空间天文望远镜自适应精密稳像闭环控制

针对空间天文望远镜低频段视轴扰动补偿问题,提出了一种基于主动光学技术的自适应精密稳像闭环控制方法。该方法以精细导星仪(Fine Guide Sensor,FGS)为高精度视轴扰动检测器,以四点支撑压电驱动大口径快摆镜机构(Fast Steering Mirror,FSM)为视轴扰动补偿器。首先,采用位置式PID控制器串联积分环节进行精密稳像闭环控制,得到补偿FGS检测出的二维视轴扰动所需FSM的二维摆动角度,进而根据驱动结构转换为每个支撑点的压电陶瓷执行器(Piezoelectric actuators,PZT)的伸缩量。然后,利用基于广义Bouc-Wen逆模型的压电动态迟滞前馈补偿方法进行高精度的压电陶瓷执行器定位控制。最后,根据有监督的Hebb学习规则,利用具有自学习和自适应能力单神经元对PID控制器参数进行调整,从而得到最优控制器参数。实验结果表明,所提控制方法能够有效地补偿空间天文望远镜的视轴偏差,可以将精细导星仪X方向和Y方向的星点质心位置偏差功率谱密度在0~6 Hz频段内积分值分别抑制了98.54%和98.62%。

南极光学天文望远镜控制软件关键技术

南极天文望远镜控制软件是望远镜软件系统的重要组成部分,是控制计算机在望远镜用户层和设备层之间运行的关键技术。对于用户层,控制软件需具备全自动观测的交互接口、卫星通信条件下的远程访问和故障诊断等功能;对于设备层,控制软件不但要完成对天体目标的精确指向和精密跟踪、计算并补偿系统误差和控制关键部件以达到目标像质,而且需实现对电源分配系统、除霜及加热系统的控制、设备及环境信息的采集和监测等。相比于普通台址,在南极大陆运行的光学天文望远镜有其独特的特点,控制软件需进行特殊设计。本文重点从操作系统选择、远程建立望远镜指向误差修正模型方法、全自动观测软件接口、卫星通信及远程运维、望远镜实时状态监测和故障诊断等方面探讨了南极天文光学望远镜控制软件的关键技术和设计原则,并展望未来技术的发展,为南极天文望远镜的研制和控制系统研发提供技术储备。

图解天文望远镜发展史(6)

新世纪的大型天文望远镜,进入21世纪以来,大型光学天文望远镜的建造不再是发达国家的专利,许多发展中国家也开始加大对天文学基础设施建设的投入.和平年代里的世界各国在空间和天文领域开展友好的竞争与合作,让人耳目一新的技术层出不穷,液态金属可以用来制造望远镜,新的光路结构可以兼具大口径与大视场的优势,超越10米量级的更大口径的望远镜也在各国的合作下开始建设.在不久的未来,人类将通过这些新设备逐步解开宇宙中更多的奥秘.

图解天文望远镜发展史(8)

射电天文望远镜(下)射电望远镜是射电天文学的主要观测仪器,用来研究来自天体的射电波,而这些天体距离我们非常遥远,导致它们所发出的射电波会变得极其微弱,所以射电望远镜需要非常大的口径去收集足够的射电能量来观测它们。正因如此,射电望远镜越建越大,下面就为大家介绍一下这些“大块头”中的夜者。

图解天文望远镜发展史(7)

射电天文望远镜(上)作为观测天体最主要的手段,光学望远镜在过去400多年里为我们带来了许多重大发现。一座座口径达数米甚至数十米的地基光学望远镜本身也成为了地标式的建筑。但对于想要参观这些望远镜的人们来说,在天文台外部却只能看到它高大的圆顶。

大型仪器设备开放共享工作“模范生”——大型天文望远镜的建设与开放共享

该文对大型天文望远镜的主要建设和运行环节进行梳理,并与大型仪器设备开放共享的要求比对发现,大型天文望远镜在学科领域上具有开放共享的共识。首先,建设单位基于科学设想制定设计方案,经专家论证后科学确定台址;其次,由出资部门严格把关资金预算;然后,由研制单位进行望远镜的设计、生产、装调和集成;最后,由建设单位负责运行维护并对观测数据进行开放共享。多单位密切配合、严格管理、共建共享的模式,是精准定位科研需求、优化资源配置的开放共享模式,有利于推动科研创新、人才培养质量和技术进步。大型天文望远镜鲜明的开放共享特色和示范性,是开放共享工作“模范生”。

图解天文望远镜发展史(4)

