航空导航白天星敏感器技术研究及光学系统优化设计

【类型】学位论文

【作者】王天聪 

【关键词】 天文导航 白天星敏感器 白天星敏感器探测能力 系统信噪比调制对比度

【摘要】GPS导航，天文导航和惯性导航是现今主要的三种导航模式。其中GPS的导航精度最高，但GPS高精度导航技术掌握在发达国家手中，并且具有高隐蔽性、高可靠性要求的导航任务也不能依赖GPS导航模式。惯性导航短时间具有很高的精度，但是长时间积累后漂移很大，精度受影响，并且惯性导航对初始位置的精度要求也非常高。天文导航精度仅次于GPS的导航精度，而且恒星位置稳定，可靠性非常高。近年来，天文导航和天文校正惯性导航的导航方式越来越受到重视，成为高可靠性，高精度导航的一种发展趋势。天文导航的相关原理和算法都已经是成熟技术，实现天文导航的关键就在于能否在白天天空背景下观测到目标恒星，白天对恒星的观测要依靠白天星敏感器，那么，白天星敏感器的研制就成为天文导航的核心技术。本文的目的就是研究白天星敏感器的探测原理和设计可用于航空导航的白天星敏感器光学系统。本文首先对天文导航及白天星敏感器进行了调研，介绍了几种天文导航的方式，特点，工作原理及天文导航的主要设备，分析了国内外的发展现状和发展趋势。阐述了研究背景和研究意义。随后重点介绍了恒星在像平面位置坐标转换到地理坐标系下的坐标来确定自身位置和姿态的原理和方法。星敏感器是天文导航的关键器件，传统星敏感器是工作在冷黑背景条件下的太空中，都采用较大相对孔径，以便能够更多的收集光线。但是白天天空背景下，星敏感器的星点和背景环境发生了变化。本文分析了强天空背景条件下，光学系统收集星点和背景光能量的能力与入瞳大小和相对孔径大小的关系。并利用黑体辐射物体辐出射能力之间的关系，推导出普遍适用于计算各类型、各视星等恒星全谱段内光谱辐照度的计算模型。并对白天星敏感器光学系统与电子学系统整体成像信噪比和调制对比度进行建模，分析了白天天空背景条件下，入瞳直径、焦距、相对孔径、光谱滤光等光学系统参数对系统信噪比和调制对比度的影响。进一步分析了CCD噪声、积分时间等电子学参数对系统信噪比和调制对比度的影响，分析了系统的极限星等探测能力。通过系统的分析，得出了白天星敏感器地面原理样机光学系统的指标要求。根据光学系统的指标要求设计了光学系统，对CCD进行选型，分析了光学系统的MTF、像差特性、点列图以及能量集中度。对机械结构进行了详细设计，优化设计了系统的消杂光结构。并在光、机部件加工、装调完成后，用干涉仪检测了光学系统波像差，用传递函数仪对系统MTF进行测定，对整机进行装调实验。完成系统的装调后，用该系统在地面观测高度上全白天天空背景条件下进行了对北极星的观测实验，证明该地面原理样机系统在全白天背景下可以很好的对北极星成像。并利用实验数据对理论模型进行了验证，证明本文所推导的理论模型正确、合理。地面原理样机的体积较大，无法适应飞行器上使用需求。但地面天空背景亮度要远大于高空天空背景亮度，从而使白天星敏感器有了小型化的可能。所以本文根据航空载体的需求，利用被证明合理可行的理论模型，计算了不同观测高度的天空背景亮度变化情况，分析了一般巡航飞行高度8000m上，小型化白天星敏感器对光学系统和焦平面传感器的指标要求，并设计了光学系统结构。本文还提出一种小型化的百叶窗式次镜遮光罩加筒内叶片的新型消杂光结构，可以不增加系统遮拦比和系统体积的前提下，很好的抑制杂散光。适用于高空观测的白天星敏感器在地面的观星能力要受到一定影响。本文还在最后对小型化白天星敏感器在地面高度上对北极星的探测能力做了分析。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中国科学院研究生院

【学位授予年度】2016

【导师姓名】金光

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