静态紫外地球模拟器是一种对紫外导航敏感器进行地面标定和精度测试的设备。本文设计了一种静态紫外地球模拟器光学系统, 提出大视场静态紫外地球模拟器光学系统设计方案, 对光学系统的参数进行了分析, 系统选用七片透镜进行设计, 有效孔径为 D=10 mm, 焦距为 f=100 mm, 视场角为 Φ40°。全视场相对畸变小于 0.036%, MTF在 50 lp/mm处大于 0.7, 波像差均方根值小于 0.037λ, 地球张角偏差 Δω＜0.006 7°,达到了高精度的指标要求, 满足设计要求。

设计了一种空心发光椭球形紫外地球模拟器光学系统，其中，球体的一半被紫外光源照亮，另一半球不被照亮。通过控制紫外LED 灯组合成多个LED 组元和灯阵实现工作谱段范围内球表面发光亮度在0.2~l.2 W/(sr·m2)可调，发光表面亮度不均匀性优于20%，使用该系统模拟不同太阳亮度时“地相”的几何特征、辐射特性。介绍了地球模拟器的组成和工作原理，利用光学分析软件Lighttools 对地球模拟器的辐射亮度不均匀性进行了仿真分析，并利用有限元分析软件Ansys 对高轨紫外地球模拟器光机结构在0 ℃～45 ℃的变形进行具体分析。结果表明，球体表面亮度不均匀性为9.5%，辐亮度的最大平均值为1.42 W/(sr·m2)，且光机结构的温度变形量很微小，满足设计要求。

地球模拟器是红外地球敏感器地面模拟试验与标定的重要设备,针对现有的圆锥扫描式地球模拟器无法提供可变地球张角的问题,提出了一种可变地球张角圆锥扫描式地球模拟器的设计方案,对冷板、热板等主要组成部分进行了详细的结构设计。根据两块活动冷板尺寸大且不易控制转动精度的特点,采用一个电动推杆通过两个连杆机构带动两片活动冷板同时转动的结构,建立三维仿真模型,并应用有限元ANSYS软件对支架进行应力分析和对冷板和热板进行热分析。经实验验证:该结构设计合理,能满足红外地球敏感器的测试与标定要求。

为了提高红外地球敏感器的地面测试与标定精度,以地球模拟器能够精确达到技术指标为目的,对地球模拟器光学系统进行研究。在光学系统中将地球光阑放于锗准直透镜的焦平面附近,使得通过地球光阑的光入射到锗准直透镜后,以平行光出射到红外地球敏感器上。同时根据卫星在同步轨道、更高轨道和较低轨道所使用的红外地球敏感器地面标定试验的需求,采用更换地球光阑的方案,提供了三种不同的地球张角。计算结果表明,地球模拟器边缘处成像清晰,且三种不同轨道的地球张角误差均小于±0.05°。该方案设计的地球模拟器可准确在地面上模拟卫星在太空中所看到的地球,满足了地球模拟器的整体性能要求。

根据红外焦平面静态地平仪的特点,并考虑地球模拟器(地模器)光学系统视场大、成像要求高等因素,在合理耗资的前提下设计了地模器的光机系统。通过分析地平仪的光学系统及工作原理,合理地选择了地模器的光学系统参数及机械结构,对地平仪和模拟器光学系统的匹配进行像质评价,并对机械结构做误差分析。结果显示,匹配后光学系统的RMS直径＜27 μm,小于探测器像元尺寸。机械结构误差为003°,高于地平仪的探测精度。这些结果表明,该地模器基本满足检测红外焦平面静态地平仪的要求。

针对适用于低轨道卫星的圆锥扫描式红外地球敏感器地面模拟试验、标定和可靠性测试等问题，采用开有120°V型槽的扇形冷板模拟地球弦宽、金属热板模拟地球热源的方案，研制了圆锥扫描式红外地球模拟器和零姿态模拟器，其能模拟卫星在低轨道上看到的地球，提供120°地球弦宽。

针对地球模拟器"轻量化、小型化"的要求,开发出基于PCI总线的测量和控制系统.该系统对光栅位移信号进行电子学倍频及辨向处理以提高测量和控制精度;采用"填脉冲"测温方法,根据周期内填入的脉冲数,计算温度信号的周期,再利用软件算法得出温度值;将弦臂控制和角度测量结合在一起,以测得的角度值作为反馈,和步进电机组成闭环位移控制系统.利用PCI9052接口芯片及XC2S30 FPGA大幅度提高了系统的处理速度,简化了系统结构.实验表明,轻量化小型地球模拟器使用该系统后,温度控制范围达到26°10℃,精度为°0.3℃;滚动及俯仰角度控制范围分别为°36° 和°61°,控制精度均达到1′.