星體跟蹤器測試系統中星模擬器的標定

李寧 黃堃

(陜西凌云電器集團有限公司,陜西寶雞 721006)

星體跟蹤器測試系統中星模擬器的標定

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、高可靠性的姿態測量器件。在星體跟蹤器測試系統中，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

星模擬器的實質是一個平行光管，在焦面位置放置星點板，經光源照射后，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對不同星等的模擬，放置帶通濾光片實現對恒星光譜的模擬。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。該系統用于星體跟蹤器動靜態精度測試，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，它用來模擬恒星發出一定角度的平行光，可以模擬星空星等、位置和星數。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亮度變化。星等范圍由星體跟蹤器光學系統的敏感特性決定的。(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分。因此，五個星點可根據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經緯儀，該經緯儀測量精度為0.5″。標定過程：經緯儀調至水平位置，利用陀螺經緯儀測出經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緯儀調焦至無窮遠，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，說明星點板已經調整到焦面位置。此時經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。

根據模擬星的空間分布，只要將經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定的測量值。標定過程：經緯儀調至水平位置，利用陀螺經緯儀測出經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出一定的概率分布規律，對于多數情況，通常認為誤差是一正態分布的隨機變量，因此對于測量精度而言，通常也是采用統計的方法進行分析。

(1)經緯儀調平誤差；經緯儀需要放在正確位置并調整到水平狀態，取調整誤差為1δ=1″。(2)正北方向定位誤差；利用經緯儀確定正北方向時，由于經緯儀的測量誤差而使星點位置定位基準存在偏差，該偏差即經緯儀的測量誤差為δ2=0.5″。(3)瞄準誤差；經緯儀的瞄準即望遠鏡分劃標志與平行光管星點像的細節重合的程度，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″，又經緯儀的望遠系統視角放大率為Γ=32，因此，人眼通過經緯儀的瞄準誤差為。(4)測量誤差；測量誤差主要由經緯儀本身的測量精度決定的，采用測量精度為0.5″的經緯儀進行測量，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節可能疊加，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).