空間大口徑望遠鏡先進穩(wěn)像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,天文學(xué)論文

空間大口徑望遠鏡先進穩(wěn)像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,天文學(xué)論文隨著人類科技的發(fā)展及技術(shù)需求的增加，當前對于空間望遠鏡要求具有越來越大的口徑和越來越高的穩(wěn)像精度。尤其是天文觀測領(lǐng)域，由于對宇宙誕生及演化、黑洞和暗物質(zhì)等前沿領(lǐng)域的迫切探尋求索需求，當前國際上的高水平空間相機一般要求毫角秒級別的穩(wěn)像精度，如Hubble天文望遠鏡要求到達0.007的穩(wěn)像精度。高精度穩(wěn)像控制系統(tǒng)直接決定著空間望遠鏡的成像質(zhì)量，是一項需要充分重視和深切進入研究的關(guān)鍵技術(shù)?？臻g大口徑天文望遠鏡實現(xiàn)毫角秒級別的穩(wěn)像精度是非常困難的。多種復(fù)雜的影響因素均會對穩(wěn)像精度造成影響。如搭載于飛行器之上的空間望遠鏡會遭到飛行器軌道運動和姿態(tài)變化的影響，望遠鏡內(nèi)外部的振動條件也會影響指向精度;直接暴露于外空間環(huán)境的望遠鏡還會遭到宇宙中多種擾動力矩的影響(如近地軌道中的太陽輻射光壓、重力梯度、氣動和地磁等力矩)。這些影響因素中，尤其以振動為主，由于空間望遠鏡及載體振源復(fù)雜且分布于較寬頻帶，為實現(xiàn)高精度穩(wěn)像，需要控制系統(tǒng)具有足夠的帶寬。然而一般情況下，空間大口徑望遠鏡由于具有較大的體積、質(zhì)量和柔性附件(如太陽帆板)等原因，普遍構(gòu)造基頻較低，構(gòu)造基頻會嚴重限制控制系統(tǒng)帶寬的增大。除此之外，各種傳感器噪聲以及執(zhí)行器的非線性影響也需要在穩(wěn)像控制系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)過中得到充分重視。為此，空間大口徑望遠鏡的穩(wěn)像控制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要充分考慮各種擾動源，采取隔振措施抑制振動，合理設(shè)計望遠鏡的構(gòu)造特性，考慮多級控制系統(tǒng)級聯(lián)的設(shè)計方案。當前，國內(nèi)地基大口徑望遠鏡的穩(wěn)像控制已經(jīng)比擬成熟。為提高控制精度，普遍采用多級復(fù)合軸控制系統(tǒng)，一些抗擾能力較強的控制算法如滑模變構(gòu)造、自抗擾、內(nèi)模等方式方法也得到了工程實現(xiàn)，但是國內(nèi)尚無在軌運行的空間大口徑望遠鏡。鑒于空間大口徑望遠鏡穩(wěn)像控制系統(tǒng)的重要性以及難度，本文對當前國際上自由飛行和載體搭載兩種形式空間相機的具有代表性的穩(wěn)像系統(tǒng)的發(fā)展情況進行了綜述，重點介紹了其設(shè)計思想和設(shè)計方案，在這里基礎(chǔ)之上，總結(jié)了當前先進穩(wěn)像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。為我們國家今后的空間大口徑望遠鏡高精度穩(wěn)像系統(tǒng)的發(fā)展提供了設(shè)計參考和根據(jù)。2自由飛行形式2．1Hubble天文望遠鏡采用自由飛行形式的空間望遠鏡一般采取飛行器和望遠鏡一體化設(shè)計，飛行器為望遠鏡的穩(wěn)像控制服務(wù)，一般采用反作用輪、控制力矩陀螺(GMC)等作為執(zhí)行器，采用星敏感器、陀螺等慣性傳感器和精致細密導(dǎo)星儀等圖像傳感器作為測角傳感器。Hubble天文望遠鏡(如此圖1所示)是華而不實的一個典型代表。Hubble要求達到0.007的指向穩(wěn)定度和90/18min的姿態(tài)機動能力。Hubble的控制系統(tǒng)(如此圖2所示)主要采用被動隔振和姿態(tài)控制相結(jié)合的方式方法實現(xiàn)精致細密穩(wěn)像。采用速率陀螺與星敏感器組合實現(xiàn)粗慣性測量，速率陀螺與精致細密導(dǎo)星傳感器(測量精度為0.003)組合實現(xiàn)精慣性測量，由反作用輪提供姿控力矩。