光电望远镜伺服系统速度环的自抗扰控制

针对大口径光电望远镜惯量大、存在摩擦非线性的特点,设计了自抗扰控制器以改善伺服系统的速度响应特性。介绍了自抗扰控制器的工作原理和基本结构,给出了控制器参数的选择依据,并仿真分析了各个参数的作用效果。最后,在实际望远镜转台上和常规PID控制器进行了对比实验。结果表明,采用自抗扰控制器,既可以实现大速度阶跃响应快速无超调,又可以缩短低速阶跃响应时间、改善低速平稳性。在以0.005(°)/s速度运行时,系统稳定时间为1s,速度波动标准差为0.000 082(°)/s,最大值为0.000 42(°)/s,性能明显优于传统的PID控制系统。实验结果证明自抗扰控制器对摩擦、饱和等非线性因素具有抑制能力,可以提高望远镜伺服系统的调速性能。

水平式光电望远镜目标定位误差的预测

为了确定水平式光电望远镜的各主要误差对观测精度的影响,提高望远镜的指向精度,对它的目标定位误差进行了分析。针对水平式望远镜的结构特点,通过分析从被测目标到望远镜相面产生目标定位误差的光、机、电等各种误差因素,建立了水平式望远镜目标定位测量方程。应用蒙特卡罗法进行误差仿真,预测出水平式望远镜的目标定位误差,并对各误差的敏感性进行了分析。选取敏感性高的误差项建立误差补偿模型,对实拍星体误差进行补偿实验,结果表明:补偿后经轴转角误差标准差从66.4″降低到3.3″,下降了95%;纬轴转角误差标准差从49.4″降低到5.6″,下降了89%。所用方法和模型能够对主要误差进行分析和预测,可为水平式光电望远镜的总体设计提供参考。

空间目标在天基光电望远镜中的光度特征研究

本文重点研究了天基光电望远镜对空间目标成像时空间目标、望远镜、太阳之间的相对位置关系。文章分析了天基光电望远镜对空间目标成像时三者的位置关系及其变化对目标光度特征的影响,以及望远镜系统参数对空间目标成像光度特征的影响;给出了太阳直射条件下的空间目标成像条件。通过计算机仿真模拟了考虑目标在望远镜处的光度特征,以及在天基光电望远镜中的成像目标-星空图。研究结果表明,文中方法能有效地描述空间目标在天基光电望远镜中的光度特征。

利用加速度计的大型光电望远镜抖动测量方法

为了克服传统抖动测量评价方法在更大VI望远镜上的局限性，提出了利用多加速度计来对抖动进行全面测量和评价的方法。在介绍加速度计测量原理及安装方式的基础上，重点说明了如何利用加速度计测量信息来获得系统抖动信息的时、频域数据处理方法，分析了直接时域积分方法的不足，提出了利用频域积分方法获得系统抖动统计特性的新方法。最后，在某1m级以上望远镜上做了抖动测量实验，结果表明，该测量方法可以计算0．5—500Hz频率范围内任意频率段的抖动RMS值，望远镜方位轴系在静态条件下最大抖动量在0．21”以内，闭环条件下最大抖动量在0．35”以内。加速度计不但能敏感齿槽力矩、摩擦力矩等内扰力引起的抖动，还能敏感因外扰力——风阻、地基振动等带来的轴系晃动，是全面评价望远镜抖动性能的有效方法。该测量方法可以为大型望远镜机械最优设计、控制带宽设计和系统最终性能指标评价提供数据支撑。

光电望远镜暗弱目标识别算法及探测能力

通过空间目标的光度测量可判断目标在轨运动特性和进行编目识别。对光电望远镜在卫星姿态判定领域的应用进行了介绍,验证了一种暗弱目标识别算法,即霍夫变换。通过仿真计算分析了影响极限探测星等的因素,并从目标成像后在探测器上获得信噪比的一般计算公式出发,推导计算得出光电望远镜的极限探测星等理论值,并使用星图比对的方法进行了试验验证。结果表明,星图比对法是一种可靠的星等测量方法。

天基光电望远镜对空间目标成像的模拟

提出了一种天基望远镜对空间目标成像的模拟方法。由卫星轨道参数计算得到卫星在地心赤道坐标系中的坐标,再通过平移、旋转和比例变换将其变换到望远镜坐标系中的坐标,模拟得到卫星的成像图。通过旋转和比例变换,将恒星坐标从地心赤道坐标系变换到望远镜坐标系,模拟得到星空成像图。两者合成得到总模拟图。将望远镜的位置矢量和光轴的方向矢量之间的夹角作为望远镜视场是否被地球遮挡的判断依据。以0星等和10星等为参考,用计算机模拟得到256级灰度图。仿真结果表明,该方法既能有效地模拟卫星的运动,又可以克服对相同星空背景的重复模拟。

