專利名稱：一種高精度低成本星光模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度低成本星光模擬器，適用于天文導(dǎo)航系統(tǒng)的理論方法和工程應(yīng)用技術(shù)研究以及星敏感器的性能驗(yàn)證。
背景技術(shù)：
隨著自主天文導(dǎo)航技術(shù)的日趨成熟，測(cè)姿精度高的星敏感器倍受青睞，它可敏感天球上不同位置的恒星星圖，通過(guò)星圖識(shí)別算法識(shí)別敏感星圖中的恒星，并利用恒星位置來(lái)確定飛行器的姿態(tài)。但對(duì)星敏感器的性能測(cè)試和星圖識(shí)別算法的軟件測(cè)試，由于航天實(shí)驗(yàn)費(fèi)用大，往往不可能進(jìn)行實(shí)時(shí)星空拍攝，因此為檢驗(yàn)星圖識(shí)別算法和星敏感器性能，通常采用星光模擬器，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)在地面上模擬星空。目前，國(guó)內(nèi)外在星光模擬器的研制方面，主要集中在星光模擬器的精度、速度和成本上。國(guó)外在此方面較為成熟，一般主要利用基于星光角距的導(dǎo)航星選取方法，通過(guò)價(jià)格昂貴的高精度、高分辨率的液晶光閥以及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的星光模擬，但由于采用星光角距選星及液晶光閥模擬，存在星光模擬速度慢、價(jià)格高的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)，目前已有多家單位在研制方面起步較早，但同國(guó)外仍有差距；它們大都從國(guó)外引進(jìn)昂貴的液晶光閥，完成星光模擬，也有些單位直接利用筆記本模擬星圖?？傊?，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有在性能和價(jià)格上比較完備的星光模擬器，本發(fā)明針對(duì)此提出了一種快速的高精度、低成本的星光模擬器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有星光模擬器在星光模擬的精度、速度和成本等方面的不足，構(gòu)建一種精度高、速度快、成本低的星光模擬器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種高精度低成本星光模擬器，由星圖模擬計(jì)算機(jī)、分頻器、顯示設(shè)備、光源系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)、平行光管組成，其中光源系統(tǒng)主要由凹透鏡和面光源組成，星圖模擬計(jì)算機(jī)裝有星圖模擬算法和基本星表；星圖模擬計(jì)算機(jī)采用星圖模擬算法從基本星表中檢索出特定視軸和視場(chǎng)下的所有導(dǎo)航星，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，計(jì)算每顆導(dǎo)航星在液晶顯示系統(tǒng)的映射位置，再通過(guò)分頻器一部分輸出到顯示設(shè)備進(jìn)行直觀顯示，另一部分在光源系統(tǒng)的面光源作用下，以一定星體大小和灰度等級(jí)在液晶顯示系統(tǒng)中顯示恒星的分布情況，將液晶顯示系統(tǒng)的顯示板置于平行光管的焦平面上，這樣即可真實(shí)地模擬在特定視場(chǎng)和視軸下無(wú)窮遠(yuǎn)處的平行星光。
星圖模擬計(jì)算機(jī)裝入的星圖模擬算法包括快速導(dǎo)航星選取算法、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊，它具有靜態(tài)星圖模擬和動(dòng)態(tài)星圖模擬功能；靜態(tài)模擬功能可設(shè)定模擬天區(qū)中心的赤經(jīng)、赤緯值，并且可將光軸設(shè)置成抖動(dòng)方式，光軸抖動(dòng)的范圍根據(jù)飛行器橫滾角度的情況設(shè)置；動(dòng)態(tài)模擬功能需要導(dǎo)入飛行器運(yùn)行的軌跡數(shù)據(jù)，可設(shè)置星圖模擬速度、星圖模擬器的視場(chǎng)范圍、星灰度值、星體大小、視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角、基本星表中檢索導(dǎo)航星的星等值等。
