孫高飛，張國玉，鄭茹，楊孟飛，郝云彩

（1.長春理工大學(xué)，長春 130022；2.北京控制工程研究所，北京 100190）

星敏感器在航天飛行器的姿態(tài)測量和控制系統(tǒng)中起著重要的作用，是最精密的姿態(tài)測量部件。它的發(fā)展主要經(jīng)歷了星跟蹤器、第一代 CCD星敏感器、第二代 CCD星敏感器三個主要階段。目前，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對航天飛行器姿態(tài)測量精度提出了更高的要求，從而促進(jìn)了姿態(tài)敏感器的迅猛發(fā)展。星敏感器是通過其光學(xué)系統(tǒng)測量天球上不同位置的恒星，得到觀測星圖，并與由星表數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生的導(dǎo)航星圖進(jìn)行特征匹配，來實現(xiàn)對空間飛行器的三軸姿態(tài)的測量［1］。所謂三軸姿態(tài)測量是利用衛(wèi)星上的姿態(tài)敏感器測量所得到的信息，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?，求得固連于衛(wèi)星本體的坐標(biāo)系相對空間某參考坐標(biāo)系中的姿態(tài)。姿態(tài)確定的輸入信息是姿態(tài)敏感器的測量數(shù)據(jù)，輸出是衛(wèi)星的三軸姿態(tài)參數(shù)［2］。

星敏感器的精度標(biāo)定是實現(xiàn)其姿態(tài)準(zhǔn)確測量必不可缺少的重要環(huán)節(jié)。星敏感器的標(biāo)定是指對其不同的物理參數(shù)（如：光學(xué)鏡頭的焦距，中心點偏移，CCD噪聲等）進(jìn)行估計。為了達(dá)到測量精度的角秒級，對星敏感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)就應(yīng)該力求對盡量多的物理參數(shù)進(jìn)行評估。

星敏感器的標(biāo)定分為在軌標(biāo)定和地面標(biāo)定。隨著星敏感器在空中的使用，其發(fā)射時受到的沖擊、工作環(huán)境的改變以及長期工作帶來的老化和磨損，都會使其內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化。為了保證星敏感器的測量精度和可靠性，有必要對其進(jìn)行在軌標(biāo)定?，F(xiàn)有的在軌標(biāo)定方法有兩類，一類是依據(jù)外部姿態(tài)信息的校準(zhǔn)，另一類是根據(jù)星內(nèi)角距原理的校準(zhǔn)。前一類方法要求事先提供一個已知的精確姿態(tài)，且如果提供的姿態(tài)存在誤差，則該誤差會引入校準(zhǔn)過程中。并且，由于星敏感器已經(jīng)是各類航天飛行器上精度最高的姿態(tài)測量部件，要為其提供更高精度的姿態(tài)參考信息是比較困難的。后一類方法是基于星間角距不變的原理，檢測在軌飛行期間星內(nèi)角距測量值和真實值之間的偏差，利用優(yōu)化算法估計出標(biāo)定參數(shù)。

1 星敏感器在軌標(biāo)定研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在軌標(biāo)定是高精度衛(wèi)星姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)的重要組成部分。星敏感器作為衛(wèi)星姿態(tài)測量的高精度儀器，目前可以提供最高精度的姿態(tài)信息。為了保證給出高精度姿態(tài)信息，應(yīng)對其進(jìn)行標(biāo)定工作。星敏感器的標(biāo)定分為地面標(biāo)定和在軌標(biāo)定。通常地面標(biāo)定是通過建立星敏感器測量模擬對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，主要有安裝矩陣、焦距、主點位置等，但由于地面標(biāo)定受到環(huán)境和模擬條件的影響，難以模擬衛(wèi)星飛行器在軌器件的真實環(huán)境，并且，隨著工作環(huán)境的變換以及發(fā)射時受到的沖力等，都將使星敏感器的各項參數(shù)變化，所以為星敏感器提供一種在軌標(biāo)定方法是十分必要的。國外學(xué)者對在軌標(biāo)定方法很早就進(jìn)行了深入的研究。

