高精度星敏感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與標(biāo)定

林為才

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

星敏感器作為一種高精度的敏感測量儀器，通過測量天體上多個(gè)位置上的恒星來決定航天器的姿態(tài)。相對(duì)于太陽敏感器、地球敏感器等其他類型的敏感器，星敏感器具有高精度的特點(diǎn)，利用星敏感器，許多航天器不僅可獲得秒級(jí)精度的三軸姿態(tài)，而且還可用于修正陀螺的飄移。所以目前星敏感器已成為衛(wèi)星、航天飛機(jī)等一些航天器上必備的高精度姿態(tài)敏感部件。目前具有高精度自主導(dǎo)航能力的高精度星敏感器的快速發(fā)展使無陀螺制導(dǎo)系統(tǒng)逐步代替慣性制導(dǎo)系統(tǒng)成為一種趨勢(shì)［1，2］。

因?yàn)樾敲舾衅骶哂械凸摹⑿〕叽?、低成本、高精度的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴(kuò)大，近年來，對(duì)星敏感器的地面應(yīng)用技術(shù)的研究已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。隨著對(duì)海上測控任務(wù)要求的不斷提高，采用星敏感器組成的測量系統(tǒng)來提高測控設(shè)備的測角精度，以實(shí)現(xiàn)普通無線電雷達(dá)對(duì)部分中低軌目標(biāo)的精密定位的方法逐漸受到重視。通過星敏感器對(duì)船姿船位進(jìn)行測量，可大幅提升航天測量船測量系統(tǒng)的精度和性能。本文提出一種高精度星敏感器結(jié)構(gòu)，分析了該星敏感器的結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)，給出了該星敏感器的精度標(biāo)定方法，得出了該星敏感器具備較高精度的結(jié)論。

1 星敏感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

星敏感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、遮光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焦平面組件熱設(shè)計(jì)。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高精度星敏感器光學(xué)系統(tǒng)具有輕小型、高精度及大相對(duì)孔徑的特點(diǎn)，精度達(dá)到秒級(jí)，相對(duì)孔徑在1∶1.2以上。為實(shí)現(xiàn)小型化、輕型化的星敏感器技術(shù)設(shè)計(jì)，采用大相對(duì)孔徑光學(xué)系統(tǒng)是核心技術(shù)。光學(xué)系統(tǒng)的精度是決定星敏感器最終精度的主要因素之一，針對(duì)電子學(xué)圖像處理對(duì)像質(zhì)的特殊要求，既要滿足能量集中度的要求以實(shí)現(xiàn)恒星探測和后續(xù)質(zhì)心細(xì)分算法，同時(shí)還對(duì)恒星彌散斑形狀有高對(duì)稱性的要求，通過質(zhì)心漂移量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即恒星在像面的能量中心與理想位置的差別。對(duì)于所研制的1?級(jí)星敏感器，需要嚴(yán)格控制質(zhì)心漂移量參數(shù)，它直接影響最終的星敏感器姿態(tài)精度［3，4］。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)圖

如圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)指標(biāo)要求，相機(jī)采用大相對(duì)孔徑、高精度光學(xué)系統(tǒng)，焦距要求95mm，各視場的質(zhì)心漂移量均要求達(dá)到微米量級(jí)甚至更高。設(shè)計(jì)采用雙高斯型光學(xué)結(jié)構(gòu)向遠(yuǎn)攝型光學(xué)結(jié)構(gòu)過渡的方式，通過對(duì)前半部的系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜化，將光闌前移至第一片透鏡，這樣帶來的好處是既可以增大相對(duì)口徑、提高像質(zhì)，還可以縮小筒長、減輕光學(xué)鏡頭重量。

星敏感器的鏡頭的光學(xué)畸變要求較高，光學(xué)系統(tǒng)最大相對(duì)畸變要求達(dá)到0.2‰，然而，很多光學(xué)元件由于偏心差的存在，造成了光學(xué)系統(tǒng)的畸變，而不對(duì)稱像差很難得到補(bǔ)償，為了保證偏心差達(dá)到使用要求，于是把鏡頭設(shè)計(jì)成多層鏡筒，通過定心配車的裝配方法解決系統(tǒng)的畸變問題，將配車用的鏡框夾在萬向夾頭上，使用定心儀調(diào)整好偏心差后再進(jìn)行配車。

