1000mm的平行光管组成测试系统，测试关系如图6所示。其中长焦距平行光管的作用是将星点分划板调焦到标定型星模拟器准直光学系统的最佳像面；经纬仪无穷远调校则通过自准直平面反射镜和自身目镜来完成；在保证星模拟器光学系统的光轴与经纬仪的光轴同轴的情况下，利用经纬仪读取星点分划板上每个星点的方位角度值α和俯仰角度值β，然后计算星图中各星点的单星指向值和星点间的星间角距值。

图6 模拟器关键参数测试方法示意图

星点位置计算模型如图7所示，星点位置的理论值通过公式（1）计算，测试值通过公式（2）计算；测试值减去理论值得到的结果即为对应的误差值，通过公式（3）计算。

图7 星点位置精度计算模型

3.2 典型星图测试结果

搭建测试平台，对如图8所示的典型星图进行星点位置精度测试。

图8 测试用星图

通过实验得到的单星指向误差和星间角距误差结果如图9所示。

图9 测试星图星点位置误差图

从计算的误差分布可以看出，两幅被测星图中所有点的单星指向误差均优于3″，星间角距误差均优于5″，满足对星敏感器性能的测试水平要求，所设计的标定型星模拟器可以作为高精度星敏感器的地面测试设备。

4 结论

本文针对星敏感器地面标定对测试设备性能的具体要求，设计了一种高精度标定型星模拟器。提出了模拟器的总体设计方案，包括系统组成及工作原理；设计了光瞳外置的模拟器准直光学系统，该光学系统具有大视场、宽光谱、小畸变等优点；阐述了模拟器关键参数的测试方法，搭建实验平台并对典型星图进行实际测试。结果表明：核心参数实测结果均满足技术指标要求。因此，设计的标定型星模拟器可以作为高精度星敏感器地面性能测试的重要设备。

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［6］陈启梦.高精度动态天体模拟器及其关键技术研究［D］.长春：长春理工大学，2015.

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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

陈启梦（1989-），女，博士，讲师，E-mail：qmchen1989@163.com