快速導(dǎo)航星選取算法采用幾何和投影原理，根據(jù)當(dāng)前視軸的赤緯值，結(jié)合視場(chǎng)的大小，利用截面圓和固定區(qū)域求解赤經(jīng)跨度的方法確定選取導(dǎo)航星條件，從而完成從基本星表中快速選取導(dǎo)航星。利用截面圓和固定區(qū)域求解赤經(jīng)跨度方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟為設(shè)平行光管(6)視場(chǎng)為FOVx×FOVy，通過(guò)其看到天球上的區(qū)域S的寬為W，高為H，當(dāng)前視軸指向?yàn)?αh，δ0)，赤緯等于δ0的赤緯圈稱為截面圓，截面圓的半徑r＝Rsin(90°-δ0)，其中R為天球的半徑，實(shí)際計(jì)算時(shí)記為單位長(zhǎng)度，截面圓的周長(zhǎng)L＝2Pi×r＝2Pi×Rcos(δ0)。則區(qū)域S所覆蓋截面圓的弧長(zhǎng)即在此赤緯下的赤經(jīng)跨度Rg為 基本星表可采用Tycho2基本星表、J2000基本星表或者SAO基本星表；為提高檢索速度，其中基本星表的恒星星等亮于七等星，這些恒星的位置信息經(jīng)過(guò)精確的修正達(dá)到0.1角秒(3σ)精度。
液晶顯示系統(tǒng)由低成本、高分辨率的液晶顯示板和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路組成，液晶顯示板安裝在平行光管的焦平面上，做一定程度的離焦處理，實(shí)現(xiàn)有效的星光模擬顯示，驅(qū)動(dòng)電路的核心部件采用FPGA，利用FPGA執(zhí)行效率高、驅(qū)動(dòng)液晶顯示板簡(jiǎn)單方便，存取顯示數(shù)據(jù)速度快等特點(diǎn)，在顯示板上實(shí)現(xiàn)高效的恒星空間分布；液晶顯示板的顯示面同光源系統(tǒng)的面光源的面相平行，同平行光管(6)的光軸相垂直；平行光管(6)采用小畸變，平像場(chǎng)，復(fù)消色差的成像器件；其光學(xué)系統(tǒng)表面鍍了高質(zhì)量的增透膜，光路內(nèi)做了強(qiáng)的防雜光處理，同時(shí)平行光管(6)的內(nèi)側(cè)面涂黑且植絨毛增強(qiáng)吸收雜散光的能力，避免了平行光經(jīng)平行光管(6)內(nèi)側(cè)面反射產(chǎn)生雜光；平行光管(6)的光軸垂直液晶顯示板的顯示面，且過(guò)其顯示面中心。
本發(fā)明的原理是利用星圖模擬計(jì)算機(jī)(1)中的星圖模擬算法，從基本星表中檢索出特定視軸和視場(chǎng)下的所有導(dǎo)航星，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，計(jì)算每顆導(dǎo)航星在液晶顯示系統(tǒng)的映射位置；通過(guò)分頻器一部分輸出到顯示設(shè)備直觀顯示，另一部分在光源系統(tǒng)的面光源作用下，以一定星體大小和灰度等級(jí)在液晶顯示系統(tǒng)中顯示恒星的分布情況，將液晶顯示系統(tǒng)的顯示板置于平行光管的焦平面上，這樣即可真實(shí)地模擬在特定視場(chǎng)和視軸下無(wú)窮遠(yuǎn)處的平行星光。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于保留了傳統(tǒng)星光模擬器簡(jiǎn)單，易于參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化和工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了傳統(tǒng)星光模擬器模擬精度較低、速度慢和成本高的缺點(diǎn)，構(gòu)建了一種精度高、成本低和模擬速度快的星光模擬器，它具有以下的優(yōu)點(diǎn)(1)星圖模擬計(jì)算機(jī)中的高精度星圖模擬算法具有靜態(tài)星圖的高精度模擬和動(dòng)態(tài)星圖的高精度模擬功能；(2)快速導(dǎo)航星選取算法采用幾何和投影原理，利用截面圓和固定區(qū)域求解赤經(jīng)跨度的方法確定選取導(dǎo)航星條件，而不用星光角距信息，這可大大提高星光模擬的速度；(3)液晶顯示系統(tǒng)由低成本、高分辨率的液晶顯示板和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路組成，液晶顯示板安裝在平行光管的焦平面上，做一定程度的離焦處理，實(shí)現(xiàn)有效的高精度星光模擬顯示，同時(shí)大大降低了成本；(4)平行光管采用小畸變，平像場(chǎng)，復(fù)消色差的成像器件；其光學(xué)系統(tǒng)表面鍍了高質(zhì)量的增透膜，光路內(nèi)做了強(qiáng)的防雜光處理，同時(shí)平行光管的內(nèi)側(cè)面涂黑且植絨毛增強(qiáng)吸收雜散光的能力，避免了平行光經(jīng)平行光管內(nèi)側(cè)面反射產(chǎn)生雜光；平行光管的光軸垂直液晶顯示板的顯示面，且過(guò)其顯示面中心。


