原子时尺度分析研究

守时型原子钟主要包括氢原子钟和铯原子钟,为进一步探究不同类型守时原子钟计算时间尺度相关性能,本文开展全氢钟及氢铯联合时间尺度研究。首先依据国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)发布的d公报将氢原子钟进行分类,针对分类结果分别运用原子时尺度理论方法计算全氢钟时间尺度,并给出分析结果。随后计算全铯钟时间尺度,并分析探究两种不同的氢铯联合钟组时间尺度。结果表明,基于频率漂移量较小的氢钟组形成的时间尺度波动范围小,且稳定度优于频率漂移量较大的氢钟组形成的时间尺度。氢铯联合形成的时间尺度稳定度优于全铯钟时间尺度,不同的氢铯联合钟组计算得到的时间尺度结果相近。

基于时间频率数据平台的数据分析研究

时间频率数据是国家重要的信息资源,时间频率数据平台设计依托国家授时中心运行产生的时频数据、国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)和国际地球自转服务机构(International Earth Rotation and Reference Systems Service,IERS)公布的时间频率相关数据等实现,该数据平台可以为守时技术研究提供丰富的数据资源支撑。首先介绍时间频率数据平台的建设情况,随后利用数据平台汇交的本地守时系统比对和远距离链路比对数据开展守时技术研究,包括原子钟状态评估,主要分析原子钟异常跳变情况,研究跳变数据处理方法,针对不同类型守时钟,分析对比波动情况、稳定度等原子钟性能指标,此外基于ARIMA模型开展钟差预报研究。以上研究结果可为守时系统连续可靠运行提供重要参考。

1.2 m光电望远镜同时性三通道测光系统

基于科学级CCD相机的多色光度测量技术凭借着实用性强、简单有效等特点在天文观测中受到了广泛应用。针对传统多色测光技术缺乏同时性这一问题,本文介绍了一种新型的同时性三通道测光系统,采用分色的设计方式实现了Sloan Digital Sky Survey(SDSS)测光标准g′,r′和i′三个波段分光。首先,利用Zemax软件对三通道光度计的光学系统进行了仿真分析,仿真结果显示该系统符合总体设计指标且能够满足使用要求。然后,为验证该系统的光学性能,我们针对大量SDSS标准星开展观测,实测结果表明该设备在g′,r′和i′三个通道的视场分别为21.5′×21.5′,21.5′×21.5′和21.3′×21.3′,系统效率分别为65.6%,68.3%和63.7%,将曝光时间归算为1 s、信噪比为5时,计算得出的极限探测星等分别为15.26,16.39和15.63。接下来可通过对系统的优化,进一步提高其极限星等的探测能力。

1m望远镜俯仰轴系精度检测误差的修正

针对1 m望远镜俯仰轴系检测精度未达到系统指标,而系统运转性能优异的问题,研究了系统可能存在的可消除误差项。通过对影响1 m望远镜俯仰轴系精度的主要因素—中间体(四通)的有限元分析和运算,得出了四通在不同俯仰角度的变形曲线,并与实际检测结果进行对比,找出两者的相同特征并进行了补偿。按此方法使得望远镜俯仰轴系晃动误差PV值从2.42″降到0.95″,RMS值从0.7″降到了0.3″,提高了系统精度模型的准确性。推导出了设计过程中的检测指标,为更大口径望远镜轴系的设计和检测提供了理论依据。

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。

基于数字天顶仪的双轴倾角仪研究

数字天顶仪在进行天文定位的过程中存在轴系偏差.为了高准确度地进行倾角补偿,在考虑倾角仪参量的基础上精确推导了倾角的输出数据,并分析了倾角仪参量的准确度对定位结果的影响.得出当倾角仪双轴尺度系数变化值的平方和小于10-6时,倾角仪标定参量的变化对定位结果的影响可以忽略.对数字天顶仪的倾斜角和测站点位置准确度对倾角仪参量的标定准确度的影响进行了分析,结果表明倾角在大于100″时参量标定的准确度较高,当测站点位置误差小于0.23″时对于标定参量的影响较小.

转台误差对数字天顶仪轴系误差的影响

针对数字天顶仪在定位过程中存在的的轴系偏差,研究了如何对光轴与旋转轴、旋转轴与垂直轴之间的角度偏差进行补偿的方法。为了高精度地解算出测站点位置垂直轴的天文坐标,采用对称位置的两幅星图直接解算旋转轴的坐标,从而避免了光轴与旋转轴之间的补偿。采用双轴倾角仪测量倾角,并对旋转轴进行倾角补偿得出垂直轴的位置坐标。考虑进行轴系补偿时,转台误差会对旋转轴坐标和倾角补偿造成影响,分别研究了转台误差对于旋转轴以及倾角补偿的影响,并得出了转台误差的范围。实验结果表明:当测站点纬度的绝对值小于或等于88.3°时,转台误差必须小于或等于35″;当测站点纬度的绝对值大于88.3°时,转台误差值要小于|1 166.8cosδ|″。在对称位置解算测站点位置坐标时,必须提高转台的精度,以减小转台误差对于定位精度的影响。