1981年，Shuster.M.D.和Oh.S.D.兩位學(xué)者關(guān)于姿態(tài)敏感器相對準(zhǔn)線安裝誤差進(jìn)行了研究，被譽(yù)為在軌誤差估計的先驅(qū)。該算法突破了以往僅僅依靠飛行器發(fā)射前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，進(jìn)行姿態(tài)敏感器準(zhǔn)線安裝誤差標(biāo)定的限制。但是，該算法忽略了校正和冗余，而且建立的模型粗糙，使得對姿態(tài)敏感器在軌標(biāo)定中的誤差較大。雖然算法有很多不足之處，但作為對姿態(tài)敏感器準(zhǔn)線安裝誤差在軌標(biāo)定的首次嘗試，并且由于其具有有效性和魯棒性，在之后NASAGoddard Space FlightCenter的幾乎每一次任務(wù)中都得到了有效應(yīng)用［3］。

1988年，Davenport.P.和Welter.G.提出了Davenport算法，用于估計陀螺的準(zhǔn)線安裝誤差和標(biāo)定因子誤差。算法要求對姿態(tài)的估計和對陀螺的標(biāo)定分開獨立進(jìn)行，而且陀螺的各種誤差不是自相關(guān)，即相互獨立的。該算法是次優(yōu)的，只考慮了陀螺的準(zhǔn)線安裝誤差，而并沒有考慮其它姿態(tài)敏感器的準(zhǔn)線安裝誤差［4］。

1989年，Bar-Itzhack.I.Y.提出了一種用于姿態(tài)敏感器準(zhǔn)線安裝誤差估計的Kalman濾波算法，該算法使用四元數(shù)作為系統(tǒng)狀態(tài)向量，使協(xié)方差矩陣產(chǎn)生了奇異性，而且在其建立的系統(tǒng)模型中多個狀態(tài)量都是不可觀測的。

1990年至1994年，Shuster.M.D.，Pitone D.S.和 Shuster.M.D.，Shuster M.D.和 Phone.D.S.等在多篇文獻(xiàn)中詳細(xì)敘述了姿態(tài)敏感器相對和絕對準(zhǔn)線安裝誤差的在軌標(biāo)定。除對陀螺以外的姿態(tài)敏感器的相對準(zhǔn)線安裝誤差參數(shù)進(jìn)行了直接估計，該算法相對簡單，但是要求各種敏感器的采樣時間必須同步，陀螺的輸出用于調(diào)整非同步的采樣。且詳細(xì)敘述了敏感器絕對準(zhǔn)線安裝誤差的概念和用法，說明了三自由度的姿態(tài)參數(shù)是不可觀測的，除非由負(fù)載直接給出姿態(tài)數(shù)據(jù)［5］。

Shuster M.D.用 Friedland的偏差估計理論和Gupta和Mehra最大似然估計理論，提出了一種采用六狀態(tài)Kalman濾波估計姿態(tài)和準(zhǔn)線安裝誤差參數(shù)的遞推最小二乘估計器。Friedland的偏差估計理論通過各種假設(shè)將姿態(tài)誤差估計從動力學(xué)狀態(tài)估計中解出來，即初始狀態(tài)估計誤差和初始狀態(tài)偏差估計誤差的叉乘為零，而且假設(shè)狀態(tài)偏差不由過程噪聲驅(qū)動。理論上，姿態(tài)估計濾波器由姿態(tài)測量信息進(jìn)行初始化，系統(tǒng)的安裝誤差是由系統(tǒng)溫度變化和過程噪聲引起的，然而Friedland的偏差估計理論的假設(shè)條件中忽略了這兩個理論。而且，在實際應(yīng)用中并沒有發(fā)現(xiàn)這樣的假設(shè)帶來的局限性，同時也說明了該假設(shè)條件是合適的，并且說明了這樣假設(shè)可以減少該算法的計算量，增加計算的魯棒性［6］。