星敏感器的工作溫度為-30℃～45℃，溫度變化范圍較大。儀器裝調(diào)時(shí)溫度為20℃，那么最大溫差就為50℃。由于溫差較大，所以鏡筒材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)與透鏡的線膨脹系數(shù)相接近，以避免因溫度變化影響成像質(zhì)量。故采用鈦合金，鈦合金膨脹系數(shù)和光學(xué)玻璃接近，光學(xué)計(jì)算表明可滿足像面穩(wěn)定和焦距變化小于0.01mm的要求。

1.2 遮光罩的設(shè)計(jì)

遮光罩要設(shè)計(jì)成重量輕、剛度高、與鏡筒連接牢固，為了減輕重量，選擇鋁作為遮光罩材料。遮光罩的內(nèi)壁除擋環(huán)攔光外，其余部分均為遮光紋。遮光罩的設(shè)計(jì)目的為減小太陽、月亮、地球等外界光源的影響，使其背景影響小于預(yù)定值，從而可以得到最優(yōu)的星圖像顯示及形心。按夾角不同，在不變更其它元件的條件下，可更換不同的遮光罩，以使雜光在內(nèi)壁上產(chǎn)生漫反射。

遮光罩的作用是使能夠進(jìn)入鏡頭的雜光量盡量少，必須達(dá)到設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求，遮光罩的長度、孔徑的尺寸等要經(jīng)過具體的計(jì)算來確定［5，6］。如圖2所示，設(shè)θ為光線的入射角，φ為入射光線的半視場角，x是二級(jí)遮光罩長度，y是一級(jí)遮光罩長度，則x=βL，就可得以下方程組：

由 d=50mm,θ=45°,φ=5°，代入式（4）得：

可考慮L=210mm，再考慮遮光罩與CCD接口、隔熱問題，可把遮光罩的總長度取為L=220mm。所以可得最大口徑D=50+2×220tan5=88mm。

解得：

圖2 光線示意圖

1.3 焦平面組件熱設(shè)計(jì)

星敏感器在使用時(shí)，要在鏡筒光軸與焦平面垂直的基礎(chǔ)上保持良好的穩(wěn)定性，焦平面組鏡筒與焦平面組件的連接面與光軸有垂直要求，如有傾斜，會(huì)使成像發(fā)生畸變，裝調(diào)件的發(fā)熱會(huì)影響成像穩(wěn)定性，因此焦平面組件的熱設(shè)計(jì)是星敏感器結(jié)構(gòu)的重要環(huán)節(jié)。

如圖3所示，光束通過光學(xué)系統(tǒng)和箱體窗口聚焦到探測器上，箱體是一個(gè)密封結(jié)構(gòu)，在里面充滿氮?dú)猓悦庀潴w中的水蒸汽在制冷過程中凝結(jié)在窗口玻璃上。

圖3 焦平面組件

半導(dǎo)體制冷器制冷端與探測器背面相接觸以使探測器保持低溫狀態(tài)，導(dǎo)熱端與紅色的導(dǎo)熱管相接觸，熱管的功能是可以作為一種傳熱元件，能夠很快的傳遞熱量，而且對(duì)環(huán)境有著非常好的適應(yīng)性，因此在散熱中的應(yīng)用非常廣泛。通過導(dǎo)熱管將熱傳導(dǎo)到箱體壁上，箱體外表面有散熱片和風(fēng)扇，可以保證將熱傳導(dǎo)到空氣中。熱管的傳熱性能由當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)評(píng)價(jià)熱管的傳熱性能，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)下式求得：

式中：Q代表的是熱量值；L代表的是長度；A代表的是截面面積；Th代表的是熱端平均溫度；Tc代表的是冷端平均溫度。

將Q=30W ；L=0.113m；A=0.000256m2；Th=353K ；Tc=273K ；代入式（6），得，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)K=166W/mK。

選用的熱管的導(dǎo)熱系數(shù)為1100W/mK，可以滿足星敏感器的使用要求。

2 星敏感器的精度標(biāo)定

單星測量精度是姿態(tài)測量精度的基礎(chǔ)，系統(tǒng)單星測量精度應(yīng)達(dá)到3″，后續(xù)星識(shí)別和姿態(tài)計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)測量精度指標(biāo)要求。因此，光學(xué)系統(tǒng)畸變、主點(diǎn)、焦距的標(biāo)定及整機(jī)單星測量精度的驗(yàn)證非常重要，精度標(biāo)定是檢驗(yàn)姿態(tài)測量的高精度性能的重要依據(jù)。