高精度二轴跟踪系统四通结构的设计与分析

根据高精度二轴跟踪系统的光学方案,设计了跟踪架中的四通结构。基于有限元法,应用MSC.Patran/Nastran软件对其进行了负载情况下的静力学分析;运用协方差法计算库德光路光轴偏角及各个反射镜镜面偏转。结果表明:只考虑四通自重和芯部静载荷情况下,俯仰角由-90°^+90°变化时,四通经轴线上的最大变形量呈正弦曲线变化,最大为3.19μm,满足设计指标要求;由结构变形引起的库德光路光轴偏角最大为6.90,″满足系统精度要求。采用平行光管实测光轴偏角,与分析结果基本吻合,说明结构设计合理,分析所得数据正确可靠。

一种基于快速反射镜的星敏感器图像稳定系统

在机载星敏感器工作过程中,大气抖动和载体晃动将会导致星图模糊产生拖尾,影响测量精度,降低观测效率。基于快速反射镜的星敏感器图像稳定系统通过补偿图像位移保持光路的稳定性。首先利用改进的质心提取算法对星敏感器获取的星图进行开窗搜索,然后在窗口内计算星点质心坐标,以获得星点相对于图像中心的脱靶量。控制系统根据脱靶量驱动音圈电机,带动快速倾斜镜反向位移,补偿外界运动,将星点控制在图像中心,以达到稳定图像的目的。研究结果表明,当系统的校正频率为100Hz,曝光时间为8ms时,图像晃动的幅度可减小约3个像素。载体运动对成像的影响基本消除,同时大气抖动导致的图像抖动也被大大改善,系统的观测效率得以显著提升。

基于偏振干涉成像光谱仪的视场增强和相位热漂移补偿关键技术的研究

偏振干涉成像光谱技术以傅里叶变换光谱学为理论基础,以一系列起偏/检骗器、剪切分束器和延时晶体等双折射晶体材料为主要结构,较之传统光栅式色散型光谱仪具有多通道、图谱合一、大光通量、高信噪比和抗环境振动干扰等一系列优点,并且结合多普勒光谱学相关原理和技术,已被广泛应用在各种天文学和天体物理学测试与计量领域如空间遥感、视向速度、宇航飞行、月球探测等。但是许多前人研究工作中仍然存在两个尚未妥善解决的问题:(1)视场受限。普通型偏振干涉成像光谱仪存在远场条纹的弯曲而使系统视场角限制在±2°以内,严重影响傅里叶变换后的光谱重构精度;(2)相位热漂移。晶体的热胀冷缩和双折射率之差随温度变化的特性导致像面干涉条纹发生随机抖动误差,将严重影响以多普勒频移为原理的视向速度等测量精度。因此,首先引入一块半波片构成增强型的Savart剪切分束器实现主动的视场展宽,可以使增强后的观察视场角达到±10°左右。这一改进不仅提高了傅里叶光谱变换的算法精度,同时也大幅增加光通量从而实现对微光光谱进行高信噪比的探测与标定。另外,为了消除环境温度造成的相位热漂移误差,选用偏硼酸钡(α-BBO)和铌酸锂(LiNbO3)两种晶体进行精密组合匹配。该关键技术利用这两种晶体的双折射率之差随温度变化的相反特性,从而实现相位热漂移误差补偿。实验证明,在实验室环境温度下热相位漂移误差不超过0.02rad。通过这些方案改善偏振干涉成像光谱仪的测试精度,拟实现对天文光梳以及其他大型天文光谱仪器快速而精确的标定与测试。

基于空间机构学的Coude光路装调方法

库德光路光学元件多且空气间隔长,导致随着望远镜口径的增大装调难度急剧增加,因此将计算机辅助装调技术引入到Coude光路装调对准中。首先利用了机器人运动学方程的D-H表示法对库德全反射光路进行建模,然后根据光路误差来源讨论了蒙特卡洛模拟在Coude光路装调对准中的应用,通过分析各个镜面的影响权重,确定了系统装调顺序;最后,将蒙特卡洛法作为优化算法,得出了Coude光路装调后的理想结果。通过模拟仿真,证明了该方法可以将Coude光路靶面目标圆半径由5 mm下降到装调后的0.3 mm。结果表明:该方法简单、快速,而且精度高,对于全反射光路的装调是可行有效的。

