[发明专利]一种全天时小型化恒星跟踪光学系统

说明书

技术领域

本发明属光学设计领域，涉及一种全天候利用恒星作为参照系进行导航定位的恒星跟踪系统。

背景技术

目前在飞行器和舰船导航过程中，惯性陀螺是最为常用的导航设备，具有很高的瞬时姿态测量精度，但是长时间工作状态下漂移较大，误差随着时间不断的积累，需要外部信息源校正其误差。而星敏感器利用天球坐标系中恒星的位置不变性来测量载体的运动参数，无姿态累积误差，因此，星敏感器成为校正惯性导航测量误差的最佳系统。惯性/星光组合导航将星光导航与惯性导航结合，优势互补，从而实现长时间高精度导航。惯性/星光组合导航作为一种新型的导航技术也成为研究热点方向。

惯性/星光组合导航中的星敏感器是各种姿态敏感器中姿态测量精度最高的敏感器之一，在航天工程中得到了广泛的应用，但是用于全天时观测的星敏感器光学系统却很少，这是因为在大气层内工作的星敏感器白天观测恒星的最大困难是白天的天空背景辐射过强，造成的白天观星的对比度比夜间要差10⁵倍，因此在夜间能观测到的恒星在白天却很难观测到。

美国在上个世纪80年代末开展了具有全天时工作能力的星敏感器研究，美国Northrop公司研发的星光惯性导航系统采用3个视场角3°的望远系统组合而成，联合使用能够观测天顶30°范围内的区域，该公司研发的第四代星敏感器口径为50.8mm，并通过导航系统上部口径228.6mm的窗口，可以观测天顶95°范围内的区域。2006年，美国Microcosm公司研发的DayStar系统，同样采用3视场原理，同时观测3个方向，其视场角30°，口径为76mm。BLAST白天观星采用大口径长焦距的镜头，配合4英尺长得遮光罩进行白天观测。

目前国内长光所在90年代利用口径350mm，焦距3000mm的电影经纬仪进行了白天观星实验，可以在白天观测到3等星，在星体探测能力上达到了国外80年代中期水平。该系统口径达到了350mm，体积较大，重量较重，不适合在飞行器等对重量要求比较苛刻的场合使用。

我国的白天观星能力较弱，小型化的全天时星敏感器光学技术更是几乎空白，国外同类产品大多采用3个镜头同时进行观测，系统硬件较为复杂。因此。发明一种用于全天时小型化恒星观测的光学系统尤为迫切。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明目的提供了一种能够实现全天时观测的小型化恒星跟踪光学系统。

本发明的技术解决方案：

一种全天时小型化恒星跟踪光学系统，包括沿成像光路光轴依次设置的成像单元、带通滤光片、主反射镜、次反射镜以及扫描反射镜，所述主反射镜中心为通孔；其中，主反射镜面型为凹的二次非球面，次反射镜面型为凸的球面或者凸的二次非球面，入射光依次经过扫描反射镜、主反射镜、次反射镜完成三次反射后再经主反射镜的中心通孔、带通滤光片出射至成像单元；所述入射光的光路与所述成像光路在30°～50°扫描视场时存在部分光路重叠以满足系统小型化；主反射镜面向次反射镜延伸设置有圆锥筒形主镜遮光罩，次反射镜面向主反射镜延伸设置有圆锥筒形次镜遮光罩，扫描反射镜边缘垂直延伸设置有遮光板。

基于上述基本方案，本发明还可作如下优化限定和改进：

所述扫描反射镜形状为长八边形或者为椭圆形。

在主镜遮光罩内还设置有校正镜，用以校正光学系统的球差和扩大系统视场。

扫描反射镜的材料为熔融石英材料JGS1，主反射镜的材料为熔融石英材料JGS1或者为微晶光学玻璃材料，次反射镜的材料为熔融石英材料JGS1或者为微晶光学玻璃材料，校正镜材料为轻冕光学玻璃材料H-QK3L，带通滤光片的材料为熔融石英材料JGS1或者为有色玻璃HB550、HB650。

主反射镜与次反射镜之间采用三杆连接方式，连接杆材料采用铟钢。

次反射镜的外围还设置有至少一级遮光筒。

主反射镜的表面顶点半径200mm～300mm；次反射镜的表面顶点半径35mm～80mm；校正镜采用弯月形凸透镜，焦距350mm<f'<600mm；

从扫面反射镜中心到成像单元的成像面的距离为180mm～220mm，主反射镜与次反射镜之间距离为70mm～90mm；

主镜遮光罩的尺寸为：从主反射镜表面顶点到主镜遮光罩末端长度为40mm～55mm；

次镜遮光罩的尺寸为：从次反射镜表面顶点到次镜遮光罩末端长度为8mm～15mm；