圖1為本發(fā)明的的結(jié)構(gòu)框架圖；圖2為本發(fā)明中的星圖模擬算法流程圖；圖3為本發(fā)明中的一種利用截面圓和固定區(qū)域求解赤經(jīng)跨度進(jìn)行導(dǎo)航星選取的流程圖；圖4為本發(fā)明中的一種平行光管產(chǎn)生平行光原理圖；圖5為本發(fā)明中的光源系統(tǒng)、液晶顯示板和平行光管的安裝圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括星圖模擬計(jì)算機(jī)1、分頻器2、顯示設(shè)備3、光源系統(tǒng)4、液晶顯示系統(tǒng)5、平行光管6，其中光源系統(tǒng)4由凹透鏡和面光源組成；星圖模擬計(jì)算機(jī)1裝有星圖模擬算法11和基本星表12；星圖模擬計(jì)算機(jī)1，采用星圖模擬算法11，從基本星表12中檢索出特定視軸和視場(chǎng)下的所有導(dǎo)航星，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，計(jì)算每顆導(dǎo)航星在液晶顯示系統(tǒng)5的映射位置；通過(guò)分頻器2，一部分輸出到顯示設(shè)備3直觀顯示，另一部分在光源系統(tǒng)4的面光源作用下，以一定星體大小和灰度等級(jí)在液晶顯示系統(tǒng)5中顯示恒星的分布情況；將液晶顯示系統(tǒng)5的顯示板置于平行光管6的焦平面上，這樣即可真實(shí)地模擬在特定視場(chǎng)和視軸下無(wú)窮遠(yuǎn)處的平行星光。
如圖2所示，本發(fā)明的星圖模擬算法11流程為算法初始化后進(jìn)行飛行器運(yùn)行周期設(shè)置，判斷是否進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，如是則直接進(jìn)行快速導(dǎo)航星選取，否則進(jìn)行視場(chǎng)大小設(shè)置；設(shè)定液晶顯示系統(tǒng)5的旋轉(zhuǎn)角，并輸入天區(qū)中心的赤經(jīng)和赤緯，后進(jìn)行快速導(dǎo)航星選取，結(jié)合基本星表12完成檢索結(jié)果的輸出；將輸出的信息根據(jù)坐標(biāo)變換原理，求解出每顆導(dǎo)航星在顯示平面上的映射位置，星體顯示屬性可進(jìn)行有效性設(shè)置；之后判斷是否完成模擬，如完成則算法結(jié)束，否則返回到飛行器運(yùn)行周期設(shè)置，進(jìn)行下一循環(huán)的模擬。
如圖3所示，本發(fā)明中的導(dǎo)航星快速選取算法采用幾何和投影原理，根據(jù)當(dāng)前視軸的赤緯值，結(jié)合視場(chǎng)的大小，利用截面圓和固定區(qū)域求解赤經(jīng)跨度的方法確定選取導(dǎo)航星條件，從而完成從基本星表12中快速選取導(dǎo)航星。具體實(shí)現(xiàn)為設(shè)平行光管6的視場(chǎng)為FOVx×FOVy，通過(guò)其看到天球上的區(qū)域S的寬為W，高為H，當(dāng)前視軸指向?yàn)?αh，δ0)，赤緯等于δ0的赤緯圈稱為截面圓，截面圓的半徑r＝Rsin(90°-δ0)，其中R為天球的半徑，實(shí)際計(jì)算時(shí)記為單位長(zhǎng)度，截面圓的周長(zhǎng)L＝2Pi×r＝2Pi×Rcos(δ0)。則區(qū)域S所覆蓋截面圓的弧長(zhǎng)即在此赤緯下的赤經(jīng)跨度Rg為 赤經(jīng)跨度求解出來(lái)后，即可進(jìn)行導(dǎo)航星的選取設(shè)光軸方向?yàn)?α0，δ0)，根據(jù)赤緯δ0通過(guò)上述方法確定的赤經(jīng)跨度為Rg，則觀測(cè)星的選取方法如下假設(shè)某一顆恒星的赤經(jīng)、赤緯值為(α，δ)，則只要α，δ值滿足以下條件，就可將其選為觀測(cè)星。
|α-α0|≤Range2)∩(|δ-δ0|)≤FOVy2),Range2≤α0<360-Range2(|δ-δ0|≤FOVy2)∩((α>α0-Range2)∪(α≤α0+Range2-360)),α0≥360-Range2(|δ-δ0|≤FOVy2)∩((α≤α0+Range2)∪(α≥α0-Range2+360)),α0<Range2]]>根據(jù)上面公式即可完成導(dǎo)航星的快速選取。
