基于TFT-LCD的動態星模擬器星點位置修正方法

基于TFT-LCD的動態星模擬器星點位置修正方法

介紹了基于TFT-LCD的動態星模擬器的工作原理及星點位置誤差的計算方法。利用經緯儀對動態星模擬器顯示的網格星點進行測量，計算了各星點的位置誤差及修正系數。對網格上星點的修正系數進行分區處理，并利用Matlab軟件對各分區的修正系數進行曲線擬合，得到修正系數關于星點位置（方位或俯仰）坐標的方程。結果表明，修正后星點的位置誤差均小于35″，滿足動態星模擬器的設計要求。

動態星模擬器；經緯儀；曲線擬合

1 引 言

動態星模擬器是一種星敏感器的地面檢測標定設備，在星敏感器的檢測與標定過程中起著重要作用。動態星模擬器能夠模擬無窮遠處恒星組成的星圖，能夠顯示不同恒星的位置及星等。星敏感器通過觀察動態星模擬器顯示的星圖，實現對自身的星圖識別和星跟蹤等功能的檢測。因此，動態星模擬器顯示星圖的準確程度直接影響了星敏感器檢測的準確程度［1，2］。

動態星模擬器主要由星點顯示器和準直光學系統兩部分組成。通過星點顯示器顯示出來的星點經過準直光學系統后，遠離中心點顯示的星點會產生一定的像差，因此要對經過光學系統后的星點位置進行測量，然后對星點在原始坐標系中的輸入坐標進行修正，使其經過光學系統后的位置與理論值的誤差在允許范圍之內［3，4］。

2 工作原理

動態星模擬器的工作原理如圖1所示。TFTLCD顯示器放在準直光學系統的焦平面上，且光學系統的軸心與TFT-LCD顯示器所使用的視場中心重合。背光板發出的光均勻照射到TFT-LCD顯示器上，TFT-LCD顯示出亮度均勻的星點，星點發出的光線經過準直光學系統后形成平行光射出，實現對無窮遠恒星的模擬顯示。TFT-LCD顯示器的星圖顯示由計算機控制，根據計算機輸入的數據，對不同的星圖進行模擬顯示，從而實現對星敏感器星圖識別和星跟蹤等功能的檢測。

圖1 動態星模擬器原理圖Fig.1 Schematic diagram of dynamic star simulator

3 星點位置的測量

利用計算機控制TFT-LCD顯示器，使其在整個視場中顯示如圖 2所示的網格（間距為126 pixel），網格中每一個交叉點代表一個待測的星點。以TFT-LCD顯示器所使用的視場中心點O為中心，使用萊卡TM5100A經緯儀對各點相對于中心點的俯仰角和方位角進行測量。

圖2 動態星模擬器測試網格Fig.2 Test grid of dynamic star simulator

4 星點坐標的修正

4.1 網格上各星點的位置計算

用經緯儀測量給定網格上各星點的方位角和俯仰角（αi，βi），中心星點 O 為（α0，β0），則網格上任意一星點P（mi，ni）相對中心O的方位角和俯仰角（α0i，β0i）為：

P點相對中心點O的實測像素數位置坐標（m′i，n′i）為：

式中，α，β為P點相對于中心點O的方位和俯仰角，f ′為光學系統焦距實測值，spix為像元尺寸。

4.2 修正系數計算

當被測點P相對于中心點O的方位角和俯仰角為（α0，β0）時，其對應的星點位置為（m′i，n′i），但實際應該點亮的像素理論位置為（mi，ni），即需要修正系數把（m′i，n′i）修正到（mi，ni）才能滿足修正要求。任意被測星點P的橫向修正系數km和縱向修正系數kn為：

為了確定網格點之外星點的修正系數，需要統計網格點上各星點的修正系數與對應星點位置的關系。通過觀察它們在整幅星圖中的分布規律，確定如何分區計算各點修正系數的均值。驗證取均值后各點的修正系數是否滿足修正要求，點P進行修正后的位置（m″i，n″i）為：

判斷m′i，n″i和mi，ni的關系，如不滿足要求則需要重新劃分區域計算均值，直到滿足要求為止。

4.3 曲線擬合

根據經緯儀對網格上各點的測量數據，對分區后各區域的修正系數進行處理。在一個被劃分好的區域中，各點的修正系數k是其所在位置的函數，應用這些已知的函數對，以位置為（方位或俯仰）橫坐標，系數為縱坐標，使用matlab軟件進行最小二乘擬合，得到該區域的方位修正系數k和俯仰修正系數K關于星點坐標（x，y）的曲線方程，根據方程可求得分區內任意星點位置的修正系數。

