暗弱点状目标探测用亚角秒级大口径紧凑型光学结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光学设计技术领域，涉及一种利用恒星作为参照系进行导航定位的恒星定位定姿系统中或者暗弱点状空间碎片探测系统中的超高精度光学结构，尤其涉及一种视轴姿态精度优于亚角秒级、轻小型化程度较高的卫星姿态控制与测量系统中或者空间碎片探测系统中的光学结构。
【背景技术】
[0002]星敏感器主要用于卫星、飞船、航天飞机、空间站的高精度姿态确定，也可用在火箭、导弹上进行恒星制导和控制以及潜艇、船只的精确定位和测量，无论是白昼还是黑夜，只要天气晴朗并安装上星敏感器，就能够摄得星图，通过对这些星图进行识别，便可精确地测出正在行驶的飞行器或者船只在某一瞬间的准确方位。
[0003]恒星的张角小于1/100角秒，可视为无穷远点光源，星敏感器星像点位置确定精度可达十分之一或几十分之一个像元。由于天球坐标系中恒星的位置不变，故而通过测量既定恒星的亮度、位置坐标以及恒星间的相互关系来测量运动载体的运动参数。在飞行器姿态控制方面，用星敏感器对飞行器平台姿态进行测量，通过控制系统对太阳能电池帆板和有效载荷进行指向控制，从而控制飞行器沿着既定的轨道长期稳定的航行，并保证一定的飞行姿态。
[0004]美国加利福尼亚技术学院喷气推进实验室的Lawrence W.Cassidy等人认为星敏感器的测量误差分为低频误差和高频误差。对星敏感器姿态测量误差影响较大的是温度变化引起透镜组光学性能的变化的视轴漂移误差，光学系统焦距误差，光轴偏离误差和焦平面倾斜误差以及光学畸变校正残留误差引起的偏置误差等低频误差，以及由时间噪声引起的导航星位置估测误差引起的高频误差。
[0005]其中，低频误差是指星敏感器的机械机构、光学镜头、感光元件、与卫星的连接等部分都会随温度产生缓慢和周期性的变化而产生的误差。低频误差中最主要的部分是焦距的测量误差及受热变化，1ym以上的焦距变化就有可能使星敏感器姿态产生秒量级的测量误差。高频误差是由于探测器和电路噪声、亚像元算法等造成的误差。
[0006]因此，光学系统是星敏感器的重要组成部分，它的性能制约着星敏感器的测量精度。
[0007]目前国内外对于星敏感器的研宄比较多，但绝大多数精度较低。相对于世界先进水平，我国的空间敏感器总体研制水平还比较落后。主要体现在:精度较低，国外的星敏感器精度可达0.18〃以内，国内目前只能达到5〃左右。
[0008]例如，美国洛克马丁公司的AST-301星敏感器视轴姿态精度为0.18"，美国PEC的CXD星敏感器和法国SODERN公司SEA04星敏感器视轴姿态精度都小于I "，德国耶那ASTRO-5CXD以及ASTRO-APS星敏感器视轴姿态精度都为I"。但这些星敏感器的光学系统都为透射式，焦距较短，主要通过减小高频误差，提高质心算法精度来实现最终的测量精度，如AST-301星敏感器采用亚像素细分技术，质心误差可以降低到1/50像素。意大利伽利略公司STR星跟踪器采用折反式光学系统，焦距为120mm，而其最终视轴姿态精度未见报道。
[0009]通过减小星敏感器的低频误差，同样也能实现亚角秒级的探测精度。光学系统的热稳定性及高像质可以有效减小低频误差。
[0010]此外，考虑到卫星平台尺寸及发射成本的限制，需要星敏感器体积小、质量轻，由于光学系统的外形尺寸和质量占星敏感器的绝大部分，故而光学系统的紧凑、轻小型化直接影响星敏感器的外形体积和质量。
[0011]因此，亚角秒级大口径紧凑型星敏感器的核心技术之一在于超高精度轻小型化的光学系统。目前国外没有高精度光学系统相关资料的报道，国内也尚无此类光学系统。
[0012]另外，在空间碎片监视方面，根据美国空间监视网(Space SurveillanceNetwork，SSN)的观测数据显示:截止2012年7月4日，在地球轨道上，尺寸大于1cm编目空间目标(卫星、空间碎片等)的总数为16399个，各类用途卫星已达3499颗，其中正常运行的航天器只占约21%，其余79%均为空间碎片，直径在I?1cm之间的碎片数量约为几十万个，而且空间碎片以每年大约3%的速度急剧增长。北京时间2009年2月11日00:55，美国铱星公司的铱33卫星(SSC编目24946)与俄罗斯报废的宇宙2251卫星(SSC编目24946)相撞，引起了国际社会的广泛关注。到2009年3月，碰撞事件已经产生784个可编目碎片，预计可编目碎片将超过1000个。
