采用扩展外部编程方法优化设计APS星敏感器光学系统

　　0 引言

　　空间技术发展水平是综合国力的标志之一，发射卫星等航天器探索宇宙的活动变得越来越频繁，而获取姿态信息是航天器顺利完成空间任务必不可少的前提。为确保成功获取卫星姿态信息，往往使用多个姿态敏感器，如我国发射的嫦娥一号卫星，携带了太阳敏感器、星敏感器、月球敏感器等多个姿态敏感器。星敏感器是目前精度最高的姿态测量仪器，将成为未来空间活动中首选的测姿仪器。随着APS 传感器技术的发展，将APS 作为星敏感器的图像接收器件，能使整个系统体积减小、功耗降低，已成为星敏感器发展的方向[1-2]。

　　星敏感器主要有光学系统(包括遮光罩和镜头)、星图识别模块、姿态计算模块等3 个重要部分，光学系统将遥远的恒星成像到焦平面上，得到当前视场中的星图。星图识别模块启用星图识别算法识别星图中的恒星，进而由姿态计算模块得到姿态数据[3]。一般的成像光学系统要求达到衍射极限， 使用ZEMAX 光学设计软件优化设计时基本不需要增加特殊的优化函数。而星敏感器光学系统具有特殊的像质要求，其成像质量必须和识别模块相匹配，星敏感器才能成功实现姿态获取。常规优化设计方法难以得到满意的成像质量。文中通过分析星图识别模块中星像位置提取算法以及星图识别算法，讨论光学系统的像差校正和成像特性要求。根据像质要求，提出约束光线的优化方案。该方案采用ZEMAX 扩展，编写包含约束条件的外部独立程序，运用动态数据交换技术建立外部程序与ZEMAX 通信链接，实现快速的系统优化设计。

　　按照以上方案，设计出了一个焦距f=43.56 mm，口径D=27.3 mm，圆视场为20°的APS 星敏感器光学系统。该系统具有像方远心的特点，且每个光学面都是球面，光学材料选用廉价的普通玻璃。仿真设计表明：该系统像质优良，符合星图识别要求。

　　1 星敏感器光学系统的像质要求

　　1.1 星敏感器的工作原理

　　在宇宙中，恒星的位置是相对稳定的，这正是星敏感器能获得高精度姿态数据的原因。通常，恒星非常遥远，处于任何位置观察，方位都一样，与观察者之间的实际距离并无显著关系。天文学上建立第二赤道坐标系作为惯性坐标系，将恒星投影到天球上，以赤径α、赤纬δ 表示其方位，如图1 所示。这些参数已经测量得很精确，与视星等、光谱、自行等等参数一起记录在基础星表中。在惯性坐标系中，恒星相对于观察者的方位，如公式(1)以矢量V 表示：

　　光学系统对视场中的恒星成像是星敏感器姿态测量的前提。将光学系统等效为理想光学系统，以物、像方主面表示，主点分别为H 和H′，如图2 所示，以光学系统像方主点H′为原点建立坐标系统， 即本体坐标系，取光轴为z 轴，正方向指向像面，x 轴、y 轴取在像方主面内。恒星经过系统在像面上成的像为S′。由于此时主点即是节点，因此入射光线SH 平行于出射光线H′S′。假设S′坐标为(xb ，yb ，f)，则在本体坐标系中，恒星相对于物方主点的方位矢量Vb为：