[发明专利]一种复合三视场星敏感器星图模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于天文导航技术领域，涉及一种使用计算机模拟复合三视场星敏感器成像过程获取模拟星图的技术。

背景技术

有效的姿态控制是卫星等航天器顺利飞行的必要保障，姿态测量则是姿态控制的前提，星敏感器以恒星为工作对象，通过对它们拍照并识别它们，进而测量出姿态信息，是目前精度最高的姿态测量仪器之一。目前主要使用单视场星敏感器，这类星敏感器通常有较大的视场角，容易受到太阳光等杂散光的影响，可靠性低。同时，滚动角的姿态测量精度低于俯仰角和偏航角。航天器往往需安装两个或两个以上的这类星敏感器，以保证获得较高的可靠性和测量精度。

多视场星敏感器将多个光学系统按照一定的空间分布排列组合成一个整体，每个光学系统分别将它们视场内的星空成像到各自的图像传感器上，它们的输出星图组合后开展星图识别，计算和输出姿态。与单视场星敏感器相比，多视场星敏感器各光学系统的视场小，易于获取更高的姿态测量精度。

目前复合三视场星敏感器星图模拟方法是，采用3个单视场星敏感器分别对星空模拟器拍照，输出星图。由于复合三视场星敏感器3个视场的光学系统满足一定的空间几何关系，并且它们的成像应保持同步，因此，这种模拟方法要求每个多星模拟器输出的模拟星空分别与复合三视场星敏感器3个视场观察到的星空一致，且能同步变换。该模拟方法的系统结构复杂，操作较繁琐。

《一种多视场星敏感器的星图识别方法》(公开号：CN 103363987A)，事实上是一种双视场的星图识别方法，其技术方案为把其它视场的恒星星像坐标转换到第一视场像空间坐标下，然后利用双视场星敏感器的星图识别方法进行识别。该方法重点在于实现星图识别时的实时性，对装置要求高，并且无法实现星图模拟。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：给出一种复合三视场星敏感器星图模拟方法，为研究复合三视场星敏感器的星像提取、导航星优选、星图识别等技术提供丰富的星图数据，为在复合三视场星敏感器光学系统设计阶段检验光学镜头成像质量提供技术支持。

本发明提出的一种复合三视场星敏感器星图模拟方法，包括如下步骤：

(1)首先，根据星敏感器的极限星等，从原始星表中选取星等不大于极限星等的单星、等效星等不大于极限星等的双星和最高星等不大于极限星等的变星，提取它们的星号、星等、赤经、赤纬等数据，建立观测星数据库。

(2)然后，确定复合三视场星敏感器3个光学系统视场中的观测星，并计算它们在所属的子系统坐标系中X和Y方向的入射角。

(3)接着，根据伪星总数，产生随机数据模拟伪星的星等、视场位置。

(4)通过光线追迹，模拟每个光学系统对各自视场内观测星和伪星的成像，计算像面信息。光学系统的光学面可以采用球面或非球面，设第j个光学面上任意一点坐标为(x_j,y_j,z_j)，j取1到η，η为光学面总数，坐标点满足

其中R_j为第j个光学面顶点的曲率半径，K_j为二次曲面系数，A_j,i为非球面系数，N_j为非球面系数的最高阶数，为坐标点到轴线的距离。这个公式决定了光学面的形状，称为光学面的面型函数。当K_j＝0，A_j,i都为0时，该光学面为球面。

该步骤的具体过程包括：

步骤1，根据入射光线的入射角和入射位置，计算入射到第1个光学面上光线的方向余弦矢量(l₁，m₁，p₁)。根据光线在入瞳上的位置，入瞳到第一个光学面的距离，以及第一个光学面面型函数，求出光线在第一个光学面上入射点的位置(x₁，y₁，z₁)。该步骤对应的j等于1。

步骤2，计算第j个光学面出射光线的方向余弦矢量，也即是光线入射到第j+1个光学面时的方向余弦矢量(l_j+1，m_j+1，p_j+1)。

步骤3，如果j<η，那么采用逼近算法，计算光线在第j+1个光学面上的入射点位置(x _j+1，y _j+1，z_j+1)，随后j增加1，重复步骤2。否则，执行步骤4。