暗弱點(diǎn)狀目標(biāo)探測(cè)用亞角秒級(jí)大口徑緊湊型光學(xué)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用恒星作為參照系進(jìn)行導(dǎo)航定位的恒星定位定姿系統(tǒng)中或者暗弱點(diǎn)狀空間碎片探測(cè)系統(tǒng)中的超高精度光學(xué)結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種視軸姿態(tài)精度優(yōu)于亞角秒級(jí)、輕小型化程度較高的衛(wèi)星姿態(tài)控制與測(cè)量系統(tǒng)中或者空間碎片探測(cè)系統(tǒng)中的光學(xué)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]星敏感器主要用于衛(wèi)星、飛船、航天飛機(jī)、空間站的高精度姿態(tài)確定，也可用在火箭、導(dǎo)彈上進(jìn)行恒星制導(dǎo)和控制以及潛艇、船只的精確定位和測(cè)量，無(wú)論是白晝還是黑夜，只要天氣晴朗并安裝上星敏感器，就能夠攝得星圖，通過(guò)對(duì)這些星圖進(jìn)行識(shí)別，便可精確地測(cè)出正在行駛的飛行器或者船只在某一瞬間的準(zhǔn)確方位。
[0003]恒星的張角小于1/100角秒，可視為無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)光源，星敏感器星像點(diǎn)位置確定精度可達(dá)十分之一或幾十分之一個(gè)像元。由于天球坐標(biāo)系中恒星的位置不變，故而通過(guò)測(cè)量既定恒星的亮度、位置坐標(biāo)以及恒星間的相互關(guān)系來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在飛行器姿態(tài)控制方面，用星敏感器對(duì)飛行器平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能電池帆板和有效載荷進(jìn)行指向控制，從而控制飛行器沿著既定的軌道長(zhǎng)期穩(wěn)定的航行，并保證一定的飛行姿態(tài)。
[0004]美國(guó)加利福尼亞技術(shù)學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Lawrence W.Cassidy等人認(rèn)為星敏感器的測(cè)量誤差分為低頻誤差和高頻誤差。對(duì)星敏感器姿態(tài)測(cè)量誤差影響較大的是溫度變化引起透鏡組光學(xué)性能的變化的視軸漂移誤差，光學(xué)系統(tǒng)焦距誤差，光軸偏離誤差和焦平面傾斜誤差以及光學(xué)畸變校正殘留誤差引起的偏置誤差等低頻誤差，以及由時(shí)間噪聲引起的導(dǎo)航星位置估測(cè)誤差引起的高頻誤差。
[0005]其中，低頻誤差是指星敏感器的機(jī)械機(jī)構(gòu)、光學(xué)鏡頭、感光元件、與衛(wèi)星的連接等部分都會(huì)隨溫度產(chǎn)生緩慢和周期性的變化而產(chǎn)生的誤差。低頻誤差中最主要的部分是焦距的測(cè)量誤差及受熱變化，1ym以上的焦距變化就有可能使星敏感器姿態(tài)產(chǎn)生秒量級(jí)的測(cè)量誤差。高頻誤差是由于探測(cè)器和電路噪聲、亞像元算法等造成的誤差。
[0006]因此，光學(xué)系統(tǒng)是星敏感器的重要組成部分，它的性能制約著星敏感器的測(cè)量精度。
[0007]目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于星敏感器的研宄比較多，但絕大多數(shù)精度較低。相對(duì)于世界先進(jìn)水平，我國(guó)的空間敏感器總體研制水平還比較落后。主要體現(xiàn)在:精度較低，國(guó)外的星敏感器精度可達(dá)0.18〃以?xún)?nèi)，國(guó)內(nèi)目前只能達(dá)到5〃左右。
[0008]例如，美國(guó)洛克馬丁公司的AST-301星敏感器視軸姿態(tài)精度為0.18"，美國(guó)PEC的CXD星敏感器和法國(guó)SODERN公司SEA04星敏感器視軸姿態(tài)精度都小于I "，德國(guó)耶那ASTRO-5CXD以及ASTRO-APS星敏感器視軸姿態(tài)精度都為I"。但這些星敏感器的光學(xué)系統(tǒng)都為透射式，焦距較短，主要通過(guò)減小高頻誤差，提高質(zhì)心算法精度來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的測(cè)量精度，如AST-301星敏感器采用亞像素細(xì)分技術(shù)，質(zhì)心誤差可以降低到1/50像素。意大利伽利略公司STR星跟蹤器采用折反式光學(xué)系統(tǒng)，焦距為120mm，而其最終視軸姿態(tài)精度未見(jiàn)報(bào)道。