历史的车轮不断向前迈进,天文望远镜的制造工艺也在快速发展着。伽利略第一次指向夜空的望远镜口径仅15厘米,牛顿设计的第一台反射望远镜口径也只有33厘米。之后两个多世纪里,在惠更斯、肖特、赫歇尔、克拉克父子等制镜大师们的努力下,望远镜的口径突破了1米。

图解天文望远镜发展史(3)

早期的天文望远镜,从伽利略第一次将望远镜指向夜空开始,人类对宇宙的认识开始迈入了一个全新的时代。依据光学原理,口径越大的望远镜能够汇聚更多的光线,能看到更加遥远、更加暗弱的天体。人类终于超越了眼睛的限制,从此可以看到更多的星星。同时,口径越大的望远镜拥有更高的角分辨率,能够让我们看清天体的细节,例如月球上的环形山、土星光环、木星大红斑等等。

BIM在天文望远镜项目设计阶段的应用

建筑信息模型(Building Information Modeling,简称BIM)是建筑设施物理和功能特征的数字化表示。它以三维模型为基础,使项目利益相关者协同设计,并能通过分析软件进行性能分析和仿真模拟。天文光学望远镜作为科学驱动下的定制设备,结构复杂、研发周期长,在全生命周期均可采用BIM。本文根据天文望远镜项目开发需求,制定BIM应用的工作流程,期望利用BIM的优势,实现提高工作效率,降低成本的目标。

图解天文望远镜发展史(1)

天文望远镜发明之前的天文观测。数千年来,在人类文明的不断发展过程中,有人开始仰望星空,试图用日月星辰的变化规律来解释地球上的昼夜交替、寒来暑往。当然,起初都是依靠双眼进行观测,即便如此,人类也在很早时期就掌握了太阳的周日和周年变化规律,能够精确的测定夏至、冬至、春分、秋分,并有了日和年的概念;掌握了月球的相位变化及周期,并有了月的概念;除了日月之外,人们还发现有5颗星和其他恒星的运行规律并不一样,于是一周便确定了是7天而不是其他数字。

天文望远镜:探索宇宙更深的奥秘

据报道,我国计划于2023年底发射一颗新的X射线天文卫星--爱因斯坦探针,有望捕捉超新星爆发出的第一缕光,帮助搜寻和精确定位引力波源,发现宇宙中更遥远、更暗弱的天体和转瞬即逝的神秘现象。爱因斯坦探针卫星搭载由各类宽视场望远镜和后随望远镜组成的空间引力探测模组,其中,最为关键的宽视场望远镜在成像原理上首次采用了类似龙虾眼睛的多层结构聚焦成像原理,可同时实现超大观测视野和更高的探测灵敏度。

图解天文望远镜发展史(2)

天文望远镜的诞生与日心说的崛起在欧洲中世纪末期,关于太阳系大行星的运行,地心说依然占据着绝对的统治地位.虽然有关日心说的观测证据越来越多,但地心说依附在腐朽的教会统治下依然是当时的主流学说.不过随着几代天文学家的前赴后继,在天文望远镜诞生以后越来越多的观测证据面前,地心说的统治即将走向终点.

那些充满设计感的天文望远镜

光纤配镜子、“视网膜”加“瞳孔”、主镜好似蜂巢、遮星板犹如花瓣……随着科技的发展和社会的进步,越来越多具有设计感的天文望远镜成为人们仰望星空、探索宇宙的帮手。

高中劳技选修课的跨学科项目设计与实施——以“天文望远镜系列”项目为例

展示一个在高中劳技选修课中开展的跨学科项目——“天文望远镜系列”学习项目的设计与实施。该项目由天文、通用技术、物理三个学科教师对各学科知识进行整合,打破学科界限,培养学生解决现实问题的能力。

图解天文望远镜发展史(5)

20世纪末大型天文望远镜19世纪末到20世纪初,第二次工业革命的兴起不仅带来了更大规模的工业化生产,更细致的劳动分工,同时引发了科学技术的提升。这其中也包括机械、物流以及制镜工艺水平的提高,使得建造、运输和装配更大口径的天文望远镜成为了可能。20世纪初以量子力学、相对论以及核能的出现与应用为代表的科技革命使得基础科学研究达到了人类有史以来的最高水平。

月基光学天文望远镜(LOT)的杂散光分析

杂散光分析是保证月基光学天文望远镜(LOT)成像质量的关键技术之一.本文对月基光学天文望远镜进行了详细的杂散光分析,确定了系统的一次、二次散射路径.根据重要杂散光路径提出对主、次镜内遮光罩的改进方案,对改进后系统重新分析,计算了杂散光评价指标PST.和改进前相比,PST值降低了1～2个量级,离轴角为30°以后,PST值均达到10-10量级.