2001年，Pittelkau.M.E.采用UD分解處理系統(tǒng)過程噪聲協(xié)方差矩陣，提出一種對姿態(tài)敏感器安裝誤差進(jìn)行在軌標(biāo)定的Kalman濾波算法(AKF)。在該算法中，作者考慮了兩個星敏感器的絕對準(zhǔn)線安裝誤差，一個慣性敏感器組件(由三個光纖陀螺組成)的絕對準(zhǔn)線安裝誤差。算法中系統(tǒng)模型是非線性的，但其線性化的誤差很小，因此該算法是最優(yōu)的。該算法對地面標(biāo)定仍然有效。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在對于星敏感器在軌標(biāo)定方面的研究落后于國外，但是近些年來，其發(fā)展速度極快，進(jìn)而使星敏感器的精度得到了不斷的提高。其中2005年由北京控制工程研究所提出的方法中，將慣性敏感器與星敏感器的在軌自主標(biāo)定進(jìn)行了比較，最終總結(jié)出慣性敏感器對于星敏感器標(biāo)定的使用準(zhǔn)則。哈爾濱工業(yè)大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)研究所提出了一種適用于星敏感器和陀螺聯(lián)合在軌標(biāo)定的算法，通過陀螺給出星敏感器外部姿態(tài)的對星敏感器進(jìn)行標(biāo)定。同時，星敏感器又可以標(biāo)定陀螺隨時間積累的誤差，由此提高衛(wèi)星姿態(tài)確定精度［7］。

2007年哈爾濱工業(yè)大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)研究所又提出天基載荷對星敏感器在軌標(biāo)定算法，該方法利用天基載荷對無窮遠(yuǎn)恒星成像，提出了最小二乘算法，卡爾曼濾波算法結(jié)合最小二乘估計值來得到卡爾曼濾波量測量，設(shè)計了一種新濾波算法對星敏感器進(jìn)行在軌標(biāo)定，最后進(jìn)行了仿真計算并對算法進(jìn)行了比較分析，仿真結(jié)果表明新濾波算法對星敏感器系統(tǒng)常值誤差標(biāo)定結(jié)果比較理想。

2008年哈爾濱工業(yè)大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)研究所提出三種星敏感器的在軌標(biāo)定方法。一種是星敏感器自主在軌標(biāo)定算法，有最小二乘最優(yōu)估計法在軌標(biāo)定星敏感器星像點偏移和光學(xué)透鏡焦距變化，以最小二乘最優(yōu)估值為量測，Kalman濾波算法設(shè)計了星敏感器在軌自主標(biāo)定模型［8-10］。其仿真實驗結(jié)果表明：利用該在軌標(biāo)定算法可以對星敏感器的主點位置變化和光學(xué)系統(tǒng)的焦距變化給出精確的標(biāo)定結(jié)果。另一種方式是通過高精度陀螺對星敏感器進(jìn)行標(biāo)定的算法研究，利用高精度陀螺為星敏感器提供連續(xù)的三軸姿態(tài)信息，再通過積分運(yùn)算就可以得到姿態(tài)角信息，再由衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程，利用卡爾曼濾波算法，就可以對星敏感器的常值誤差和噪聲等設(shè)計在軌標(biāo)定模型。利用陀螺的測量輸出對其進(jìn)行實時補(bǔ)償，以確保姿態(tài)測量元件在軌工作精度。仿真結(jié)果表明該在軌標(biāo)定算法可以準(zhǔn)確標(biāo)定出星敏感器的常值誤差。星體姿態(tài)角估計誤差優(yōu)于0.0005rad。第三種是基于陸標(biāo)敏感器對星敏感器在軌標(biāo)定算法。針對星敏感器系統(tǒng)常值誤差進(jìn)行了在軌標(biāo)定的算法研究。通過陸標(biāo)模擬器對一些目標(biāo)點進(jìn)行圖像匹配，與基準(zhǔn)圖像的對應(yīng)點進(jìn)行坐標(biāo)比較，利用最小二乘法的最優(yōu)估計值作為量測，然后應(yīng)用卡爾曼濾波算法得到一個敏感器的在軌標(biāo)定模型，經(jīng)過仿真計算后發(fā)現(xiàn)，這種在軌標(biāo)定算法可以標(biāo)定出星敏感器的系統(tǒng)常值誤差［11-13］。