如圖4所示，本發(fā)明的液晶顯示系統(tǒng)5由低成本、高分辨率的液晶顯示板和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)板組成，液晶顯示板安裝在平行光管6的焦平面上，做一定程度的離焦處理，實(shí)現(xiàn)有效的星光模擬顯示，驅(qū)動(dòng)電路的核心部件采用FPGA，利用FPGA執(zhí)行效率高、驅(qū)動(dòng)液晶顯示板簡(jiǎn)單方便，存取顯示數(shù)據(jù)速度快等特點(diǎn)，在顯示板上實(shí)現(xiàn)高效的恒星空間分布；液晶顯示板的顯示面同光源系統(tǒng)5的面光源的面相平行，同平行光管6的光軸相垂直。根據(jù)光學(xué)原理，將模擬星圖的液晶顯示板放置在鏡頭的焦平面61上，光源上的每一個(gè)光點(diǎn)(如A點(diǎn))將通過(guò)透鏡產(chǎn)生一組平行光62，而且該組平行光的方向均平行于通過(guò)該光點(diǎn)和鏡頭中心的光線63。
平行光管6采用小畸變，平像場(chǎng)，復(fù)消色差的成像器件，其光學(xué)系統(tǒng)表面64鍍了高質(zhì)量的增透膜，光路內(nèi)做了強(qiáng)的防雜光處理，同時(shí)平行光管的內(nèi)側(cè)面65涂黑且植絨毛增強(qiáng)吸收雜散光的能力避免了平行光經(jīng)平行光管6內(nèi)側(cè)面反射產(chǎn)生雜光。
如圖5所示，本發(fā)明的光源系統(tǒng)4、液晶顯示板和平行光管6的安裝，要求光源系統(tǒng)4面光源的面同液晶顯示板的顯示面相平行，平行光管6的光軸垂直這兩個(gè)面，且過(guò)這兩個(gè)面的中心；本發(fā)明為了使液晶顯示板受光均勻，在面光源的前端安裝一個(gè)凹透鏡，將面光源安置在凹透鏡的焦平面上，B為凹透鏡的焦點(diǎn)；凹透鏡的高度h同液晶顯示板上的有效顯示面相一致，距離d根據(jù)星光模擬時(shí)所要求的模擬最暗恒星的能量確定。
本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的
權(quán)利要求
1.一種高精度低成本星光模擬器，其特征在于包括星圖模擬計(jì)算機(jī)(1)、分頻器(2)、顯示設(shè)備(3)、光源系統(tǒng)(4)、液晶顯示系統(tǒng)(5)、平行光管(6)，星圖模擬計(jì)算機(jī)(1)內(nèi)裝有基本星表(12)，它通過(guò)星圖模擬算法(11)從基本星表(12)中快速檢索出特定視軸和視場(chǎng)下的所有導(dǎo)航星，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，計(jì)算每顆導(dǎo)航星在液晶顯示系統(tǒng)(5)的映射位置，再通過(guò)分頻器(2)一部分輸出到顯示設(shè)備(3)直觀顯示，另一部分在光源系統(tǒng)(4)作用下，以一定星體大小和灰度等級(jí)在液晶顯示系統(tǒng)(5)中顯示恒星的分布情況，將液晶顯示系統(tǒng)(5)的顯示板置于平行光管(6)的焦平面上，即可真實(shí)地模擬在特定視場(chǎng)和視軸下無(wú)窮遠(yuǎn)處的平行星光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低成本星光模擬器，其特征在于所述的星圖模擬算法(11)包括快速導(dǎo)航星選取算法、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊，它具有靜態(tài)星圖和動(dòng)態(tài)星圖模擬功能，初始化后進(jìn)行飛行器運(yùn)行周期設(shè)置，判斷是否進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，即設(shè)置星圖模擬速度、星圖模擬器的視場(chǎng)范圍、星灰度值、星體大小、視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角、基本星表(12)中檢索導(dǎo)航星的星等值；如果是則直接進(jìn)行快速導(dǎo)航星選取算法；如果不進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，則進(jìn)行視場(chǎng)大小設(shè)置、設(shè)定液晶顯示系統(tǒng)(5)的旋轉(zhuǎn)角，并輸入天區(qū)中心的赤經(jīng)和赤緯后再進(jìn)行快速導(dǎo)航星選取算法，再結(jié)合基本星表(12)完成檢索結(jié)果的輸出，并將輸出的信息根據(jù)坐標(biāo)變換原理，求解出每顆導(dǎo)航星在顯示平面上的映射位置，星體顯示屬性可進(jìn)行有效性設(shè)置；之后判斷是否完成模擬，如完成則算法結(jié)束，否則返回到飛行器運(yùn)行周期設(shè)置，進(jìn)行下一循環(huán)的模擬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度低成本星光模擬器，其特征在于所述的快速導(dǎo)航星選取算法采用幾何和投影原理，根據(jù)當(dāng)前視軸的赤緯值，結(jié)合視場(chǎng)的大小，利用截面圓和固定區(qū)域求解赤經(jīng)跨度的方法確定選取導(dǎo)航星條件，從而完成從基本星表(12)中快速選取導(dǎo)航星。