大F数高分辨率空间望远镜光学系统

针对离轴三反射镜光学系统,分析了改变入射光的平均波长时,大F数望远镜系统在奈奎斯特频率处实验室静态传递函数的变化规律,进而论证了大F数望远镜的可行性。分析结果表明:对于大F数空间望远镜,其入射光平均波长愈短,它的传递函数值愈高,愈能满足对地面分辨率的要求,该结论可作为研制轻型空间望远镜的参考。     

2m望远镜主轴交流伺服控制系统设计

为了满足2m口径望远镜低速跟踪精度的要求,本文主要介绍了基于永磁同步力矩电机的望远镜交流伺服控制系统设计方法,首先,辨识出了系统结构的频率特性曲线;其次,根据系统的频率特性曲线设计了结构滤波器,以减小结构模态引起的谐振幅值;然后,根据系统的控制性能指标要求,设计了位置回路控制器和前馈控制器,以提高系统的位置跟踪性能;最后,在设计的硬件平台上进行了望远镜转台的低速控制实验。实验结果显示,当望远镜跟踪斜率为0.36″/s的位置斜坡曲线时,速度平稳性较好,位置跟踪误差RMS为0.006 1″,实现了极低速度跟踪的效果;在速度为5°/s,加速度为2°/s2条件下的正弦引导最大误差值为0.3″,稳态误差RMS值为0.066″。实验结果表明,2m口径望远镜交流伺服系统的设计满足了系统跟踪精度的要求,为大型望远镜交流伺服控制系统的设计提供了一定的参考。     

大口径光学望远镜油垫非线性干扰的检测与抑制

研究了静压油垫带来的非线性干扰对大口径天文光学望远镜跟踪精度的影响。分析了油垫干扰的成因;综合采用加速度计法和编码器法,精确测得了油垫的非线性干扰频率;通过分析油垫开启前后的振动曲线、编码器位置曲线及其快速傅里叶变换（FFT）曲线,提出了油垫液压振动是一种窄带干扰。然后,采用Notch数字滤波器,将陷波频率设置在主要干扰频率处来抑制油垫液压振动干扰。给出了滤波器的具体设计过程及其Bode图和零极点图。当需要调整油膜厚度时,可改变Notch参数来适应干扰频率的变化。最后,给出了带Notch滤波器的控制系统和滤波结果。仿真和2.5 m天文望远镜的实验结果表明：通过检测并抑制油垫0.825 Hz的主要干扰,望远镜可在保证运动控制系统原有的稳定性和响应能力的情况下,方位轴跟踪精度达到RMS值为0.0837″,PV值为0.571″。相对于脉动衰减装置,该方法灵活、简单、通用性好。     

望远镜主转动框架设计分析方法

利用有限元方法，完成对望远镜主转动框架的结构静力分析和模态分析。并利用有限元中建立刚性区和坐标变换等方法进行了简化模型。阐述了基于有限元分析的结构模型的建立及简化处理过程，利用ANSYS软件完成了静力及模态分析计算，通过分析的结果为工程实际提供参考和建议，为主转动框架的分析提供了一种新的思路。     

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.     

FAST深空数据传输速率分析

500 m口径反射面射电望远镜(FAST)是目前世界口径最大、最灵敏的射电天文望远镜.为了分析FAST对深空探测任务的数据传输支持能力,利用数据传输链路预算分析方法,在规定特定工程余量的条件下,详细计算了FAST应用在内行星、外行星及柯伊伯带(Kuiper belt)天体探测任务中的数据传输速率.计算结果表明,FAST等效成口径300 m的地面接收天线,能使目前的深空通信数据下行传输速率提高70~400倍,未来其将会强有力地支持我国的火星、木星等深空探测任务.     

