[發明專利]一種全天時小型化恒星跟蹤光學系統

有效

• 申請號: 201310390501.0
• 申請日: 2013-08-30
• 公開（公告）號: CN103439792A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 王虎;薛要克;劉杰;劉陽;劉美瑩;林上民;楊少東;張潔
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B26/10;G02B17/06;G02B1/00;G01C21/02
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 胡樂

技術領域

本發明屬光學設計領域，涉及一種全天候利用恒星作為參照系進行導航定位的恒星跟蹤系統。

背景技術

目前在飛行器和艦船導航過程中，慣性陀螺是最為常用的導航設備，具有很高的瞬時姿態測量精度，但是長時間工作狀態下漂移較大，誤差隨著時間不斷的積累，需要外部信息源校正其誤差。而星敏感器利用天球坐標系中恒星的位置不變性來測量載體的運動參數，無姿態累積誤差，因此，星敏感器成為校正慣性導航測量誤差的最佳系統。慣性/星光組合導航將星光導航與慣性導航結合，優勢互補，從而實現長時間高精度導航。慣性/星光組合導航作為一種新型的導航技術也成為研究熱點方向。

慣性/星光組合導航中的星敏感器是各種姿態敏感器中姿態測量精度最高的敏感器之一，在航天工程中得到了廣泛的應用，但是用于全天時觀測的星敏感器光學系統卻很少，這是因為在大氣層內工作的星敏感器白天觀測恒星的最大困難是白天的天空背景輻射過強，造成的白天觀星的對比度比夜間要差10⁵倍，因此在夜間能觀測到的恒星在白天卻很難觀測到。

美國在上個世紀80年代末開展了具有全天時工作能力的星敏感器研究，美國Northrop公司研發的星光慣性導航系統采用3個視場角3°的望遠系統組合而成，聯合使用能夠觀測天頂30°范圍內的區域，該公司研發的第四代星敏感器口徑為50.8mm，并通過導航系統上部口徑228.6mm的窗口，可以觀測天頂95°范圍內的區域。2006年，美國Microcosm公司研發的DayStar系統，同樣采用3視場原理，同時觀測3個方向，其視場角30°，口徑為76mm。BLAST白天觀星采用大口徑長焦距的鏡頭，配合4英尺長得遮光罩進行白天觀測。

目前國內長光所在90年代利用口徑350mm，焦距3000mm的電影經緯儀進行了白天觀星實驗，可以在白天觀測到3等星，在星體探測能力上達到了國外80年代中期水平。該系統口徑達到了350mm，體積較大，重量較重，不適合在飛行器等對重量要求比較苛刻的場合使用。

我國的白天觀星能力較弱，小型化的全天時星敏感器光學技術更是幾乎空白，國外同類產品大多采用3個鏡頭同時進行觀測，系統硬件較為復雜。因此。發明一種用于全天時小型化恒星觀測的光學系統尤為迫切。

發明內容

為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發明目的提供了一種能夠實現全天時觀測的小型化恒星跟蹤光學系統。

本發明的技術解決方案：

一種全天時小型化恒星跟蹤光學系統，包括沿成像光路光軸依次設置的成像單元、帶通濾光片、主反射鏡、次反射鏡以及掃描反射鏡，所述主反射鏡中心為通孔；其中，主反射鏡面型為凹的二次非球面，次反射鏡面型為凸的球面或者凸的二次非球面，入射光依次經過掃描反射鏡、主反射鏡、次反射鏡完成三次反射后再經主反射鏡的中心通孔、帶通濾光片出射至成像單元；所述入射光的光路與所述成像光路在30°～50°掃描視場時存在部分光路重疊以滿足系統小型化；主反射鏡面向次反射鏡延伸設置有圓錐筒形主鏡遮光罩，次反射鏡面向主反射鏡延伸設置有圓錐筒形次鏡遮光罩，掃描反射鏡邊緣垂直延伸設置有遮光板。

基于上述基本方案，本發明還可作如下優化限定和改進：

所述掃描反射鏡形狀為長八邊形或者為橢圓形。

在主鏡遮光罩內還設置有校正鏡，用以校正光學系統的球差和擴大系統視場。

掃描反射鏡的材料為熔融石英材料JGS1，主反射鏡的材料為熔融石英材料JGS1或者為微晶光學玻璃材料，次反射鏡的材料為熔融石英材料JGS1或者為微晶光學玻璃材料，校正鏡材料為輕冕光學玻璃材料H-QK3L，帶通濾光片的材料為熔融石英材料JGS1或者為有色玻璃HB550、HB650。

主反射鏡與次反射鏡之間采用三桿連接方式，連接桿材料采用銦鋼。

次反射鏡的外圍還設置有至少一級遮光筒。

主反射鏡的表面頂點半徑200mm～300mm；次反射鏡的表面頂點半徑35mm～80mm；校正鏡采用彎月形凸透鏡，焦距350mm<f'<600mm；

從掃面反射鏡中心到成像單元的成像面的距離為180mm～220mm，主反射鏡與次反射鏡之間距離為70mm～90mm；

主鏡遮光罩的尺寸為：從主反射鏡表面頂點到主鏡遮光罩末端長度為40mm～55mm；

次鏡遮光罩的尺寸為：從次反射鏡表面頂點到次鏡遮光罩末端長度為8mm～15mm；