[0009]通過(guò)減小星敏感器的低頻誤差，同樣也能實(shí)現(xiàn)亞角秒級(jí)的探測(cè)精度。光學(xué)系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性及高像質(zhì)可以有效減小低頻誤差。
[0010]此外，考慮到衛(wèi)星平臺(tái)尺寸及發(fā)射成本的限制，需要星敏感器體積小、質(zhì)量輕，由于光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸和質(zhì)量占星敏感器的絕大部分，故而光學(xué)系統(tǒng)的緊湊、輕小型化直接影響星敏感器的外形體積和質(zhì)量。
[0011]因此，亞角秒級(jí)大口徑緊湊型星敏感器的核心技術(shù)之一在于超高精度輕小型化的光學(xué)系統(tǒng)。目前國(guó)外沒(méi)有高精度光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)資料的報(bào)道，國(guó)內(nèi)也尚無(wú)此類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)。
[0012]另外，在空間碎片監(jiān)視方面，根據(jù)美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)(Space SurveillanceNetwork，SSN)的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示:截止2012年7月4日，在地球軌道上，尺寸大于1cm編目空間目標(biāo)(衛(wèi)星、空間碎片等)的總數(shù)為16399個(gè)，各類(lèi)用途衛(wèi)星已達(dá)3499顆，其中正常運(yùn)行的航天器只占約21%，其余79%均為空間碎片，直徑在I?1cm之間的碎片數(shù)量約為幾十萬(wàn)個(gè)，而且空間碎片以每年大約3%的速度急劇增長(zhǎng)。北京時(shí)間2009年2月11日00:55，美國(guó)銥星公司的銥33衛(wèi)星(SSC編目24946)與俄羅斯報(bào)廢的宇宙2251衛(wèi)星(SSC編目24946)相撞，引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。到2009年3月，碰撞事件已經(jīng)產(chǎn)生784個(gè)可編目碎片，預(yù)計(jì)可編目碎片將超過(guò)1000個(gè)。
[0013]對(duì)于大小在30cm以下的皮衛(wèi)星、空間碎片等目標(biāo)，目前的地基設(shè)備不具備監(jiān)測(cè)能力。隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，小于30cm甚至1cm的衛(wèi)星大量出現(xiàn)。
[0014]平均尺寸1cm以上的空間碎片破壞性是最大的，但這類(lèi)大尺度碎片可通過(guò)地基雷達(dá)和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等探測(cè)手段進(jìn)行監(jiān)視、跟蹤、定軌，采取軌道規(guī)避策略避免碰撞的發(fā)生。目前已基本通過(guò)地基探測(cè)可對(duì)LEO軌道尺寸1cm以上和GEO軌道尺寸0.5m以上的碎片進(jìn)行跟蹤、定軌和編目。
[0015]然而，現(xiàn)有技術(shù)條件下，對(duì)于尺寸在1cm以下的碎片，在地面無(wú)法有效跟蹤觀測(cè)，只能通過(guò)天基觀測(cè)和在軌飛行實(shí)驗(yàn)的回收結(jié)果進(jìn)行分析，建立空間碎片環(huán)境模型，計(jì)算得到碎片參數(shù)隨時(shí)空的分布變化情況，這部分空間碎片只能采取被動(dòng)防護(hù)技術(shù)進(jìn)行防護(hù)。
[0016]空間碎片天基光學(xué)監(jiān)視由于其所具有的能耗低、精度高以及易于小型化實(shí)現(xiàn)等方面的優(yōu)勢(shì)而更具有發(fā)展?jié)摿?。?duì)于遠(yuǎn)距離的小尺寸空間碎片可看作成暗弱點(diǎn)狀目標(biāo)。暗弱點(diǎn)狀目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)需要采用大口徑光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)于有大口徑要求的光學(xué)系統(tǒng)，有許多種形式能滿足任務(wù)要求，如折射系統(tǒng)，折反射系統(tǒng)，離軸的全反射系統(tǒng)。