為知足高精度指向需求，考慮了太陽帆板柔性的影響，合理設(shè)計了構(gòu)造動力學(xué)參數(shù)與控制系統(tǒng)參數(shù)，保證充分的幅值和相位裕度;每個反作用輪加裝三對流體阻尼隔振器隔離振動。由于當時技術(shù)條件限制，其精致細密導(dǎo)星傳感器非常復(fù)雜(如此圖3所示)，主要由Pickoff反射鏡、非球面校準鏡、星選擇器A和星選擇器B(各由一個伺服系統(tǒng)驅(qū)動)，折轉(zhuǎn)鏡、濾光輪、分光鏡、兩個Koesters棱鏡(沿X、Y軸垂直放置)和4個光電倍增管等組成。兩個Koesters棱鏡，4個光電倍增管以及折轉(zhuǎn)鏡組成了一個兩維干預(yù)儀，這樣，能夠分別測量兩個軸的角位移信息。2．2JWSTJamesWebbSpaceTelescope(JWST)與其之前的概念設(shè)計下一代空間望遠鏡(NextGenerationSpaceTelescope，NGST)(如此圖4所示)采用了被動隔振和粗、精兩級復(fù)合軸穩(wěn)像系統(tǒng)方案。穩(wěn)像系統(tǒng)以NGST為例，如此圖5所示:粗級系統(tǒng)為位于衛(wèi)星基座處的慣性姿控系統(tǒng)ACS，包括星敏感器、陀螺組成的慣導(dǎo)系統(tǒng)和反作用輪;精級穩(wěn)像系統(tǒng)為快擺鏡FSM，包括微角度調(diào)整機構(gòu)和精致細密導(dǎo)星測量系統(tǒng)。ACS控制帶寬設(shè)計為0.025Hz，遠低于構(gòu)造模態(tài)頻率;FSM帶寬為6Hz，采用旋轉(zhuǎn)平衡機構(gòu)，避免在帶寬內(nèi)激發(fā)柔性模態(tài)。除此之外，在反作用輪上加裝1Hz隔振器。系統(tǒng)實現(xiàn)了0.0048的穩(wěn)像指標要求。JWST的精致細密導(dǎo)星測量系統(tǒng)位于焦面的兩塊邊緣視場，每塊區(qū)域占2．32．3的視場，覆蓋有2k2k的HgCdTe探測器。導(dǎo)星測量系統(tǒng)的指標參數(shù)如表1所示。導(dǎo)星傳感器的工作形式主要有辨別經(jīng)過、捕獲經(jīng)過和精致細密導(dǎo)星經(jīng)過。它是利用電子學(xué)的方式方法搜索捕獲導(dǎo)星，相比于HST的導(dǎo)星測量系統(tǒng)，速度要快很多。在NASA公開的文獻中，未介紹實現(xiàn)如此高精度測量的亞像元細分定位技術(shù)的細節(jié)，需要進一步深切進入研究。JWST的快反鏡是空間望遠鏡中的一個典型例子?！颈?】如此圖6所示，快反鏡由鏡體構(gòu)造(包括平面鏡及鏡架)、柔性支撐、差分阻抗傳感器(測量微小位移)和音圈電機組成。每一對音圈電機通過推拉方式驅(qū)動將平移運動轉(zhuǎn)化為鏡體的小角度轉(zhuǎn)動。主要性能指標如表2所示?！颈?】2．3ATLAST-8MATLAST(TheAdvancedTechnologyLarge-Ap-ertureSpaceTelescope)是NASA規(guī)劃的繼JWST相機之后的大口徑天文望遠鏡。華而不實8m口徑方案的相機(如此圖7所示)估計在2020年代發(fā)射于L2點。ATLAST-8m的穩(wěn)像控制系統(tǒng)也是一個典型的復(fù)合軸系統(tǒng)。華而不實粗級為姿態(tài)控制系統(tǒng)，由剛性固聯(lián)在相機上的慣導(dǎo)系統(tǒng)(包括加速度計、陀螺和寬視場星敏感器)測量相機質(zhì)心的位置和姿態(tài)，采用基于動力學(xué)模型的反應(yīng)線性化算法、當代濾波和標定算法，由控制力矩陀螺實現(xiàn)相機2的姿態(tài)控制精度。精級系統(tǒng)為超精致細密穩(wěn)像系統(tǒng)(如此圖8所示)，主要包括精致細密偏移圖像運動傳感器、快反鏡(由壓電陶瓷驅(qū)動)和活動次鏡(作為光學(xué)補償器，采用電磁微驅(qū)動方式)，通過數(shù)字PID算法實現(xiàn)0.00151的高精度穩(wěn)像控制指標。