[发明专利]一种超高精度空间望远镜光学畸变在轨标定方法

说明书

本发明公开了一种超高精度空间望远镜光学畸变在轨标定方法，包括：将空间望远镜对准若干目标星进行多帧拍摄，使其中两个星像落在畸变可忽略不计的中心视场内；利用空间望远镜指向的微小变化和超高精度星间距测量技术测量中心视场内两个星像间距矢量的方向，筛选出仅有偏航和俯仰指向变化的图像；分别测量其他视场和中心视场各星像的位移及位移之差，得到各视场处的光学畸变梯度，并拟合出望远镜视场内光学畸变梯度分布；利用中心视场畸变为0的条件，由光学畸变梯度分布反演出光学畸变分布，实现对望远镜光学畸变的在轨标定。本发明无需利用现有星表，不受星表精度的限制，可实现超高精度光学畸变定标，用于超高精度天体测量领域。

技术领域

本发明属于空间望远镜高精度天体测量领域，涉及一种超高精度空间望远镜光学畸变在轨标定方法。

背景技术

天体测量是指对天体的位置和运动进行测量。随着越来越先进的望远镜建造完成和投入使用，天体的位置和运动的测量精度也在稳步地提高，同时也获得了一系列天体测量领域内的重要发现，包括恒星光行差的发现、章动的发现以及恒星三角视差的发现等。天体测量还可用于天体距离的测定和系外行星探测等领域。

天体距离的测定对研究其物理性质起到关键作用。从恒星大小、质量、光度，到哈勃常数的测定，距离尺度都扮演着特别重要作用，直接影响诸多关键性科学问题，如星系的结构、距离，宇宙的膨胀，暗物质的分布等等领域。天体距离测定的手段有很多种，但是主要来源于间接测量和标准烛光，最基础、最重要的是太空中的“标准烛光”——造父变星。高精度天体测量可对造父变星进行高精度的距离测量，大大提升宇宙距离尺度这一重要物理量的精度。此外，天体测量法还可探测近邻系外行星，超高精度天体测量甚至可以探测到近邻系外宜居类地行星，通过探测围绕恒星公转的行星所引起的恒星位置移动，直接获取行星内禀动力学质量和轨道信息，极大完备已观测到的行星系统，丰富人类对于行星系统的认知。

空间望远镜和超高精度星间距测量技术的发展使超高精度的天体测量成为可能(Micro-pixel accuracy centroid displacement estimation and detectorcalibration，proceedings:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,467(2136),2011,3550-3569)，然而，在实际工程应用中，空间望远镜总存在一定的光学畸变，而且当空间望远镜姿态调整或温度变化时，其光学系统将产生不规则的动态光学畸变，对星间距测量精度产生较大影响。因此，需要对空间望远镜的光学畸变进行在轨标定。

常规的光学畸变标定方法以现有星表为参考，将望远镜焦平面上的星像位置与现有星表中星点的位置进行比对，从而实现光学畸变的标定。然而，现有星表中星点的位置精度仅为毫角秒量级，无法满足亚毫角秒精度的光学畸变标定。因此，需要寻求一种新的高精度空间望远镜光学畸变的标定方法，实现超高精度的畸变标定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有空间望远镜光学畸变标定方法无法实现亚毫角秒量级精度的问题，提出一种新型的超高精度光学畸变在轨标定方法。该方法在望远镜光学系统中心视场构建一个近零畸变区域，利用超高精度星间距测量技术，比较空间望远镜指向发生变化时中心视场和多个其他视场星像的位移，得到各星像所处视场的畸变梯度，再通过对畸变梯度进行拟合、反演，最终可以得到全视场的畸变分布。该方法无需利用现有星表，不受现有星表精度的限制，充分利用超高精度星间距测量技术的高精度特征，使望远镜光学畸变定标精度达到亚毫角秒量级。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超高精度空间望远镜光学畸变标定方法，包括如下步骤：

步骤1、将空间望远镜对准若干目标星进行多帧拍摄，并使其中两颗目标星的星像落在望远镜焦平面中心视场内，该中心视场内的光学畸变量近似为零；

步骤2、由于空间望远镜指向的不稳定性，各视场处的星像均发生微小的角位移，中心视场内星像的角位移由光学畸变引起的误差可忽略，可认为中心视场内星像的角位移不含光学畸变；