高精度星敏感器结构设计与标定林为才【摘要】Star sensor is a high precision attitude measurement instrument. Structure design and precision calibration method of high-accuracy star sensor is discussed in this paper. The measure errors of optical system can be decreased by using design of big visual angle and relative diameter lightly optical system. Design methods of specular baffle and focus plane assembly are introduced. The precision calibration method of star sensor is presented. The system errors can be diminished as far as possibly by this way. The sensor is calibrated and tested by leica theodolites. It is testified that the precision of star sensor is met,which the precision of single star is less than 3 second.%星敏感器是一种高精度的姿态敏感测量仪器。
研究了星敏感器的结构设计和精度标定方法，通过大视场、大相对孔径的轻小型光学系统的设计，减小光学系统的测量误差；介绍了星敏感器的遮光罩和焦平面组件的设计方法，给出了星敏感器的精度标定方法，利用该方法来最大限度地减小系统误差。
使用莱卡经纬仪进行标定实验，证明星敏感器精度满足单星精度小于等于3″的设计指标。
【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】4页(P51-54)【关键词】高精度;星敏感器;标定【作者】林为才【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033【正文语种】中文【中图分类】TM359.4星敏感器作为一种高精度的敏感测量仪器，通过测量天体上多个位置上的恒星来决定航天器的姿态。
相对于太阳敏感器、地球敏感器等其他类型的敏感器，星敏感器具有高精度的特点，利用星敏感器，许多航天器不仅可获得秒级精度的三轴姿态，而且还可用于修正陀螺的飘移。
所以目前星敏感器已成为卫星、航天飞机等一些航天器上必备的高精度姿态敏感部件。
目前具有高精度自主导航能力的高精度星敏感器的快速发展使无陀螺制导系统逐步代替惯性制导系统成为一种趋势［1，2］。
因为星敏感器具有低功耗、小尺寸、低成本、高精度的特点，其应用领域也逐步扩大，近年来，对星敏感器的地面应用技术的研究已成为国内外的研究热点。
随着对海上测控任务要求的不断提高，采用星敏感器组成的测量系统来提高测控设备的测角精度，以实现普通无线电雷达对部分中低轨目标的精密定位的方法逐渐受到重视。
通过星敏感器对船姿船位进行测量，可大幅提升航天测量船测量系统的精度和性能。
本文提出一种高精度星敏感器结构，分析了该星敏感器的结构组成和设计，给出了该星敏感器的精度标定方法，得出了该星敏感器具备较高精度的结论。
1 星敏感器的结构设计星敏感器的结构设计主要包括三个部分：光学系统设计、遮光罩结构设计和焦平面组件热设计。
1.1 光学系统设计高精度星敏感器光学系统具有轻小型、高精度及大相对孔径的特点，精度达到秒级，相对孔径在1∶1.2以上。
为实现小型化、轻型化的星敏感器技术设计，采用大相对孔径光学系统是核心技术。
光学系统的精度是决定星敏感器最终精度的主要因素之一，针对电子学图像处理对像质的特殊要求，既要满足能量集中度的要求以实现恒星探测和后续质心细分算法，同时还对恒星弥散斑形状有高对称性的要求，通过质心漂移量指标进行评价，即恒星在像面的能量中心与理想位置的差别。
对于所研制的1˝级星敏感器，需要严格控制质心漂移量参数，它直接影响最终的星敏感器姿态精度［3，4］。
图1 光学系统图如图1所示，为了实现指标要求，相机采用大相对孔径、高精度光学系统，焦距要求95mm，各视场的质心漂移量均要求达到微米量级甚至更高。
设计采用双高斯型光学结构向远摄型光学结构过渡的方式，通过对前半部的系统进行复杂化，将光阑前移至第一片透镜，这样带来的好处是既可以增大相对口径、提高像质，还可以缩小筒长、减轻光学镜头重量。
星敏感器的镜头的光学畸变要求较高，光学系统最大相对畸变要求达到0.2‰，然而，很多光学元件由于偏心差的存在，造成了光学系统的畸变，而不对称像差很难得到补偿，为了保证偏心差达到使用要求，于是把镜头设计成多层镜筒，通过定心配车的装配方法解决系统的畸变问题，将配车用的镜框夹在万向夹头上，使用定心仪调整好偏心差后再进行配车。
星敏感器的工作温度为-30℃～45℃，温度变化范围较大。
仪器装调时温度为20℃，那么最大温差就为50℃。
由于温差较大，所以镜筒材料的线膨胀系数应与透镜的线膨胀系数相接近，以避免因温度变化影响成像质量。
故采用钛合金，钛合金膨胀系数和光学玻璃接近，光学计算表明可满足像面稳定和焦距变化小于0.01mm的要求。
1.2 遮光罩的设计遮光罩要设计成重量轻、刚度高、与镜筒连接牢固，为了减轻重量，选择铝作为遮光罩材料。
遮光罩的内壁除挡环拦光外，其余部分均为遮光纹。
遮光罩的设计目的为减小太阳、月亮、地球等外界光源的影响，使其背景影响小于预定值，从而可以得到最优的星图像显示及形心。
按夹角不同，在不变更其它元件的条件下，可更换不同的遮光罩，以使杂光在内壁上产生漫反射。
遮光罩的作用是使能够进入镜头的杂光量尽量少，必须达到设计的指标要求，遮光罩的长度、孔径的尺寸等要经过具体的计算来确定［5，6］。