為實現(xiàn)高精度穩(wěn)像，ATLAST-8m對GMC的振動采用了特殊處理，通過對每一個力矩陀螺的轉(zhuǎn)子進行5自由度氣浮，以及將力矩陀螺經(jīng)過振動吸收框架安裝于相機本體之上，使得傳遞至相機的振動幅值降低至0.0002。2．4無擾動載荷概念上述空間相機一般采用粗精復(fù)合控制+被動隔振手段實現(xiàn)精致細密指向控制和振動抑制，在設(shè)計經(jīng)過中需要充分考慮系統(tǒng)構(gòu)造模態(tài)、傳感器噪聲及各種振動的影響，綜合設(shè)計控制器帶寬和構(gòu)造動力學(xué)特性參數(shù)，并進行屢次迭代優(yōu)化，方能知足設(shè)計指標要求，且對構(gòu)造設(shè)計和擾動源要求極高。并且由于被動隔振器隔振性能有限，對低頻振動無能為力，甚至?xí)兴糯?。針對以上問題，美國LockheedMartin公司的NelsonPedreiro提出了基于磁懸浮技術(shù)的無擾動載荷(Dis-turbance-FreePayload，DFP)設(shè)計概念。如此圖9所示，整個系統(tǒng)包括載荷模塊(如空間相機)和平臺模塊(如衛(wèi)星平臺)。載荷與平臺之間通過非接觸調(diào)節(jié)器(如磁懸浮調(diào)節(jié)器)相連，數(shù)據(jù)和電源信號通過無線方式傳輸，消除了載荷與平臺之間的物理接觸。以安裝于載荷之上的姿態(tài)傳感器(如星敏感器、陀螺或精致細密導(dǎo)星傳感器)敏感載荷慣性姿態(tài)，控制非接觸調(diào)節(jié)器帶動載荷運動，進而實現(xiàn)載荷姿態(tài)和位置控制;以安裝于載荷和平臺之間的位置傳感器敏感載荷和平臺之間的相對姿態(tài)和位置，控制平臺調(diào)節(jié)器(如反作用輪和推進器)帶動平臺運動，使得載荷和平臺之間的磁懸浮調(diào)節(jié)器不至于超出行程范圍，保持載荷和平臺之間的無物理接觸狀態(tài)。由于磁懸浮調(diào)節(jié)器電流環(huán)帶寬非常高，平臺的振動引起的反電勢幾乎能夠被完全抑制，因而平臺振動不會通過調(diào)節(jié)器傳遞至載荷。載荷運動對平臺產(chǎn)生的反作用力和力矩能夠通過動力學(xué)計算得到，并傳遞至相對姿態(tài)和位置控制器進行實時補償，進而實現(xiàn)高精度主動振動抑制和精致細密指向。六自由度DFP多設(shè)計為懸浮Stewart平臺形式。在地面氣浮平臺試驗中，該方式方法實現(xiàn)了全頻段-51dB(1/355)的主動隔振效果(如此圖10所示)。將該方式方法應(yīng)用于NGST相機的穩(wěn)像控制(無快反鏡介入精級穩(wěn)像的前提下)，仿真分析結(jié)果表示清楚X和Y方向穩(wěn)像精度分別為0.0032和0.0034(RMS)。該方案也應(yīng)用于TPF(Terrestri-alPlanetFinder)Coronagraph(圖11)和Laser-com(Lasercommunications)(圖12)的概念性設(shè)計之中。采用該技術(shù)，即在相機和衛(wèi)星平臺之間增加一級DIPPS(DisturbanceIsolationandprecisionPoint-ingSystem)與DFP功能作用一樣，在無快擺鏡介入的情況下，實現(xiàn)0.0013的穩(wěn)像控制精度。3載體搭載形式3．1SOFIA相機采用載體搭載形式的空間相機一般載體(如衛(wèi)星、飛船和空間站等)不完成粗指向控制，需要空間相機本身的控制系統(tǒng)實現(xiàn)粗指向和精致細密穩(wěn)像。對于小型相機，采用地面系統(tǒng)常用的跟蹤架方式是一種較好的成熟選擇。然而對于將來大口徑、展開式、拼接主鏡甚至于在軌組裝需求趨勢，超大體積及質(zhì)量的跟蹤架對于空間應(yīng)用顯然是難以接受的，需要進行特殊的構(gòu)造形式設(shè)計。如此圖14所示，StratosphericObservatoryforIn-fraredAstronomy(SOFIA)安裝于波音747之內(nèi)。采用3維球形力矩電機驅(qū)動，減小了質(zhì)量和體積。SOFIA的穩(wěn)像精度指標為0.2。