同年北京科技大學(xué)提出了一種基于 RAC約束(Radial Alignment Constraint)的星敏感器在軌校準(zhǔn)方法。該方法不依賴外部姿態(tài)信息，通過建立基于RAC約束的星敏感器成像模型，采用兩步法從單幀星圖解算出外部參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)，并利用多幀星圖整體優(yōu)化的方式得到內(nèi)部參數(shù)的整體最優(yōu)解。仿真實驗表明，該方法能有效消除內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)耦合，實現(xiàn)其準(zhǔn)確分離和解算。在星點位置噪聲方差為0.05 pixel的情況下，該方法能準(zhǔn)確解算出內(nèi)外參數(shù)，其殘差在x方向為0.063pixel，在y方向上為 0.053 pixel。

2010年由北京控制工程研究所和中國空間技術(shù)研究院提出一種基于現(xiàn)有在軌方法，在重點分析了星敏感器焦距和主點等內(nèi)部參數(shù)的在軌標(biāo)定方法后，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波對在軌星圖進(jìn)行處理。仿真結(jié)果表明，焦距和主點估計值的擴(kuò)展卡爾曼方法較最小二乘估計法，其收斂速度快、穩(wěn)定性好且精度高，在5000幅星圖后輸出即可穩(wěn)定，可有效去除星點隨機(jī)誤差影響，提高標(biāo)定精度。本方法介紹的在軌標(biāo)定方法只使用于內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定，尚不可用于待定系數(shù)標(biāo)定［14，15］。

同年由北京航空航天大學(xué)提出一種基于卡爾曼濾波的星敏感器在軌校準(zhǔn)方法。根據(jù)星敏感器光學(xué)鏡頭以徑向畸變?yōu)橹鞯奶攸c，采用一階徑向畸變模型，利用攝像機(jī)標(biāo)定中的徑向排列約束(RAC)，對其外部姿態(tài)和內(nèi)參數(shù)進(jìn)行在軌校準(zhǔn)。以采集到的星點的圖像坐標(biāo)和對應(yīng)導(dǎo)航星在天球坐標(biāo)系下的赤經(jīng)、赤緯信息作為濾波器的輸入，外部姿態(tài)和內(nèi)參數(shù)作為輸出，構(gòu)造相應(yīng)的狀態(tài)方程和觀測方程，進(jìn)行兩次卡爾曼濾波迭代，結(jié)果作為校準(zhǔn)參數(shù)的最優(yōu)估計。仿真實驗表明:本方法能消除內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)的耦合，校準(zhǔn)過程不依賴外部姿態(tài)，且狀態(tài)方程和觀測方程均為線性方程，滿足卡爾曼濾波迭代的最優(yōu)條件，能夠精確估計出星敏感器內(nèi)外參數(shù)，在星點成像位置噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為0.05像素時，校準(zhǔn)后x、y方向上的平均誤差分別為0.044像素和0.049像素［16-18］。

2 星敏感器地面標(biāo)定方法和標(biāo)定設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

2.1 地面標(biāo)定方法的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

由于航天技術(shù)的特殊性，對星敏感器的標(biāo)定多采用地面測試、星圖模擬的方法來進(jìn)行，主要標(biāo)定安裝誤差、光學(xué)系統(tǒng)存在的誤差因素（如 CCD平面的傾斜角和旋轉(zhuǎn)角、鏡頭畸變、焦距測量誤差）、加工裝配誤差、電子線路誤差等，這種標(biāo)定方法稱為地面標(biāo)定方法。地面標(biāo)定根據(jù)實施方法的不同，又分為非設(shè)備式標(biāo)定方法和采用地面標(biāo)定設(shè)備方法(地面標(biāo)定的設(shè)備多為星模擬器)。按照工作方式的不同，一般又把星模擬器分為兩類，標(biāo)定型星模擬器和功能檢測型星模擬器。標(biāo)定型星模擬器的實質(zhì)是一個平行光管，在焦面位置放置星點板，經(jīng)光源照射后，星點板就可以通過平行光管成像到無窮遠(yuǎn)來模擬星圖，在光源前放置不同的中性濾光片實現(xiàn)對不同星等的模擬，放置帶通濾光片實現(xiàn)對恒星光譜的模擬。這種星模擬器的結(jié)構(gòu)簡單，沒有實時性要求，但對單星張角、星點位置和星等的模擬精度要求很高。功能檢測型星模擬器的主要功能則是可以在地面上進(jìn)行星圖模擬，產(chǎn)生的實時星圖要和待測星敏感器的工作狀態(tài)相匹配，以便對星敏感器的星點提取和星圖識別算法進(jìn)行功能測試。這種星模擬器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對星圖刷新率和模擬星圖的星間角距精度要求極高。但是，作為星模擬器顯示核心器件的光閥，國內(nèi)研制水平很低，國外對我國的出口限制，因此制約了星模擬器的發(fā)展。