如图2所示，设θ为光线的入射角，φ为入射光线的半视场角，x是二级遮光罩长度，y是一级遮光罩长度，则x=βL，就可得以下方程组：由d=50mm,θ=45°,φ=5°，代入式（4）得：可考虑L=210mm，再考虑遮光罩与CCD接口、隔热问题，可把遮光罩的总长度取为L=220mm。
所以可得最大口径D=50+2×220tan5=88mm。
解得：图2 光线示意图1.3 焦平面组件热设计星敏感器在使用时，要在镜筒光轴与焦平面垂直的基础上保持良好的稳定性，焦平面组镜筒与焦平面组件的连接面与光轴有垂直要求，如有倾斜，会使成像发生畸变，装调件的发热会影响成像稳定性，因此焦平面组件的热设计是星敏感器结构的重要环节。
如图3所示，光束通过光学系统和箱体窗口聚焦到探测器上，箱体是一个密封结构，在里面充满氮气，以免箱体中的水蒸汽在制冷过程中凝结在窗口玻璃上。
图3 焦平面组件半导体制冷器制冷端与探测器背面相接触以使探测器保持低温状态，导热端与红色的导热管相接触，热管的功能是可以作为一种传热元件，能够很快的传递热量，而且对环境有着非常好的适应性，因此在散热中的应用非常广泛。
通过导热管将热传导到箱体壁上，箱体外表面有散热片和风扇，可以保证将热传导到空气中。
热管的传热性能由当量导热系数评价热管的传热性能，当量导热系数根据下式求得：式中：Q代表的是热量值；L代表的是长度；A代表的是截面面积；Th代表的是热端平均温度；Tc代表的是冷端平均温度。
将Q=30W ；L=0.113m；A=0.000256m2；Th=353K ；Tc=273K ；代入式（6），得，当量导热系数K=166W/mK。
选用的热管的导热系数为1100W/mK，可以满足星敏感器的使用要求。
2 星敏感器的精度标定单星测量精度是姿态测量精度的基础，系统单星测量精度应达到3″，后续星识别和姿态计算才能实现测量精度指标要求。
因此，光学系统畸变、主点、焦距的标定及整机单星测量精度的验证非常重要，精度标定是检验姿态测量的高精度性能的重要依据。
采用转动带发光目标的高精度0.5″莱卡经纬仪来进行标定，该莱卡经纬仪能提供方位、俯仰编码器值（0°～360°），并能产生带目标光源，转动莱卡经纬仪，获取主点附近多帧带目标的图像，经过图像处理提取目标中心，记录（Xi，Yi，Ai，Ei），把像面顺着转动一周后，所有位置所成的像点在像面上围成一个圈，可以把这个圈进行拟合，拟合后这个圈的中心为系统的主点，对大量的测量结果进行最小二乘拟合可求得相机焦距［7］。
使用相机拍摄高精度Leica经纬仪（0.5″）发出的光点，测量光点经过的各个角度，通过调整经纬仪的各个方向的位置，使光点的像处在星敏感器的主点位置处，这时记下经纬仪所显示的数值，把显示的这个数值记为（A0，E0），同时把主点所处于的位置记为（X0，Y0）。
然后通过转动莱卡经纬仪得到一定的角度，记下此时的数值，为（Ai，Ei），同时可以把图像采集出来，提取出光点的质心，记为（Xi，Yi）。
这样就能得到星敏感器的脱靶量值，即：Δx=x0-xi，Δy=y0-yi。
那么，就可以根据当前的质心位置，推出经纬仪的角度值，原理如下式所示：理论上，Ai=ai，Ei=ei，但是因为有误差存在，所以上面的公式并不能成立，会和真实值有一定的差别，记为：ΔAi=Ai-ai，ΔEi=Ei-ei，然后再通过计算δ(ΔAi)，δ(ΔEi)来标定星敏感器的精度，即可得出系统的单星测量精度。
图4 测量精度验证实验实验现场照片如图4所示，经标定，相机主点及焦距如表1所示，实验过程如下：表1 相机主点及焦距标定结果星相机A 508.235 460.915 94.56主点（pixel）XY焦距（mm）转动莱卡经纬仪，方位步进0.6°左右，俯仰步进0.6°左右，星敏感器采集184帧标校点，全视场标校点分布如图5所示，单位为pixel；将视场分为9个分区，采用二次函数进行拟合，得到拟合系数如表2所示。
表2 拟合系数1 2 3 4 5 6 7 8 9分区K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10 K11K12 3.443-0.015 0.000 0.999 0.000-0.000-3.059 0.998-0.000 0.003 0.0000.000 3.426-0.011-0.000 0.998 0.000 0.000-3.933 1.000-0.000 0.007-0.000 0.000 3.395-0.009-0.000 0.998 0.000 0.000-6.473 1.003-0.000 0.0122-0.000-0.000-4.120 0.0176-0.000 0.997 0.000 0.000-2.989 0.997-0.000 0.005 0.000-0.000 0.239-0.000-0.000 1.002-0.000 0.000-3.556 0.997 0.000 0.009-0.000-0.000-7.588 0.0127-0.000 1.014-0.000-0.000-5.943 1.004 0.000 0.010-0.000 0.000-3.647 0.012 0.000 1.016-0.000 0.000 0.810 0.988 0.000 0.010 0.000-0.000-6.544 0.009 0.000 1.020-0.000 0.000-9.618 1.011-0.000 0.0126 0.000-0.000-11.023 0.019-0.000 1.020-0.000 0.000-6.860 1.007-0.000 0.010-0.000-0.000图5 全视场标校点分布计算得到相机的测角精度为A：2.329244″，E：1.295937″，满足单星精度小于等于3″的设计指标3 结论本文论述了高精度星敏感器的结构设计和标定方法，给出了光学系统的结构设计方法，通过对系统遮光罩的设计和焦平面组件的热设计对提高星敏感器的精度作了一定的研究。
