专利名称：计算机模拟星敏感器星场的成像系统和成像方法
技术领域：
本发明属于天文导航技术邻域，涉及ー种使用计算机模拟星敏感器以获取数字星图的成像系统和成像方法。
背景技术：
星敏感器是目前精度最高的姿态测量仪器之一，已成为航天导航领域的研究热点。星敏感器研究过程中，需要大量的星图用于验证和评估相关技术的可行性和性能，用于程序开发、调试、性能评估和样机地面试验。本发明研究计算机模拟星场成像方法，提出一种基于现有光学设计系统平台，开展计算机模拟星敏感器星场成像的方法，获取数字星图，并建立相应的模拟系统。国外很早就开始研究星场成像模拟技木。目前，国内有两类模拟方法，成为两个发 展方向。第一类是由计算机控制产生模拟星或模拟星空，再由星敏感器成像获取模拟星图，这类模拟方法能应用于星敏感器的地面试验和地面标定。如1995年发表在“航天器环境工程”第I期的《实时星图模拟器方案设想》，和1999年发表在“中国空间科学技木”第19卷第3期的《一种模拟CCD星图的方法》，所提方法获得的模拟星图用于系统调试和地面实验。再如2007年发表在“光学精密工程”第15卷第11期的《基于数字光处理技术的小型星模拟器设计》报道的方法。这类模拟方法涉及的系统结构复杂，成本高。第二类是直接在计算机上模拟并输出数字星图，获得的星图主要用于星像提取、星图识别、姿态估算等算法的研究。如2000年，长春光机所在“光学精密工程”第8卷第3期报道的星敏感器星像模拟系统，该系统具有模拟基本成像环境的功能，所得数字星图用于星图识别算法研究，但未能考虑光学系统的实际成像过程和像差对像质的影响。2009年，在“9th International Conference on Dgital Object Identifier”会议上，北京航空航天大学报道了利用光线追迹产生星空经过光学系统成像模拟星图的方法，当光学面采用复杂面形时，程序设计工作量大，计算过程繁杂。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种通过计算机模拟星敏感器光学系统对星场进行成像，以获得数字星图的成像系统。本发明提供了一种计算机模拟星敏感器星场的成像系统，包括观测星数据库，由观测星构成，所述观测星为根据星敏感器的极限星等从原始星表中筛选，即仅保留双星等效星等不高于极限星等的双星、及星等不高于极限星等的双星以外的恒星；在ZEMAX光学设计软件中建立的用户输入端，其适于设定ZEMAX光学设计软件中的光学模块的光轴指向，像面探測器的像元数和尺寸；适于所述ZEMAX光学设计软件调用的扩展模块，包括提取观测星模块、计算视场位置模块、计算像元灰度模块；所述提取观测星模块根据所述光学模块中的像面探測器对应的视场角在所述数据库中提取所述光轴指向视场范围内的观测星，即提取视场中的观测星；所述计算视场位置模块将视场中的观测星的位置从惯性坐标系转换到本体坐标系，利用所述本体坐标系计算出该观测星的视场角；并将所述观测星的视场角作为物面信息传递给所述光学模块；ZEMAX光学设计软件，还包括光线追迹模块，适于当所述光学模块得到所述物面信息后，对于所述视场中的观测星，利用所述光线追迹模块完成星场成像，并把观测星的光线到达像面的位置坐标以及能量值传递给所述计算像元灰度模块；所述计算像元灰度模块根据设定的所述像面探測器的像元数、尺寸和接收到的能量值输出数字星图。进一歩，为了计算所述双星等效星等，该双星等效星等Hitl的计算公式为令双星的
两星等分别为Hi1和m2，即
权利要求