2.2 國外地面標(biāo)定設(shè)備的研究現(xiàn)狀

國外主要做標(biāo)定型單星模擬器，且在這方面的技術(shù)相對比較成熟。但對功能檢測型星模擬器的研究較少。

原民德蔡司廠研制的用于星敏感器靜態(tài)測試的靜態(tài)星模擬器，基于分劃板作為星模擬器的分劃板，在不透光的分劃板上刻有可透光的微孔。光源經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)點亮星點分劃板上，就可以完成模擬天空中恒星的目的。其中準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)由四個準(zhǔn)直光管組成，屬于多光管式星模擬器，其在星點板上可有16個微孔可以模擬出16個星點，通過星點板位置可通過微調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整以保證其位于準(zhǔn)直光管的焦面上［19］。

美國伊斯曼-柯達(dá)公司研制的用于星敏感器靜態(tài)測試的星模擬器，以光纖板作為星點板，模擬等腰三角形狀的星圖，將不同色溫的光通過光纖引到準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦面上，并在光路中加入不同的濾光片來模擬-2-8 等星［20］。

天穹星空模擬器，它由一個16英寸的測地圓頂構(gòu)架組成，構(gòu)架上有許多對準(zhǔn)位于構(gòu)架中心的53M-2型模擬器的景物投影器，該系統(tǒng)為多星模擬器提供了適合的輻照度和各種狀態(tài)，并且星投影器方位可根據(jù)需要在9.5立體角范圍內(nèi)移動和重新安裝。星投影器位置按照實際天空中星體位置安裝，誤差不超過10角秒。三軸轉(zhuǎn)臺運(yùn)動以模擬飛行器在空中運(yùn)動，此時敏感器視場出現(xiàn)不同星，從而輸出衛(wèi)星姿態(tài)并對其給予校正。它可以在星等、光譜、大小上達(dá)到較高精度，且可以對敏感器進(jìn)行一定功能檢測，但體積龐大且受到安裝限制，無法按實際天空中星的布局安裝，且所安裝星投影器數(shù)目受限。

美國休斯公司研制了一種星場模擬器，使用了液晶光閥作為星圖的核心顯示器件，在顯示屏上可以通過計算機(jī)控制星點亮滅來完成星圖的動態(tài)顯示，在星敏感器的入瞳處產(chǎn)生模擬星圖，供星敏感器接收，完成星圖捕獲、星圖識別、星點位置計算等動態(tài)模擬效果，最終達(dá)到校正衛(wèi)星姿態(tài)的目的。這款星模擬器無論在星圖模擬精度還是星圖模擬的穩(wěn)定性方面，都得到提高［21，22］。

美國的Mc Donnel l Douglas Aerospace公司公布的星敏感器地面測試設(shè)備可以提供三組互不相關(guān)的模擬星圖，視場范圍是25°×25°，其中使用了具有高分辨率的顯示器作為星圖顯示器件，其分辨率為4096×4096，圖像刷新率為1000Hz。且每幅星圖可以模擬50顆星，單星張角精度可到100″，模擬星等范圍是 2-8 等［23，24］。

圖1 EADS公司的星敏感器和星模擬器圖Fig.1 EADS company's star sensor and star simulator map

歐洲宇航公司（EADS Astrium）又率先提出了星模擬器顯示器件的變革，如圖1所示。采用硅基液晶（LCOS）作為顯示屏，這樣就可以將對比度提高并且細(xì)分，其研制的星模擬器視場達(dá)到直徑25°，星間角距誤差在18″以內(nèi)（2），對準(zhǔn)精度優(yōu)于3.6″，并且重量小于2kg，大大的實現(xiàn)了小型化、高精度化。