[0017]對(duì)于離軸的全反射系統(tǒng)，由于有離軸非球面，加工周期長(zhǎng)，費(fèi)用也較高，因而盡量避免應(yīng)用。對(duì)于折射系統(tǒng)，也有許多形式可以滿足這一要求，如Petzval型物鏡、Sonnar型物鏡、雙高斯物鏡、遠(yuǎn)攝型物鏡等。但是，由于暗弱點(diǎn)狀目標(biāo)的光譜范圍很寬，焦距也較大，為了校正二級(jí)光譜，則光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度會(huì)較長(zhǎng)，超過(guò)200mm，有些甚至達(dá)到了 350mm;而且由于系統(tǒng)的孔徑較大，使用的透鏡的片數(shù)較多(不少于七片)，這樣導(dǎo)致系統(tǒng)的重量較大；另夕卜，折射系統(tǒng)受溫度梯度的影響較大，航天環(huán)境適應(yīng)性較差。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0018]為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種測(cè)量精度優(yōu)于亞角秒級(jí)、光學(xué)口徑與光學(xué)總長(zhǎng)相當(dāng)、結(jié)構(gòu)緊湊、適宜對(duì)空間暗弱點(diǎn)狀目標(biāo)探測(cè)的超高精度大口徑緊湊型光學(xué)結(jié)構(gòu)。
[0019]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:
[0020]本實(shí)用新型提供了一種暗弱點(diǎn)狀目標(biāo)探測(cè)用亞角秒級(jí)大口徑緊湊型光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特殊之處在于:包括鏡筒以及設(shè)置在鏡筒內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)和像面；光學(xué)系統(tǒng)包括軸心在同一直線上依次排列的第一孔徑校正鏡、次反射鏡、第二孔徑校正鏡、第一視場(chǎng)校正鏡、第二視場(chǎng)校正鏡以及主反射鏡；第一孔徑校正鏡和第二視場(chǎng)校正鏡為雙凸球面透鏡，第二孔徑校正鏡和第一視場(chǎng)校正鏡為負(fù)彎月球面透鏡，主反射鏡面型為凹的球面；所述次反射鏡貼覆于第一孔徑校正鏡的側(cè)面，次反射鏡在第一孔徑校正鏡側(cè)面的覆蓋范圍應(yīng)滿足成像要求；所述主反射鏡的中心開(kāi)設(shè)有圓孔，第一視場(chǎng)校正鏡和第二視場(chǎng)校正鏡設(shè)置于圓孔開(kāi)口所限定的范圍；所述像面位于主反射鏡的側(cè)面中心；
[0021]所述第一孔徑校正鏡、第二孔徑校正鏡以及主反射鏡的光學(xué)材料相同；所述鏡筒的熱膨脹系數(shù)與第一孔徑校正鏡、第二孔徑校正鏡以及主反射鏡的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)。
[0022]上述次反射鏡面向第二孔徑校正鏡延伸設(shè)置有葵花盤(pán)式的次鏡遮光罩；所述主反射鏡面向第二孔徑校正鏡延伸設(shè)置有圓錐筒形的主鏡遮光罩，第一視場(chǎng)校正鏡以及第二視場(chǎng)校正鏡設(shè)置于主鏡遮光罩內(nèi)部。
[0023]上述第一孔徑校正鏡以及次反射鏡的中心開(kāi)設(shè)有直徑小于次反射鏡口徑的通孔；所述次鏡遮光罩包括與通孔的形狀尺寸匹配的安裝柄，次鏡遮光罩通過(guò)通孔和安裝柄連接于次反射鏡和第一孔徑校正鏡。
[0024]上述暗弱點(diǎn)狀目標(biāo)探測(cè)用亞角秒級(jí)大口徑緊湊型光學(xué)結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在次反射鏡上的孔徑光闌。
[0025]上述第一孔徑校正鏡的光學(xué)特性為:
[0026]2.5f < f/ < 5f ,1.4 < ^< 1.7^^0.Sf/ ,0.Sf1 r < R2< f / ；
[0027]所述第二孔徑校正鏡的光學(xué)特性為:
[0028]-8f' <f2’<-5f,，1.4 < η2< 1.7，0.15f2, < R3< 0.25f 2r，0.2f2, < R4< 0.5f2'；
[0029]所述第一視場(chǎng)校正鏡的光學(xué)特性為:
[0030]-0.5f < f3，<-0.25f,，1.4 < n3< 1.8，-0.3fV < R6<-f3,，-0.2f3' < R7
<_fV ；
[0031]所述第二視場(chǎng)校正鏡的光學(xué)特性為:
[0032]