與其他空間相機有所區(qū)別的是SOFIA除遭到飛機平臺振動影響之外，由于艙口開放受氣動影響較大，SOFIA采用被動空氣彈簧系統(tǒng)(振動隔離系統(tǒng)VIS)隔離部分飛機振動。SOFIA的穩(wěn)像控制系統(tǒng)如此圖15所示。主要包括剛體姿態(tài)控制器(精致細密驅(qū)動控制器FD)和相機柔性形變前饋補償器(FBC)。剛體姿態(tài)控制器包括三個單輸入單輸出控制器，分別對應(yīng)于相機的三軸，在控制器設(shè)計中，忽略了三軸之間的運動耦合，采用經(jīng)典控制理論設(shè)計控制算法。相機的角速度由光纖陀螺測量得到，轉(zhuǎn)速信息反應(yīng)至內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)，陀螺積分得到的角度信息反應(yīng)至外環(huán)位置環(huán)。位置環(huán)設(shè)計為PD控制器，轉(zhuǎn)速環(huán)為PI控制器并設(shè)計增加濾波器(零極點對、陷波濾波器和低通濾波器)以補償構(gòu)造柔性模態(tài)影響?？刂破鲙挒?～8Hz。假如焦平面的圖像對外部擾動的響應(yīng)特性能夠完全確知，則大部分的圖像運動能夠由FBC進行補償。如飛機的平移加速度由安裝于相機之上的加速度計觀測得到，假如由慣性加速度至圖像運動的傳遞函數(shù)能夠精到準確得到，則通過設(shè)計前饋濾波器補償飛機振動帶來的影響。同樣氣動的影響能夠由陀螺測量得到并采用同樣方式方法補償。FD的力矩電機和快反鏡均可用于完成柔性補償，快反鏡具有補償FD帶寬之外(30Hz)擾動的能力。由于放置于艙內(nèi)，開口有限導(dǎo)致視場受限，SOFIA的設(shè)計思想并不太適用于大多數(shù)的空間相機。3．2OPTIIX當前，機械臂技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空間領(lǐng)域，如航天飛機上的加拿大臂1號與國際空間站上的加拿大臂2號(如此圖16所示)。機械臂與跟蹤架相比有體積小、質(zhì)量輕、可折疊等優(yōu)點，能夠減小發(fā)射質(zhì)量和安裝空間。從以上幾點考慮，采用機械臂驅(qū)動空間相機無疑是一種較好的選擇。如此圖17所示，估計于2021年安裝于國際空間站，為將來在軌組裝相機做前期試驗準備的1.5m口徑拼接主鏡空間相機OPTIIX(theOpticalTestbedandIntegrationonISSExperiment)，就采用了機械臂驅(qū)動的方式。OPTIIX的機械臂繼承了國際空間站Robo-naut2(R2，如此圖18所示)擬人機器人的手臂技術(shù)，機械臂的每個關(guān)節(jié)采用無刷力矩電機、電磁失電制動器和諧波齒輪減速器。OPTIIX的整體穩(wěn)像系統(tǒng)分為三級。粗級機械臂系統(tǒng)利用星敏感器和陀螺反應(yīng)信息提供俯仰、偏航和橫滾3個自由度的粗指向;粗快反鏡為第二級穩(wěn)像系統(tǒng)，利用陀螺前饋數(shù)據(jù)完成控制;三鏡為精級穩(wěn)像系統(tǒng)，通過精致細密導(dǎo)星相機實現(xiàn)穩(wěn)像。然而，機械臂驅(qū)動空間相機完成指向控制也具有一些固有的弱點，如多關(guān)節(jié)構(gòu)型導(dǎo)致非線性動力學(xué)耦合非常嚴重，采用減速機構(gòu)存在關(guān)節(jié)柔性，驅(qū)動大慣量負載使得構(gòu)造基頻嚴重降低，懸臂構(gòu)造還會導(dǎo)致對載體的平移振動非常敏感。這些因素均會對指向控制精度造成影響。除此之外，多自由度機械臂系統(tǒng)的地面重力卸載試驗也是非常復(fù)雜的。假如采用兩級復(fù)合軸控制系統(tǒng)，即粗級機械臂和精級快擺鏡的方式，可能會由于機械臂指向精度較低而要求快擺鏡的行程很大，快擺鏡行程過大可能會導(dǎo)致成像質(zhì)量的嚴重下降。OPTIIX的三級控制方案能夠較好的解決上述矛盾，但是對光學(xué)設(shè)計的要求較高，需要實現(xiàn)多塊反射鏡的在軌可調(diào)能力。3．3ASPS如此圖19所示，AnnualSuspensionandPointingSystem(ASPS)是美國為大規(guī)?？臻g載荷的高精致細