低轨微小卫星及小碎片搜索/跟踪机动式大视场光电望远镜

有效反射面积小,运动速度快的空间低轨卫星和小碎片的日益增多对现有地基探测跟踪技术提出了挑战。本文分析了国外现有低轨小目标光电探测技术的发展现状,结合低轨小目标的探测需求,提出了一种用于低轨微小卫星及小碎片搜索/跟踪探测的机动式车载大视场光电望远镜设计方案。介绍了该望远镜的光学系统、跟踪架及载车,描述了它的工作模式和图像处理,讨论了系统的搜索和探测能力。结果表明,该望远镜对300 km轨道高度的目标搜索能力达到13.5星等(相当于直径5 cm目标),可以满足搜索和跟踪低轨微小卫星及小碎片探测的实际需求。

水平式光电望远镜照准差检测方法

为了提高水平式光电望远镜的精度,满足技术指标要求,针对水平式跟踪架结构照准差的检测原理和方法,在对地平式光电望远镜照准差检测原理进行分析的基础上,本文提出了检测水平式望远镜照准差的方案。该方法根据在研水平式光电望远镜因结构限制不能打倒镜的特点,采用两个自准直经纬仪对照准差进行了检测,测得照准差为4′1″,检测精度为9″。实验结果表明,与基本参数模型的回归分析结果相比较,在检测误差中包含望远镜筒重力变形产生的视轴偏差(1′4″,2′4″),并提出了同时检测这一偏差和照准差的方法。

天基光电望远镜极限星等探测能力研究

从辐射度学和光度学基本原理出发,通过对目标光度信号特征和背景以及CCD噪声光信号特征的分析,导出了天基光电望远镜对空间目标的极限星等探测能力的计算公式。根据该公式,分别研究了有光照和无光照条件下的极限星等探测能力。给出了一组典型参数,在无背景光照条件下得到极限探测星等为14.1个星等,并详细研究了极限探测星等随各参数变化的关系。在有背景光照条件下,研究了极限探测星等随太阳角的变化关系。结果证明,几乎只要有太阳光进入,极限探测星等就急剧下降,因此也证明了天基光电望远镜只能在背光条件下或在地影中工作。

天基光电望远镜空间多目标成像模拟技术研究

提出了一种天基光电望远镜对空间多目标成像的模拟方法。首先由卫星轨道参数向量和三维矩阵变换得到卫星在地心赤道坐标系中的坐标矩阵,然后再通过平移、旋转和比例等变换得到卫星及恒星在望远镜中的坐标矩阵,最后即可得到总模拟图。设计了一种应用在天基光电望远镜上的空间多目标成像模拟数据库,并为数据库提供了几种基本的维护管理功能。给出了该数据库的基本设计方法和目标数据实例,提供了1000余颗卫星的相关轨道参数。计算机模拟了天基光电望远镜对空间多目标的成像。仿真结果表明,该方法可有效地模拟天基光电望远镜对空间多目标的成像。

水平式光电望远镜静态指向误差的修正

为了提高水平式光电望远镜静态指向精度,对光电望远镜静态指向修正模型进行了理论分析和实验研究,建立了水平式望远镜指向模型。首先,介绍了球谐函数模型和水平式望远镜指向模型,并对水平式望远镜指向模型加以修改。然后,对全天区均匀分布的70颗Tycho-2恒星进行实际观测,获得水平式光电望远镜在L轴和B轴上的指向偏差,利用最小二乘法对该模型进行拟合,计算出水平式望远镜指向模型中各待定系数。最后,采用该指向模型对某型水平式望远镜进行了修正。实验结果表明:采用水平式望远镜指向模型进行修正后,望远镜设备总指向精度由修正前的152.10″提高到了4.76″。满足系统总体提出的精度要求,能够广泛地应用于科研和工程领域。

地平式光电望远镜天顶盲区影响因素

以常规代数方法 ,分析探讨了地平式光电望远镜天顶盲区形成的机理 ,结果显示跟踪架最大方位角速度、目标的飞行高度和飞行速度这三个参数确定了天顶盲区范围。利用天文球坐标系进行了分析 ,结果表明跟踪架最大方位角速度的限制是导致望远镜存在天顶盲区的最主要原因。在北纬 6 0°跟踪赤纬不同的目标得到了具体跟踪数据 ,通过对比方位、俯仰角速度在天顶附近的变化规律 。

具有扰动观测及实时补偿的大型光电望远镜主轴控制技术

为了降低各种内外干扰对大型光电设备成像精度的影响,对控制回路进行了扰动观测补偿器设计。首先,通过开环实验方法估计出设计观测器所需要的控制量增益b;其次,通过仿真建模给出控制器的参数设计,并进行性能分析。结果表明,该控制方法能够在不增加系统闭环带宽的前提下,将系统在中低频段的扰动抑制能力提高10dB。最后,在直流有刷力矩转台上进行了性能对比实验。实验结果表明,与PI控制器相比,系统性能在低、中、高速3种状态下都得到了明显改善。0.1°/s的阶跃响应下调节时间减少3.7s;1°/s的阶跃响应下调节时间减少0.25s,且稳态误差从0.025 7°/s减小至0.018 9°/s;10°/s的阶跃响应下稳态误差从0.113°/s减小至0.061 7°/s。可见,使用同一组控制参数,该控制方法能实现在中低、中、高速运行下的高性能控制,且只需调试2个参数,简单易实现。