采用轉(zhuǎn)動(dòng)帶發(fā)光目標(biāo)的高精度0.5″萊卡經(jīng)緯儀來進(jìn)行標(biāo)定，該萊卡經(jīng)緯儀能提供方位、俯仰編碼器值（0°～360°），并能產(chǎn)生帶目標(biāo)光源，轉(zhuǎn)動(dòng)萊卡經(jīng)緯儀，獲取主點(diǎn)附近多幀帶目標(biāo)的圖像，經(jīng)過圖像處理提取目標(biāo)中心，記錄（Xi，Yi，Ai，Ei），把像面順著轉(zhuǎn)動(dòng)一周后，所有位置所成的像點(diǎn)在像面上圍成一個(gè)圈，可以把這個(gè)圈進(jìn)行擬合，擬合后這個(gè)圈的中心為系統(tǒng)的主點(diǎn)，對(duì)大量的測量結(jié)果進(jìn)行最小二乘擬合可求得相機(jī)焦距［7］。使用相機(jī)拍攝高精度Leica經(jīng)緯儀（0.5″）發(fā)出的光點(diǎn)，測量光點(diǎn)經(jīng)過的各個(gè)角度，通過調(diào)整經(jīng)緯儀的各個(gè)方向的位置，使光點(diǎn)的像處在星敏感器的主點(diǎn)位置處，這時(shí)記下經(jīng)緯儀所顯示的數(shù)值，把顯示的這個(gè)數(shù)值記為（A0，E0），同時(shí)把主點(diǎn)所處于的位置記為（X0，Y0）。然后通過轉(zhuǎn)動(dòng)萊卡經(jīng)緯儀得到一定的角度，記下此時(shí)的數(shù)值，為（Ai，Ei），同時(shí)可以把圖像采集出來，提取出光點(diǎn)的質(zhì)心，記為（Xi，Yi）。這樣就能得到星敏感器的脫靶量值，即：Δx=x0-xi，Δy=y0-yi。那么，就可以根據(jù)當(dāng)前的質(zhì)心位置，推出經(jīng)緯儀的角度值，原理如下式所示：

理論上，Ai=ai，Ei=ei，但是因?yàn)橛姓`差存在，所以上面的公式并不能成立，會(huì)和真實(shí)值有一定的差別，記為：ΔAi=Ai-ai，ΔEi=Ei-ei，然后再通過計(jì)算 δ(ΔAi)，δ(ΔEi)來標(biāo)定星敏感器的精度，即可得出系統(tǒng)的單星測量精度。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場照片如圖4所示，經(jīng)標(biāo)定，相機(jī)主點(diǎn)及焦距如表1所示，實(shí)驗(yàn)過程如下：

表1 相機(jī)主點(diǎn)及焦距標(biāo)定結(jié)果

轉(zhuǎn)動(dòng)萊卡經(jīng)緯儀，方位步進(jìn)0.6°左右，俯仰步進(jìn)0.6°左右，星敏感器采集184幀標(biāo)校點(diǎn)，全視場標(biāo)校點(diǎn)分布如圖5所示，單位為pixel；將視場分為9個(gè)分區(qū)，采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，得到擬合系數(shù)如表2所示。

表2 擬合系數(shù)

圖5 全視場標(biāo)校點(diǎn)分布

計(jì)算得到相機(jī)的測角精度為A：2.329244″，E：1.295937″，滿足單星精度小于等于3″的設(shè)計(jì)指標(biāo)

3 結(jié)論

本文論述了高精度星敏感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和標(biāo)定方法，給出了光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)系統(tǒng)遮光罩的設(shè)計(jì)和焦平面組件的熱設(shè)計(jì)對(duì)提高星敏感器的精度作了一定的研究。提出了一種星敏感器的精度標(biāo)定方法，并使用萊卡經(jīng)緯儀進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文所設(shè)計(jì)的星敏感器精度滿足單星精度小于等于3″的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

［1］孫高飛，張國玉，鄭茹，等.星敏感器標(biāo)定方法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（4）：8-14.

［2］何家維，何昕，魏仲慧，等.電子倍增CCD星相機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2010，18（6）：1396-1403.

［3］姚大雷，汶德勝.適用于星敏感器的星體識(shí)別研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，31（1）：71-73.

［4］董瑛，邢飛，尤政.基于CMOS APS的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)確定［J］.宇航學(xué)報(bào)，2004，11（6）：663-668.

［5］盧衛(wèi)，李展，張建榮，等.星敏感器中遮光罩設(shè)計(jì)及結(jié)果模擬［J］.光電工程，2001，28（3）：13-20

［6］廖志波，伏瑞敏，宗肖穎.星敏感器反射式遮光罩設(shè)計(jì)［J］.紅外與激光工程，2011，40（1）：66-69

［7］鐘紅軍，楊孟飛，盧欣.星敏感器標(biāo)定方法研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（5）：1343-1348.