广角天文望远镜的自动调焦

介绍了一种基于步进电机(无位置检测传感器)和像质反馈的广角天文望远镜自动调焦系统,该系统由步进电机位置开环控制系统和图像清晰度评价系统组成。基于天文图像的特点,提出利用天体点源星像的半高全宽(FWHM)作为图像清晰度的评价参数;为了提高系统精度,对定位控制系统进行了误差分析;测定了调焦当量、光学焦深、系统回差、步进脉冲当量等系统关键机构参数,进而高精度地修正了系统定位误差;分析和测定了温度变化和像质变化的相关性,明确了调焦方向和温度变化之间的定性关系;设计了焦深边缘定位策略,实现了快速调焦。该系统具有"容错"和"自学习"功能,具有较高的自动化和智能化程度。将系统设计应用于SVOM天文卫星地基广角相机阵[1-2](GWAC),实际测试和天文观测表明,调焦系统的定位精度为±3.0μm,调焦精度为0.05pixel,且一次调焦过程即可获得最佳像质,调焦效率较高,系统运行也很稳定,基本满足天文观测的需求。

月基光学天文望远镜反射镜转台的设计

为了在月球上完成天文观测任务,对月基反射镜二维跟踪转台进行了热力学分析及结构设计。采用航天轻量化法设计反射镜的二维转动机构以减少载荷重量;采用外转子机构实现垂直轴系以大大提高系统沿发射方向的一阶模态。由于水平轴系跨度较大,设计中采用了一端固定另一端游动的精密轴系,并通过合理设计深沟球轴承游隙有效解决了温度变化导致的转动机构卡死的问题,进一步提高了机构的可靠性。为了满足精度要求,系统采用蜗轮蜗杆+步进电机驱动方式,严格控制蜗轮蜗杆的加工及安装工艺。在控制中以光电开关为位置定位元件,使得转台的单轴指向精度优于60″。验证试验显示:系统发射方向的一阶谐振频率达到81Hz,它可在-25℃^+60℃温度下正常工作,其指向精度(方位及俯仰)≤60″。结果表明该转台具有精度高、力学性能好、可靠性高、重量轻等特点。

南京大学65cm天文望远镜指向精度的修正研究

天文望远镜的准确指向是正常观测的重要保障,也是望远镜系统本身的一项重要测试指标.南京大学天文系65cm望远镜的成像CCD的视场较小,实际观测时,指向精度不高,待测天体的像往往不在视场内.为了修正南京大学天文系65cm望远镜的指向精度,2004年7月-8月,对该望远镜的指向精度进行了测量并通过指向误差函数进行了指向精度的修正.首先建立指向误差修正模型,通过对不同天区恒星的观测可得到该望远镜在相应方位的观测指向误差值,将观测值和理论模型拟合,从而得到指向误差修正函数.建立南京大学65cm望远镜的指向误差修正模型,然后对其观测的指向误差值进行拟合,最后用拟合函数对观测进行指向修正.结果表明,通过指向误差函数对指向误差进行修正,提高了该望远镜系统的指向精度,目前,不仅可以使观测的星象能在CCD视场内,而且改正后的指向精度略优于1′,在修正前望远镜系统的指向精度RMS(均方差值)是117″,修正后望远镜系统的指向精度RMS(均方差值)提高到38″.

大型天文望远镜高精度摩擦传动的研究

提出了一种大型天文望远镜高精度摩擦传动的光学检测机构,用来检测主、从动轮旋转轴线的扭转角。并设计了相应的调整机构。利用这套机构使得主、从动轮的扭转夹角控制在30″以内。实验结果表明,在运行过程中没有出现抖动现象。传动系统长时间平稳运行的低速可达0.2″/s,运动位置精度RMS值为0.01″左右。30min内低速可达0.05″/s,位置精度RMS值为0.009″左右。正弦运动幅值30′,最大速度36″/s,最大加速度为0.18″/s2。这些指标满足了LAM OST天文望远镜的技术要求。克服了由于安装等原因导致旋转轴线之间存在扭转角,进而使得天文望远镜所跟踪的目标在视场中出现抖动,甚至严重会漂移出视场的局限,实现了外圆摩擦传动主、从动轮旋转轴线在空间平行的理想位置。