为了解决常规姿态敏感器非在轨标定设备实测结果与设计精度存在偏差、且缺乏模拟目标天体特征功能的实际问题, 本文提出一种利用多棱镜结合的LCOS光学拼接方式与亚像素显示技术相结合的高精度动态天体模拟器设计方法, 实现对星点位置以及目标天体特征的精确模拟。详细论述了传统LCOS拼接形式两片光阀对比度低的原因, 提出了基于两片PBS和两片半反半透镜的拼接架构改进方案; 设计了小畸变、复消色差的高成像质量准直光学系统。重点阐述了亚像素显示技术的思想及方法, 利用亚像素技术分别对动态星图和目标天体进行仿真并进行了实验测试。结果表明: 模拟器的两片LCOS显示对比度相同, 动态星图的星间角距误差小于±6″、星等模拟范围达到连续8个等级、星等模拟精度优于±0.3 mV; 可以提供目标天体特征模拟图片。高精度亚像素显示技术动态天体模拟器消除了LCOS显示对比度差异, 达到了姿态敏感器识别特征点的准确性要求, 基本可以满足敏感器非在轨精度标定与功能测试的要求。

为解决红外地球敏感器地面性能测试实验中需要模拟多种地球张角的现实问题, 文中利用准直光学系统模拟目标, 对多轨道红外地球模拟的技术进行了深入研究。提出一种可变地球张角模拟的总体方案, 并对模拟器各关键部分锗准直透镜、可变地球光阑等进行了详细的光机结构设计, 给出了设计结果和设计方法。针对地球模拟器地球张角检测的需求, 还提出一种地球张角检测方法, 搭建了检测装置, 并对模拟的不同轨道对应的地球张角进行了实测, 结果表明: 对应于18 000、35 786、42 000 km三种轨道高度的地球张角模拟精度均优于±0.05°, 完全符合对红外地球敏感器的标定要求。

针对高精度星敏感器在地面标定实验中与测试设备准确对接的实际要求, 设计一种纳米级星敏感器标定用五维微调整机构.详细分析了光轴对准误差对敏感器测试的影响.为保证对接精确性, 提出了搭积型调整架机械结构的设计思想; 论述了二维平移和三维调整模块的设计方案; 对调整机构进行了仿真建模和力学分析.对设计的微调整机构进行验证性实验, 结果表明: 位移分辨力可以达到25 nm, 角度分辨力可以达到0.1角秒, 且稳定性高.设计的微调整机构可以满足星敏感器与测试设备准确对接的技术指标要求, 确保了星敏感器定标结果的可信度.

为了适应航天技术的发展和更高的技术要求, 设计了一种带闭环控制的单星模拟器。介绍了单星模拟器的工作原理、单星模拟器的光能分析、单星模拟器光源及相关组件的选取、闭环控制系统的设计及星模拟器星等的实现。所设计的星模拟器能够实现对-2~+6星等的模拟, 稳定性误差不超过相应星等照度的±10%。检测结果表明,该单星模拟器稳定可靠, 调节灵活, 能满足单星模拟器设计要求。

硅基液晶(LCOS)空间光调制器件的特点是反射光成像，要求照明光束发散角小，均匀性好。对此，设计了由抛物型反光碗、复眼透镜、偏振分光棱镜、聚光镜等组成的用于LCOS 的照明系统，对抛物反光碗以及复眼透镜各参数的设计原理做了详细分析，具体包括光源出射角度，光源的总体长度，所需均匀照亮的尺寸，抛物反光碗各参数对出射角度的影响，其实现原理主要包括复眼透镜匀光理论。设计要求光源出射角度小于10°，总体长度为220 mm，均匀照明面积为20 mm×20 mm，最后给出聚光透镜组的设计结果，使光线聚焦到LCOS 表面，照度值要达到0.35 lx/m2，其不均匀度在15%以内。进一步使用Lighttools 软件，对其进行仿真，由照度曲线图和照度栅格图可知，设计结果满足设计要求。

针对高精度星敏感器对其功能测试设备精确模拟星点位置和星等的实际要求，设计了一种硅基液晶(LCOS)型高精度动态星模拟器的光学系统。分析星模拟器准直与照明光学系统的任务需求并给出了设计方案。为提高模拟器的成像精度，提出了LCOS的光学拼接方法，详细设计了大视场、大相对孔径、大出瞳距离的准直光学系统并进行了像质评价；为同时满足显示器件的照明条件和-1～7等星的准确模拟，对照明光学系统进行了详细设计并给出了仿真结果。提出了一种动态星模拟器星点位置修正方法，通过实验测试，动态星模拟器的星间角距误差优于12″，精确模拟-1～7等星，满足当前对高精度星敏感器的检测需要。

针对星敏感器系统的地面测试要求，设计一种大视场高精度静态星模拟器。根据静态星模拟器的工作原理，确定模拟器具有出瞳外置的准直光学系统。结合技术指标，在Zemax 平台上优化设计了具有良好成像质量的光学系统，设计结果为：系统焦距99.988 mm，视场达到Φ39°, 畸变小于0.1%，实现高精度静态星模拟器精确模拟星点。提出了依照光学系统像差确定星点板上各星点刻划位置的方法，避免多次刻划星点板的过程。对设计的系统进行测试，从测试结果看：设计的大视场星模拟器的成像精度达到15″，可以满足对星敏感器地面标定的使用需要。

提出了一种基于氙灯和卤钨灯混合光源的星模拟器光谱模拟方案.采用氙灯和卤钨灯组成宽光谱光源灯阵, 并通过色温模拟与控制模块后射入积分球, 为星模拟器提供理想光源, 模拟出与特定色温3 900 K, 4 800 K, 6 500 K相近的光谱曲线.通过对标准黑体光谱曲线的仿真, 计算出滤光片各个微小波段最优透过率, 并对微小波段区间的透过率进行区间合并处理, 得到满足设计指标要求的滤光片透过率, 实现对特定色温光谱曲线的模拟.仿真结果表明, 采用本文方案能够满足微小波段匹配模拟误差在10%以内, 用相对面积法验证匹配误差在4%以内, 从而为星模拟器模拟特定色温的光谱曲线提供有效的方法.