FAST馈源支撑系统位姿分配方法研究

为实现五百米口径球面射电望远镜(Five-hundred meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)馈源支撑系统馈源终端的高精度轨迹跟踪及防止馈源支撑索力超限,研究了馈源支撑系统星形框架和AB轴机构对目标终端位姿的分配算法。首先,根据馈源支撑系统机构特征,综合馈源舱的重心时变及其采用的回照策略,建立了带有馈源舱回照策略的考虑馈源舱重心时变的悬索牵引并联系统力学模型。然后,为解决AB轴机构与星形框架间的运动耦合问题,设计了两种馈源支撑系统位姿分配算法:优先保障六索索力均衡的位姿分配算法和优先保障馈源接收终端定位精度的位姿分配算法。最后,通过仿真对两种算法在馈源终端定位精度和索力分布情况两个方面的性能进行分析。仿真结果表明:前一算法能使六索索力分配均匀,但是引入了最大1.2°的馈源接收终端指向误差,已超出工程指向精度范围。后一算法的六索索力波动较大,但索力没超限或虚牵,能保证馈源接收终端的位姿,此算法满足工程需求。     

基于结构函数的大口径望远镜中频误差分配研究

为了更好地对于大口径望远镜中频误差进行评价与分配,本文引入了结构函数来进行研究。本文首先对于结构函数的基本性质进行了推导,并与传统的误差均方根(RMS)进行比较,表明了其表征不同尺度误差的能力。之后分析了系统波前在不同的评价尺度下的统计特性差异,得出在较小尺度下,系统的误差分布可以较好的服从正态分布,而随着尺度的增加(如大于100mm)会逐渐偏离正态分布的结论。然后根据结构函数的基本性质,提出了一种可以同时考虑诸多误差源的大口径望远镜中频误差分配方法。结合美国三十米望远镜(TMT)团队所提出的标准化点源敏感性(normalized Point Source Sensitivity,PSSn),建立起了由结构函数到标准化点源敏感性的换算关系,通过此方法来进行误差分配指标间的交叉验证以及与其他单元技术之间的对接。最后,根据本文所提出的方法,对于某大口径望远镜的主镜系统进行了误差分配,得到在大尺度均方根为25nm,粗糙度为1nm,中频尺度为250mm,大气相干长度为0.4m(检测环境)的要求下,该系统的结构函数满足要求,同时由要求结构函数所计算得到的PSSn=0.999 6大于由镜面数据直接得到的PSSn=0.999 5,同样满足要求。     

基于液压支撑的大口径主镜稳像技术

望远镜的俯仰运动会使主镜相对镜室的位置发生改变,进而影响望远镜的稳定成像。为了校正主镜位置变化,本文提出了利用液压支撑对主镜相对镜室位置进行实时控制,实现对主镜稳像的方法。利用实验室现有的1.23mSiC主镜为监测目标搭建了测试系统,设计了基于6个位移传感器的位置监测系统。在未启用和启用液压稳像技术两种状态下,测试了主镜位置变化,并对主镜位置进行解算,试验结果表明液压支撑技术有确实的稳像效果。当镜室转动40°时,未稳像的主镜其X向平移变化为150μm,绕X轴转角为2.5"。采用液压稳像后,X向平移变化减小为3μm而绕X轴转角减小为0.4"。测试结果表明,基于液压支撑的主镜稳像技术可以实现对主镜位置的实时检测和控制。     

基于摩擦模型的反演滑模控制在大型望远镜上的应用

根据永磁同步电机驱动的大型望远镜转台对指向精度与低速跟踪精度的要求,设计了基于摩擦模型的反演滑模控制器。建立了基于摩擦模型与外部扰动的系统模型;然后,按照反演设计方法,设计了离控制输入最远的子系统,在设计过程中加入滑模控制,从而减小非线性摩擦因素与外部风载等对指向精度与跟踪精度的影响。通过理论仿真和实验研究验证了该方法的有效性。结果显示:所设计的反演滑模控制器具有较好的动态响应,对扰动等不确定性因素具有较强的鲁棒性,当位置阶跃指令为4.6″时,稳态误差为0.048 51″,比传统的PI控制算法减小21.4%;当输入斜率为5(″)/s的位置斜坡指令时,稳态跟踪误差为0.031 26″,比传统的PI控制算法减小30.1%。结果表明提出的方法能够提高望远镜控制系统的指向精度和低速跟踪精度。