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度低成本星光模擬器，其特征在于所述的利用截面圓和固定區(qū)域求解赤經(jīng)跨度方法為設(shè)平行光管(6)的視場(chǎng)為FOVx×FOVy，通過(guò)其看到天球上的區(qū)域S的寬為W，高為H，當(dāng)前視軸指向?yàn)?αh，δ0)，赤緯等于δ0的赤緯圈稱為截面圓，截面圓的半徑r＝Rsin(90°-δ0)，其中R為天球的半徑，實(shí)際計(jì)算時(shí)記為單位長(zhǎng)度，截面圓的周長(zhǎng)L＝2Pi×r＝2Pi×Rcos(δ0)。則區(qū)域S所覆蓋截面圓的弧長(zhǎng)即在此赤緯下的赤經(jīng)跨度Rg為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本星光模擬器，其特征在于所述的基本星表(12)采用Tycho2基本星表、或J2000基本星表或者SAO基本星表，其中基本星表的恒星星等亮于七等星，這些恒星的位置信息經(jīng)過(guò)精確的修正達(dá)到0.1角秒精度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本星光模擬器，其特征在于所述的液晶顯示系統(tǒng)(5)由低成本、高分辨率的液晶顯示板和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)板組成，液晶顯示板安裝在平行光管(6)的焦平面上，做一定程度的離焦處理，實(shí)現(xiàn)有效的星光模擬顯示，驅(qū)動(dòng)電路的核心部件采用FPGA，利用FPGA執(zhí)行效率高、驅(qū)動(dòng)液晶顯示板簡(jiǎn)單方便，存取顯示數(shù)據(jù)速度快等特點(diǎn)，在顯示板上實(shí)現(xiàn)高效的恒星空間分布；液晶顯示板的顯示面同光源系統(tǒng)(5)的面光源的面相平行，同平行光管(6)的光軸相垂直。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低成本星光模擬器，其特征在于所述的平行光管(6)采用小畸變，平像場(chǎng)，復(fù)消色差的成像器件，其光學(xué)系統(tǒng)表面鍍了高質(zhì)量的增透膜，光路內(nèi)做了強(qiáng)的防雜光處理，同時(shí)平行光管(6)的內(nèi)側(cè)面涂黑且植絨毛增強(qiáng)吸收雜散光的能力；平行光管的光軸垂直液晶顯示板的顯示面，且過(guò)其顯示面中心。
全文摘要
一種高精度低成本星光模擬器，由星圖模擬計(jì)算機(jī)、分頻器、顯示設(shè)備、光源系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)、平行光管組成，其中光源系統(tǒng)主要由凹透鏡和面光源組成，星圖模擬計(jì)算機(jī)裝有星圖模擬算法和基本星表；星圖模擬計(jì)算機(jī)采用星圖模擬算法從基本星表中檢索出特定視軸和視場(chǎng)下的所有導(dǎo)航星，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，計(jì)算每顆導(dǎo)航星在液晶顯示系統(tǒng)的映射位置，再通過(guò)分頻器一部分輸出到顯示設(shè)備進(jìn)行直觀顯示，另一部分在光源系統(tǒng)的面光源作用下，以一定星體大小和灰度等級(jí)在液晶顯示系統(tǒng)中顯示恒星的分布情況，將液晶顯示系統(tǒng)的顯示板置于平行光管的焦平面上，這樣即可真實(shí)地模擬在特定視場(chǎng)和視軸下無(wú)窮遠(yuǎn)處的平行星光。本發(fā)明的精度高、成本低，對(duì)天文導(dǎo)航系統(tǒng)的研制具有重要價(jià)值。
文檔編號(hào)G01C21/02GK1912547SQ20061011252
公開(kāi)日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2006年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月23日
發(fā)明者房建成, 全偉, 徐帆, 劉百奇, 楊勝 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)