（1）當x＞0，y＞0時

星點方位坐標x的修正系數擬合曲線如圖3所示。

圖3 方位坐標修正系數擬合曲線Fig.3 Fitting curve of correction factor for positon

方位坐標修正系數方程為：

圖4 俯仰坐標修正系數擬合曲線Fig.4 Fitting curve of correction factor for pitch

星點俯仰坐標y的修正系數擬合曲線如圖4所示。

俯仰坐標修正系數方程為：

同理可求出其它區域的方位、俯仰坐標的修正系數曲線方程。

（2）當x＞0，y＜0時

方位坐標修正系數方程為：

俯仰坐標修正系數方程為：

（3）當x＜0，y＞0時

方位坐標修正系數方程為：俯仰坐標修正系數方程為：

（4）當x＜0，y＜0時

方位坐標修正系數方程為：

俯仰坐標修正系數方程為：

5 修正結果檢驗

5.1 星點位置誤差的計算

若任意兩個星點P1，P2在TFT-LCD顯示器有效像面上用經緯儀測出方位角和俯仰角為 P1（u1，v1），P2（u2，v2），則星點P1，P2間的星對角距實測值θ0可由下式計算得到：

式中，δ1=90°-β1，δ2=90°-β2。

若任意兩個星點P1，P2在TFT-LCD顯示器有效像面上的理論位置為P1（u2，v1），P2（u2，v2），則星點P1，P2間的星對角距理論值θ0為：

式中，f為準直光學系統焦距的實測值。

任意兩個星點的星對角距誤差Δθ為：

取所有任意兩點Δθ最大者為模擬器的星對角距誤差。若選P1點為視場中心點O，則上式中Δθ為單星位置誤差。

5.2 星點位置誤差修正結果

根據修正系數的分區，將擬合好的修正系數曲線方程輸入計算機，隨機設置10個星點坐標，并通過計算機控制TFT-LCD顯示輸出。利用經緯儀對10個星點進行測量，并計算其相對于中心點O的星對角距誤差（即星點位置誤差），測量結果如表1所示。經過測量，10個點的星點位置誤差均小于35″，滿足動態星模擬器設計要求。

表1 修正后的星點位置誤差Tab.1 Corrected star position errors

6 結 論

本文利用經緯儀對動態星模擬器顯示的星點網格進行了測量。根據測量的數據，計算了各網格上各星點的位置誤差及修正系數。利用Matlab軟件對分區處理的修正系數進行了曲線擬合，并得出了修正系數的方程。通過經緯儀重新測量，證明修正后動態星模擬器顯示的星點位置誤差均小于35″，達到了動態星模擬器的設計要求。

［1］劉亞平，李娟，張宏.星模擬器的設計與標定［J］.紅外與激光工程，2006，35（增1）：331-334.LIU Y P，LI J，ZHANG H.Design and calibration of star simulator［J］.Infrared and Laser Eng.，2006，35（s1）：331-334.（in Chinese）

［2］趙晨光，譚久彬，劉儉，等.用于天文導航設備檢測的星模擬裝置［J］.光學精密工程，2010，18（6）：1326-1332.ZHAO CH G，TAN J B，LIU J，et al..Star simulator for testing celestial navigation equipment［J］.Opt.Precision Eng.，2010，18（6）：1326-1332.（in Chinese）

［3］張文明，林玲，郝永杰，等.小型星模擬器中星圖動態顯示系統的設計［J］.光電工程，2000，27（5）：11-14.ZHANG W M，LIN L，HAO Y J，et al..Design of a dynamic display system for star map in small-sized star simuator［J］.Opto.Elect ronic Eng.，2000，27（5）：11-14.（in Chinese）

［4］鞏巖，胡宜寧，趙陽.基于數字光處理技術的小型星模擬器設計［J］.光學精密工程，2007，15（11）：1698-1704.GONG Y，HU Y N，ZHAO Y，et al..Design of a mini star simulator based on digital optical processing［J］.Opt.Precision Eng.，2007，15（11）：1698-1704.（in Chinese）