2.3 國內(nèi)地面標(biāo)定設(shè)備的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對星模擬器的研究是從二十世紀(jì)七十年代末開始，進(jìn)入九十年代后，國內(nèi)相關(guān)的研究所和高校才對動態(tài)星模進(jìn)行探索性的研究。

在八十年代主要是單星模擬器的研究，由長春光機(jī)所率先研制的單星模擬器具有良好的性能，無論從星點的成像質(zhì)量，模擬光譜類型還是絕對光度都達(dá)到技術(shù)要求。中國科學(xué)院成都光電所研制的高精度星敏感器標(biāo)定儀，也是一臺性能很好的靜態(tài)單星模擬系統(tǒng)，在配合高精度二維轉(zhuǎn)臺后可以在特定的視場范圍內(nèi)完成動態(tài)標(biāo)定；在“八五”期間，由北京控制工程研究所成功研制了第一代全天球?qū)崟r恒星模擬器，使用TFT式便攜式計算機(jī)液晶作為星圖顯示器件，模擬視場可達(dá)6°×6°，在單星位置精度方面，可以做到 30″以內(nèi)，但其體積大且精度差，在使用操作方面也十分不方便。

九十年代，星敏感器稍有發(fā)展，星模擬器的研究才更近一步，1995年中科院光電所與北京502所聯(lián)合研究的小型動態(tài)星模擬器，該星模擬器將液晶光閥作為星圖顯示器件，經(jīng)過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)后模擬星圖的視場角可達(dá)6.5°×5°，在單星位置精度方面可以做到在30″以內(nèi)，并且實時全軌道星模擬器的識別精度也小于30″，同時其重量小于5kg，實現(xiàn)了星模擬器的小型化發(fā)展；哈爾濱工業(yè)大學(xué)在1998年研制的多星模擬器，該星模擬器的星圖顯示器件使用了類似筆記本電腦的液晶屏，分辨率193mm×145mm，對于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計要求為=1638.77mm，=1/32.77；西南科技大學(xué)研制的多星模擬器，星圖顯示器件采用 T FT-LCD液晶光閥，通過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)后模擬的視場大小為16.2°×12.1°，星間角距誤差小于40″，并且具有輕型化的特點，重量僅為3kg。

進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著航天水平的提高，對星敏感器的精度要求也越來越高，針對高精度星敏感器的標(biāo)定方法研究也刻不容緩，由此促進(jìn)了星模擬器的迅猛發(fā)展。

北京航空航天大學(xué)研制的一款高精度且低成本的星模擬器，利用星圖模擬計算機(jī)控制高精度星圖模擬器算法，實現(xiàn)了星圖的靜態(tài)和動態(tài)的高精度模擬。

中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的模擬17個星等的高精度星模擬器，對星等的模擬精度可達(dá)±0.05星等，對單星平行度的模擬精度優(yōu)于±1″，并且使用閉環(huán)控制方式，對光源的穩(wěn)定性進(jìn)行自動控制，是系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性。如圖2為高精度星模擬器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 高精度星模擬器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of high-precision star simulator

北京控制工程研究所研制的靜態(tài)多星模擬器。該系統(tǒng)包括法蘭和至少四個均能產(chǎn)生一顆模擬星的星光管，其光譜和亮度都可以單獨進(jìn)行調(diào)整。通過角度調(diào)整機(jī)構(gòu)將星光管安裝在法蘭上，并可在大于10°的范圍內(nèi)調(diào)整任意兩個星光管的相對角度，以此產(chǎn)生構(gòu)型不同的多副模擬星圖。其光源采用三色發(fā)光二極管，每個星點的亮度和光譜特性都單獨可控，如圖3所示。

圖3 靜態(tài)多星模擬器的工作原理圖Fig.3 The work of a static multi-satellite simulator schematic

2003年電子科技大學(xué)與中科院光電技術(shù)研究所研制了小型星模擬器，如圖 4 所示為其系統(tǒng)實物圖，星圖動態(tài)顯示采用TFT-LCD顯示器件為核心元件，對于星等的模擬范圍是2～6.5mag(儀器星等），星等模擬精度為±0.3mag，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的視場為8°×6°，單星張角優(yōu)于30″，模擬光譜范圍為0.47～0.75m，中心波長為0.59m，從模擬的各項技術(shù)指標(biāo)來看，它可以滿足實際檢測需要，而且結(jié)構(gòu)簡單。