并联机构运动跟随仿真及精度映射

三十米望远镜(TMT)的观测设备位于望远镜两侧的奈氏平台上,使得TMT拥有独特的三镜系统。为保证成像的稳定,三镜系统应具有跟踪瞄准的功能,必须设计相应的机构使三镜系统具有二维调整的能力。三镜系统由两个轴系组成,分别为Rotator轴和Tilt轴。由于Tilt轴调整量为16°,所以,拟使用一个大型的Stewart平台来替代实际的Tilt轴系,以实现三镜在空间中的Tilt调整。以前期工作得到的Stewart结构参数为前提,采用逆运动学控制策略,在Simulink中建立了相应的数学模型。另外,在动力学仿真软件ADAMS建立了相应的Stewart平台的三维结构,并通过与Simulink的联合仿真,得到了系统在六个方向上的跟随情况,并通过引入误差的方法研究了该结构在工作空间中支腿误差到动平台位姿误差的传递情况。分析结果表明,上述结构在工作空间中支腿精度到动平台U方向的最大映射系数为1.4,需选择精度优于0.69μm的支腿才能满足TMT三镜系统跟踪要求。为现有的设计在逆运动学的控制策略下能够满足TMT三镜系统Tilt调整的需要。

大视场天文定位系统多星同步检测算法研究与实现

在对大视场天文定位系统多星同步检测中的星体目标和噪声特性进行分析的基础上 ,提出了采用图像平滑滤波、灰度拉伸及二值化、目标相关处理等较为实用的星体目标提取算法。实验结果表明 ,该图像处理算法效果良好。

基于PXI总线的通用伺服控制卡的设计方法

伺服控制器是伺服控制系统的1个重要组成部分,主要功能为完成精密跟踪算法的运算及控制相关对外通讯、电气接口。PXI总线是由美国NI公司于1997年发布的1种新的开放性、模块化仪器总线规范。PXI结合PCI的电气特性和欧洲卡机械封装以及高性能IEC连接器,使之具有PCI总线的高性能和欧洲卡结构的高可靠性。提供了基于PXI总线和浮点数字信号处理器TMS320F28335的通用伺服控制卡的设计方案,给出了详细的硬件设计方法和基于该控制器的伺服控制软件的软件设计方法。

天体角度射电测量装置的设计与试验

介绍了天体角度射电信标电磁波辐射特性和射电测量装置的组成,研究并选择了射电信标跟踪测量模式,进行了圆锥扫描天线系统设计,完成了接收机系统设计及灵敏度计算。在此基础上,进行了测天试验,实测结果表明:天体角度测量装置的最高测角精度达到了5.2″,最差测角精度不超过29.7″。

高性能火箭探空仪研究与实现

针对高性能火箭探空仪探测参数多、数据处理密集、控制复杂、实时性强等特点,提出了主-从处理器体系结构和构造模型链的实时多任务调度方法;采用在系统可编程技术(ISP)实现系统重构和传输数据加密、解密编码。该方法可应用于其它类似飞行器的数据处理。

基于恒星敏感器的仪器星等修正方法

基于恒星敏感器的仪器星等修正方法主要包括星际消光计算(大气层外)与大气消光计算(大气层内)两部分。通过对SKY2000原始星表的恒星星等进行转换计算,修正后星等差一般为0.5星等左右,且与观测仪器的光谱响应有关。

液环真空泵相似定律的试验研究

目前液环真空泵的设计方法仍主要沿用离心水泵的相似定律,但液环真空泵的工作原理、介质和流动规律与离心水泵有很大的区别。本文以2BE1型液环真空系列泵为研究对象,采用外特性性能试验方法,通过改变泵转速和几何比值等参数,对试验数据进行拟合回归,得到液环真空泵吸气量、轴功率等性能参数的相似定律,这一方法为液环真空泵的优化设计和应用提供依据。

快前沿纳秒高压脉冲源的开发及实验研究

针对国际电工委员会1996年制定的IEC61000 2 9和美国国防部1999年修定的MIL STD 461E标准提出的高空核爆电磁脉冲波形,研制了一台新型纳秒高压脉冲源。其产生的双指数波脉冲前沿小于3ns,脉宽58ns,幅度可达4kV,此外还可产生前沿小于2ns、幅度最高为4kV的脉冲方波;两种脉冲均可实现单次和间歇可调输出。介绍了脉冲源的电路设计和调试结果,通过实验对比了MIL STD 461E与MIL STD 461D两种双指数波形条件下某测控系统模块的干扰耦合效应。

数字天顶摄影仪的图像处理

垂线偏差的测量过去一直受天文坐标测量困难的影响而效率低下 为了快速、精确地测得垂线偏差 ,提出了利用大面阵CCD构成数字天顶摄影仪 ,对拍摄的恒星影像进行搜索、细分定位处理 ,计算出测站点的天文坐标的基本原理 ;再根据GPS测得的大地坐标 ,解出垂线偏差 并且结合本系统自身的条件 ,提出了快速在大面阵CCD图象中搜索多个恒星目标的新方法 通过软件模拟 。