大口径光电望远镜风阻力矩自抗扰补偿研究

光电望远镜口径超过5m以后,应该补偿风阻力矩干扰,以提高光电望远镜跟踪精度。本文首次将自抗扰控制器应用于光电望远镜的伺服系统中,根据自抗扰控制器可以动态补偿系统模型扰动和外部扰动,将作为负载扰动的风阻力矩归为外部扰动,利用扩张观测器对包括风阻力矩的各项扰动进行观测和补偿。该方法能有效地抑制风阻力矩对系统的影响,同时提高伺服系统速度环的响应速度,减小了稳态误差且无超调。仿真结果表明,具有自抗扰控制器的调速系统,当随机风阻力矩在±100N·m之间变化时,系统稳态误差的均值为1.8×10-5rad/s,标准差为9.87×10-4rad/s,最大值约为5.7×10-3rad/s,其抗扰性能明显优于PID调速系统。

基于多体系统理论的光电望远镜误差建模分析

大型光电望远镜在空间目标探测和天文观测中发挥的作用越来越大,它的探测能力、指向精度是影响其发展的主要因素。首先分析了影响望远镜指向精度的各个误差,然后根据多体系统理论,构造望远镜拓扑结构,在此基础上建立其空间误差指向模型。根据得到的指向误差模型,分析研究了三轴误差对方位测角误差和俯仰测角误差的影响。区别于传统球谐方法,该误差指向模型更全面的综合了各项误差,对进一步的误差分配和误差补偿具有一定的指导意义。

地基光电望远镜对空间碎片探测能力的评估模型

为了提高地基光电望远镜观测空间碎片的运行效率,建立了地基光电望远镜探测能力评估仿真模型.综合考虑碎片几何过境、碎片信号辐射量、背景源信号辐射量、光信号在传感器平面的投影等影响,获得碎片信号的探测信噪比,并作为过境碎片能否被探测到的依据.采用1m望远镜进行地球同步轨道碎片观测实验,并对模型进行验证.结果表明:仿真观测的第谷2星表中4颗背景亮星与观测实验结果一致;由于碎片形状等光学特性不同,碎片辐射量星等值的实验值与仿真值最大相差1.58倍,误差值在合理范围内.基于信噪比探测原理的地基光电望远镜探测能力评估仿真模型合理有效,可为观测设备建设、观测策略制定等提供参考.

地基光电望远镜对GEO空间碎片探测能力分析

空间碎片的持续增加已严重威胁人类航天活动的安全。为了规避空间碎片对在轨航天器的威胁,需要通过观测获取空间碎片与航天器的位置等信息进行碰撞预警,为航天器采取规避措施提供参考。地基光电望远镜在高轨空间碎片观测方面有绝对优势,根据探测信噪比公式,计算望远镜最小可探测空间碎片的尺寸,并通过观测实验对尺寸计算公式进行验证,分析设备探测能力的影响因素,对两种观测模式下设备探测地球静止轨道空间碎片的能力进行分析,得到口径和曝光时间对探测能力影响的定量关系,可以为观测空间碎片设备建设等提供参考。

大型光电望远镜高集成智能伺服系统设计

对大型光电望远镜的高集成伺服系统进行了分析,并对其硬件进行了智能化、模块化、集成化设计,提高了系统的集成度和智能化水平,大大缩小了体积,增加了可靠性和可维护性。该系统可控制大部分大型光电望远镜的两轴伺服转台进行高精度跟踪与测量,覆盖范围广。

光电望远镜次镜精调Stewart机构优化标定方法

针对光电望远镜次镜精调Stewart机构的参数标定问题,在以往标定方法的基础上,首先,提出了在逆运动学模型基础上推导Stewart机构标定模型的方法,避免了正运动学求解析解困难、数值求解效率低且存在误差的问题;其次,对推导出的标定模型求解问题进行了分析,求解了其雅克比矩阵,针对模型系数矩阵不可逆的情况,提出了一种改进的高斯牛顿迭代法及具体的实验步骤;最后,分析了最小二乘原理导致的测量误差对精度影响大的现象,在Matlab中对设计的Stewart机构进行了标定仿真实验,在测量误差为0.1μm以下、标定精度平均提高56倍时,平均精度仅提高7.8倍。对样机进行标定后,位置精度平均提高了30.77倍,姿态精度平均提高了20.73倍。结果表明:该优化标定方法可以得到Stewart机构较精确的结构参数,从而有效提高其位姿调整精度。

基于重复控制的光电望远镜低速平稳性改善方法

分析了光电望远镜低速跟踪过程中的力矩波动对速率平稳性的影响,提出了一种基于重复控制算法的控制策略,并给出了该算法的稳定性分析和设计方法。另外提出了使用正弦法测量光电望远镜机械时间常数Tm的方法。实验证明:使用重复控制算法可以有效地抑制了由力矩波动引起的低频噪声,提高光电望远镜的低速跟踪能力。