［5］蔣漢元，李雪雷，陳濤，等.光電經緯儀圖像測量中的自動調焦系統研究［J］.計算機測量與控制，2010，18（1）：183-185.JIANG H Y，LI X L，CH T，et al..Research on automatic focusing system for theodolite′s image measurement［J］.Computer Measurement＆amp；Control，2010，18（1）：183-185.（in Chinese）

［6］李春艷，李懷鋒，孫才紅.高精度星敏感器天文標定方法及觀測分析［J］.光學精密工程，2006，14（4）：558-563.LI CH Y，LI H F，SUN C H.A stronomical calibration method and observation analysis for high-accuracy star sensor［J］.Opt.Precision Eng.，2006，14（4）：558-563.（in Chinese）

［7］段曉東.全天球實時星光模擬器的設計與標定［J］.控制工程，1997（2）：23-33.DUAN X D.Design of real-tiem star simulator in whole celestial sphere［J］.Controlling Eng.，1997（2）：23-33.（in Chinese）

［8］刑飛 ，武延鵬 ，董瑛，等.微型星敏感器實驗室測試系統研究［J］.光學技術，2004，30（6）：703-709.XING F，WU Y P，DONG Y，et al..Research of laboratory test system for micro-star tracker［J］.Opt Tech.，2004，30（6）：703-709（in Chinese）

［9］唐建國，袁家虎，吳欽章.液晶光閥星圖模擬設計與實現［J］.光電工程，1999，26（增）：75-78.TANG J G，YUAN J H，WU Q ZH.Design and implementation of star pattern simulation with liquid crystalight valve［J］.Opto-Electronic Eng.，1999，26（s）：75-78.（in Chinese）

Abstract：To measure total solar irradiance accurately，the solar irradiance absolute radiometer SIAR-3a with the ability of automatic solar tracking is designed and constructed.The principle and structure of the solar irradiance absolute radiometer SIAR-3a are presented in this paper and its control scheme for automatic double-axis solar tracking is proposed.The solar irradiance absolute radiometer SIAR-3a imposes electricity to calibrate the total solar irradiance，which is able to measure the total solar irradiance and follow the sun simultaneously.In the calibration experiments，the corresponding rms error limit of SIAR-3a amounts to 0.06％at the 3σ level，which has been calibrated to World Radiometric Reference stored in World Radiation Centre（WRC）in Davos，Switzerland.The experiment results indicate that SIAR-3a works reliably and accurately.

Key words：solar irradiance；total solar irradiance；absolute radiometer；solar tracking；irradiation calibration

文章編號1674-2915（2011）03-0252-07

王 俁1，張國玉1，2，高玉軍3，孫高飛1，鄭 茹1

（1.長春理工大學，吉林長春130022；
2.光電測控與光信息傳輸技術教育部重點實驗室，吉林長春130022；
3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

Star position correction of dynamic star simulator based on TFT-LCD

WANG Yu1，ZHANG Guo-yu1，2，GAO Yu-jun3，SUN Gao-fei1，ZHENG Ru1

（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China；2.Key Laboratory of Optoelectronic Measuring-controlling and Optical Information Transmiting Technology，Ministry of Education，Changchun 130022，China；3.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

This paper describes the working principle of the dynamic star simulator based on a TFT-LCD and the calculation of the revised star angular distance error.A theodolite is used to measure the star point on the grid shown by the dynamic star simulator，then the position error correction factor of each star point is calculated based on the measured data.The correction coefficient of the star point on the grid is partitioned，and Matlab software is used for the curve fitting of each partition′s revised correction coefficients to get the（azimuth or elevation）coordinate equations of the star position.The experimental result shows that the revised star angular distance error is less than 35″，which meets the design requirements of the dynamic star simulator.

dynamic star simulator；theodolite；curve fitting

Solar irradiance absolute radiometer with ability of automatic solar tracking

WANG Hong-rui，FANG Wei

（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

V448

A

1674-2915（2011）03-0247-05

2011-01-14；

2011-04-13

王 俁（1984—），男，吉林長春人，碩士研究生，主要從事精密測控技術與儀器方面的研究。

E-mail：richie_wang@126.com

張國玉（1962—），男，吉林松原人，博士，研究員，博士生導師，主要從事空間科學與技術、光電儀器與探測技術方面的研究。E-mail：zh_guoyu@yahoo.com.cn