1.一种计算机模拟星敏感器星场的成像系统，其特征在于包括 观测星数据库，由观测星构成，所述观测星为根据星敏感器的极限星等从原始星表中筛选，即仅保留双星等效星等不高于极限星等的双星、及星等不高于极限星等的双星以外的恒星； 在ZEMAX光学设计软件中建立的用户输入端，其适于设定ZEMAX光学设计软件中的光学模块的光轴指向，像面探測器的像元数和尺寸； 适于所述ZEMAX光学设计软件调用的扩展模块，包括提取观测星模块、计算视场位置模块、计算像元灰度模块；所述提取观测星模块根据所述光学模块中的像面探測器对应的视场角在所述数据库中提取所述光轴指向视场范围内的观测星，即提取视场中的观测星；所述计算视场位置模块将视场中的观测星的位置从惯性坐标系转换到本体坐标系，利用所述本体坐标系计算出该观测星的视场角；并将所述观测星的视场角作为物面信息传递给所述光学模块；· ZEMAX光学设计软件，还包括光线追迹模块，适于当所述光学模块得到所述物面信息后，对于所述视场中的观测星，利用所述光线追迹模块完成星场成像，并把观测星的光线到达像面的位置坐标以及能量值传递给所述计算像元灰度模块； 所述计算像元灰度模块根据设定的所述像面探測器的像元数、尺寸和接收到的能量值输出数字星图。
2.根据权利要求I所述的计算机模拟星敏感器星场的成像系统，其特征在于，双星等效星等Hl0的计算公式为令双星的两星等分别为Hl1和m2，即
3.根据权利要求I或2所述的计算机模拟星敏感器星场的成像系统，其特征在于 所述用户输入端还包括伪星添加模块，适于根据用户需要添加相应数量的伪星； 所述扩展模块还包括模拟伪星模块，适于根据所述伪星添加模块输入的伪星数，产生随机点光源以模拟伪星。
4.根据权利要求3所述的计算机模拟星敏感器星场的成像系统，其特征在干， 所述用户输入端还包括噪声添加，适于在所述数字星图中适量添加星敏感器产生的噪声。
5.一种计算机模拟星敏感器星场的成像方法，包括 (1)根据星敏感器的极限星等从原始星表中筛选出的观测星以构成观测星数据库，即仅保留双星等效星等不高于极限星等的双星、及星等不高于极限星等双星以外的恒星； (2)在ZEMAX光学设计软件中建立用户输入端，用于设定ZEMAX光学设计软件中光学模块的光轴指向； (3)利用提取观测星模块提取视场中的观测星，即根据所述光学模块中的像面探測器对应的视场角在所述数据库中提取所述光轴指向视场范围内的观测星；并利用计算视场位置模块将视场中的观测星的位置从惯性坐标系转换到本体坐标系，利用所述本体坐标系计算出该观测星的视场角；并将所述观测星的视场角作为物面信息传递给所述光学模块； (4)当所述光学模块得到所述物面信息后，对于所述视场中的观测星，利用ZEMAX光学设计软件中的光线追迹模块完成星场成像，并把所述视场中的观测星的光线到达像面的位置坐标以及能量值传递给所述用户输入端中的计算像元灰度模块； (5)所述计算像元灰度模块根据设定的所述像面探测器的像元数、尺寸和接收到的能量值输出数字星图。
6.根据权利要求5所述的计算机模拟星敏感器星场的成像方法，其特征在于，步骤(I)中双星等效星等mQ的计算公式为令双星的两星等分别为Hi1和m2，即
7.根据权利要求5或6所述的计算机模拟星敏感器星场的成像方法，其特征在于， 所述用户输入端还包括伪星添加模块，适于根据用户需要添加相应数量的伪星； 所述扩展模块还包括模拟伪星模块，适于根据所述伪星添加模块输入的伪星数，产生随机点光源以模拟伪星； 在所述步骤(3)中的物面信息中添加所述伪星数据。
8.根据权利要求7所述的计算机模拟星敏感器星场的成像方法，其特征在于，所述用户输入端还包括噪声添加，适于在所述步骤(5)的数字星图中适量添加星敏感器产生的噪声。
全文摘要
本发明涉及一种计算机模拟星敏感器星场的成像系统，包括观测星数据库；在ZEMAX光学设计软件中建立的用户输入端，其适于设定ZEMAX光学设计软件中的光学模块的光轴指向，像面探测器的像元数和尺寸；适于所述ZEMAX光学设计软件调用的扩展模块，包括提取观测星模块、计算视场位置模块、计算像元灰度模块；ZEMAX光学设计软件，还包括光线追迹模块，所述计算像元灰度模块根据设定的所述像面探测器的像元数、尺寸和接收到的能量值输出数字星图；本发明中可获得与探测器匹配的星图数据，根据用户输入的像元大小和数目，所述计算像元灰度模块对像面数据采样和量化，计算每个像元的亮度，输出与探测器匹配的数字星图。
文档编号G01C25/00GK102853851SQ201210345359
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者吴峰, 朱锡芳, 沈为民 申请人:常州工学院, 苏州大学