圖4 小型星模擬器Fig.4 Small star simulator

長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制的基于數(shù)字光處理(DLP)技術(shù)的星模擬器，實現(xiàn)了模擬星等范圍為2.0～ 8.0等星，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的視場為10.5°×7.5°，且單星張角優(yōu)于 40″，能為星敏感器提供任一時刻、任一慣性坐標(biāo)系下指向的模擬星圖，可滿足星敏感器標(biāo)定工作中對小型星模擬器的動態(tài)性、大視場、寬星等范圍、短采樣周期等需求。其系統(tǒng)框圖如圖5所示。

北京航空航天大學(xué)與航天時代電子公司合作設(shè)計研制了一套天文導(dǎo)航半物理仿真系統(tǒng)，對星圖識別算法及星敏感器性能進(jìn)行了靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗。該天文導(dǎo)航半物理仿真系統(tǒng)中的星模擬器采用了日本精工公司的TFT液晶光閥作為顯示器件，對于星等的模擬范圍為2～7等星，模擬精度為±0.5等，準(zhǔn)直物鏡的視場角為10°×8°，出射星光的平行度小于15″，模擬的星間角距精度優(yōu)于20″。

圖5 星模擬器系統(tǒng)框圖Fig.5 Star simulator system block diagra

長春理工大學(xué)利用星點分劃板研制了視場為20.2°×20.2°的靜態(tài)星模擬器，其單星張角≤35″，星對角距誤差≤45″，可模擬星等為2～8等星。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制一種星模擬裝置，如圖6所示。對該裝置所采用的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字可調(diào)光源進(jìn)行了研究，并提出了背景光模擬的技術(shù)要求。該裝置能模擬0～5等星，背景光均勻性為94.7%，系統(tǒng)焦距為1647 mm，視場為28′，準(zhǔn)直性優(yōu)于±2″。同時模擬星光和背景光變化，具有準(zhǔn)直性好、背景光照度模擬范圍寬等優(yōu)點，能夠滿足天文導(dǎo)航設(shè)備的實驗室檢測要求。

圖6 星模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of star simulator

長春理工大學(xué)利用高分辨率 TFT-LCD研制了視場為 20.2°×20.2°的動態(tài)星模擬器，其單星張角≤50″，星對角距誤差≤50″，可模擬星等為2.0～6.0Mv。。其三維模擬框圖如圖7所示。

綜上所述，現(xiàn)有的國內(nèi)外地面標(biāo)定方法，只能滿足中高精度星敏感器標(biāo)定精度的要求，為了完善星敏感器甚高精度標(biāo)定的理論，填補(bǔ)甚高精度星敏感器標(biāo)定設(shè)備的空白，以滿足我國未來航天事業(yè)發(fā)展的需要，有必要開展深空導(dǎo)航星敏感器甚高精度標(biāo)定技術(shù)的研究。

圖7 動態(tài)星模擬器三維模擬圖Fig.7 Dynamic three-dimensional simulation maps star simulator

3 結(jié)束語

本文介紹了星敏感器的發(fā)展現(xiàn)狀，作為航天飛行器三軸姿態(tài)的重要測量工具，星敏感器可提供高精度姿態(tài)信息，它從星跟蹤器發(fā)展到 CCD星敏感器再到APS有源器件星敏感器，可見星敏感器正向著高可靠性、小型一體化、自主、大視場、高數(shù)據(jù)更新率、高精度的方向發(fā)展。對于星敏感器的標(biāo)定方法做詳細(xì)介紹和分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)隨著星敏感器自身精度的不斷提高，無論是對其地面標(biāo)定方法還是在軌標(biāo)定方法，都提出了更高的要求，本文介紹的星敏感器在軌標(biāo)定方法和地面標(biāo)定方法，可以為研究甚高精度星敏感器及其標(biāo)定方法與設(shè)備做理論基礎(chǔ)。

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