李寧 黃堃

(陜西凌云電器集團有限公司,陜西寶雞 721006)

星體跟蹤器測試系統(tǒng)中星模擬器的標定

李寧 黃堃

(陜西凌云電器集團有限公司,陜西寶雞 721006)

本文對星體跟蹤器測試系統(tǒng)中主要組成部分星模擬器的組成及建立作了說明,詳細介紹了星模擬器的標定,并對標定結果進行誤差分析。分析結果表明,本文星模擬器標定結果滿足星體跟蹤器測試要求。

星模擬器 平行光管 標定

星體跟蹤器是航天飛行器中廣泛采用的一種高精度、高可靠性的姿態(tài)測量器件。在星體跟蹤器測試系統(tǒng)中，需要星模擬器，以給出星體跟蹤器所需的星光輸入信號[1]。

1 引言

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來模擬星圖，在光源前放置不同的中性濾光片可實現(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。這種星模擬器的結構簡單，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[2]。

本文涉及的星體跟蹤器測試系統(tǒng)由星模擬器、高精度雙軸轉臺、定位守時模塊、控制計算機等組成。該系統(tǒng)用于星體跟蹤器動靜態(tài)精度測試，為完成測試功能，本文設計的星模擬器每顆星的高低、方位角的位置精度應小于2″。

2 星模擬器組成及建立

星模擬器由平行光管及固定座組成，平行光管主要由準直物鏡組件、星點分劃板組件、濾光片組件及光源組成，它用來模擬恒星發(fā)出一定角度的平行光，可以模擬星空星等、位置和星數(shù)。星模擬器的建立應滿足以下幾個條件：

(1)星模擬器應在一定的星等范圍之內(nèi)亮度變化。星等范圍由星體跟蹤器光學系統(tǒng)的敏感特性決定的。(2)任意兩顆導航星之間的角距都大于一定的門限(實際約為2°～4°)，這是因為相鄰太近的導航星對定位無太大益處。

本文設計的星體跟蹤器測試系統(tǒng)采用四組星模擬器，每組星模擬器有5個平行光管，單組星模擬器如圖1所示。四組星模擬器以二維轉臺及星體跟蹤器的轉軸交點為中心，沿方位圓周上等間隔分布，示意圖如圖2所示。

每組模擬器設置五個模擬星點，且不同星點之間通過角距特征的變化來進行區(qū)分。因此，五個星點可根據(jù)需要進行不同角度及位置分布。本文采用中心一顆為基準，周圍四顆成不等角度分布的方案。周圍四個星點與中心星點夾角為3°左右。周圍四個星點孔徑中心之間的夾角均為90°左右。為適應星體跟蹤器的工作范圍，每一組星體模擬器的中心星模擬器的光軸與水平面的夾角在-24°左右。

圖1 星模擬器

圖2 星模擬器布置示意圖

圖3 模擬星空對角線剖面圖

3 模擬星位置標定

模擬星位置標定主要使用測量儀器為LeicaTM6100A經(jīng)緯儀，該經(jīng)緯儀測量精度為0.5″。標定過程：經(jīng)緯儀調(diào)至水平位置，利用陀螺經(jīng)緯儀測出經(jīng)緯儀方位零位相對正北方向的夾角，從而得到地理坐標系；經(jīng)緯儀精確測出每顆模擬恒星在地理坐標下的位置。在本文涉及的星體跟蹤器測試系統(tǒng)中，平行光管模擬無窮遠星點，因此，對出射光的平行性要求很高，安裝平行光管時首先將經(jīng)緯儀調(diào)焦至無窮遠，然后對準平行光管觀察，可以看到一個光點，當星點板離焦時，光點較模糊，此時可前后移動星點板，當觀察到星點具有最佳聚焦時，說明星點板已經(jīng)調(diào)整到焦面位置。此時經(jīng)緯儀放置轉臺中心位置。模擬星空對角線剖面圖如圖3所示。

根據(jù)模擬星的空間分布，只要將經(jīng)緯儀置于轉臺中心處，就可以通過轉動觀察到所有的模擬星，可通過正倒鏡多次測量得到穩(wěn)定的測量值。標定過程：經(jīng)緯儀調(diào)至水平位置，利用陀螺經(jīng)緯儀測出經(jīng)緯儀方位零位相對正北方向的夾角，從而得到地理坐標系；經(jīng)緯儀精確測出每顆模擬恒星在地理坐標下的高低角、方位角位置。

4 誤差分析

由于測量誤差具有隨機性，角度測量值每次會略有差異，這個隨機波動即是角度測量精度的反映，而測量值與真實值的差異呈現(xiàn)出一定的概率分布規(guī)律，對于多數(shù)情況，通常認為誤差是一正態(tài)分布的隨機變量，因此對于測量精度而言，通常也是采用統(tǒng)計的方法進行分析。

(1)經(jīng)緯儀調(diào)平誤差；經(jīng)緯儀需要放在正確位置并調(diào)整到水平狀態(tài)，取調(diào)整誤差為1δ=1″。(2)正北方向定位誤差；利用經(jīng)緯儀確定正北方向時，由于經(jīng)緯儀的測量誤差而使星點位置定位基準存在偏差，該偏差即經(jīng)緯儀的測量誤差為δ2=0.5″。(3)瞄準誤差；經(jīng)緯儀的瞄準即望遠鏡分劃標志與平行光管星點像的細節(jié)重合的程度，即人眼判斷重合了實際沒有重合而存在一定的差值。人眼瞄準精度與像的清晰度、照度、對比度等因素密切相關，極限對準誤差為10″～30″，又經(jīng)緯儀的望遠系統(tǒng)視角放大率為Γ=32，因此，人眼通過經(jīng)緯儀的瞄準誤差為。(4)測量誤差；測量誤差主要由經(jīng)緯儀本身的測量精度決定的，采用測量精度為0.5″的經(jīng)緯儀進行測量，其測量誤差即為δ4=0.5″，上述各項誤差均為未定系統(tǒng)誤差，則星點目標位置標定的綜合誤差為：

實際上測量誤差的各個環(huán)節(jié)可能疊加，也可能相互抵消，但若進行大量測量，則約有99.7%的概率落在±3Δ之間。

5 結語

對星模擬器的標定結果進行誤差分析表明，本文星模擬器標定結果滿足星體跟蹤器測試要求。

[1]尤太華,馮展軍,陳強華,王濤.星敏感器星圖模擬和識別算法軟件的研究[J].導航與控制,2005(1)：22-29.

[2]孫高飛,張國玉,姜會林,郝云彩,高玉軍.甚高精度星模擬器設計[J].光學精密工程,2011(8).