[0013]对于大小在30cm以下的皮卫星、空间碎片等目标，目前的地基设备不具备监测能力。随着微小卫星技术的发展，小于30cm甚至1cm的卫星大量出现。
[0014]平均尺寸1cm以上的空间碎片破坏性是最大的，但这类大尺度碎片可通过地基雷达和光学望远镜等探测手段进行监视、跟踪、定轨，采取轨道规避策略避免碰撞的发生。目前已基本通过地基探测可对LEO轨道尺寸1cm以上和GEO轨道尺寸0.5m以上的碎片进行跟踪、定轨和编目。
[0015]然而，现有技术条件下，对于尺寸在1cm以下的碎片，在地面无法有效跟踪观测，只能通过天基观测和在轨飞行实验的回收结果进行分析，建立空间碎片环境模型，计算得到碎片参数随时空的分布变化情况，这部分空间碎片只能采取被动防护技术进行防护。
[0016]空间碎片天基光学监视由于其所具有的能耗低、精度高以及易于小型化实现等方面的优势而更具有发展潜力。对于远距离的小尺寸空间碎片可看作成暗弱点状目标。暗弱点状目标探测系统需要采用大口径光学系统，对于有大口径要求的光学系统，有许多种形式能满足任务要求，如折射系统，折反射系统，离轴的全反射系统。
[0017]对于离轴的全反射系统，由于有离轴非球面，加工周期长，费用也较高，因而尽量避免应用。对于折射系统，也有许多形式可以满足这一要求，如Petzval型物镜、Sonnar型物镜、双高斯物镜、远摄型物镜等。但是，由于暗弱点状目标的光谱范围很宽，焦距也较大，为了校正二级光谱，则光学系统的长度会较长，超过200mm，有些甚至达到了 350mm;而且由于系统的孔径较大，使用的透镜的片数较多(不少于七片)，这样导致系统的重量较大；另夕卜，折射系统受温度梯度的影响较大，航天环境适应性较差。
【实用新型内容】
[0018]为了解决【背景技术】中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种测量精度优于亚角秒级、光学口径与光学总长相当、结构紧凑、适宜对空间暗弱点状目标探测的超高精度大口径紧凑型光学结构。
[0019]本实用新型的技术解决方案是:
[0020]本实用新型提供了一种暗弱点状目标探测用亚角秒级大口径紧凑型光学结构，其特殊之处在于:包括镜筒以及设置在镜筒内部的光学系统和像面；光学系统包括轴心在同一直线上依次排列的第一孔径校正镜、次反射镜、第二孔径校正镜、第一视场校正镜、第二视场校正镜以及主反射镜；第一孔径校正镜和第二视场校正镜为双凸球面透镜，第二孔径校正镜和第一视场校正镜为负弯月球面透镜，主反射镜面型为凹的球面；所述次反射镜贴覆于第一孔径校正镜的侧面，次反射镜在第一孔径校正镜侧面的覆盖范围应满足成像要求；所述主反射镜的中心开设有圆孔，第一视场校正镜和第二视场校正镜设置于圆孔开口所限定的范围；所述像面位于主反射镜的侧面中心；
[0021]所述第一孔径校正镜、第二孔径校正镜以及主反射镜的光学材料相同；所述镜筒的热膨胀系数与第一孔径校正镜、第二孔径校正镜以及主反射镜的热膨胀系数相当。
[0022]上述次反射镜面向第二孔径校正镜延伸设置有葵花盘式的次镜遮光罩；所述主反射镜面向第二孔径校正镜延伸设置有圆锥筒形的主镜遮光罩，第一视场校正镜以及第二视场校正镜设置于主镜遮光罩内部。
[0023]上述第一孔径校正镜以及次反射镜的中心开设有直径小于次反射镜口径的通孔；所述次镜遮光罩包括与通孔的形状尺寸匹配的安装柄，次镜遮光罩通过通孔和安装柄连接于次反射镜和第一孔径校正镜。
[0024]上述暗弱点状目标探测用亚角秒级大口径紧凑型光学结构还包括设置在次反射镜上的孔径光阑。
[0025]上述第一孔径校正镜的光学特性为:
[0026]2.5f < f/ < 5f ,1.4 < ^< 1.7^^0.Sf/ ,0.Sf1 r < R2< f / ；
[0027]所述第二孔径校正镜的光学特性为:
[0028]-8f' <f2’<-5f,，1.4 < η2< 1.7，0.15f2, < R3< 0.25f 2r，0.2f2, < R4< 0.5f2'；
[0029]所述第一视场校正镜的光学特性为:
[0030]-0.5f < f3，<-0.25f,，1.4 < n3< 1.8，-0.3fV < R6<-f3,，-0.2f3' < R7
<_fV ；
[0031]所述第二视场校正镜的光学特性为:
[0032]