曹小濤，孫天宇，趙運(yùn)隆，王 棟，郭權(quán)鋒

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

空間大口徑望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

曹小濤*，孫天宇，趙運(yùn)隆，王 棟，郭權(quán)鋒

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

介紹了目前國(guó)際上已發(fā)射及正在論證的大型空間望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)像控制系統(tǒng),主要包括自由飛行模式的HUBBLE、JWST、ATLAST-8m和ATLAST-9.2m,載體搭載模式的SOFIA和OPTIIX。詳細(xì)論述了這些空間望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)的組成、工作原理、主要元件、性能指標(biāo)和控制算法,并對(duì)基于磁懸浮技術(shù)的無(wú)擾動(dòng)載荷設(shè)計(jì)概念和機(jī)械臂直接驅(qū)動(dòng)空間相機(jī)的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了介紹。分析表明,基于機(jī)械臂和磁懸浮技術(shù)的精密穩(wěn)像及主動(dòng)振動(dòng)抑制系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

空間望遠(yuǎn)鏡；穩(wěn)像控制；機(jī)械臂；磁懸浮

1 引言

隨著人類科技的發(fā)展及技術(shù)需求的增加,目前對(duì)于空間望遠(yuǎn)鏡要求具有越來(lái)越大的口徑和越來(lái)越高的穩(wěn)像精度。尤其是天文觀測(cè)領(lǐng)域,由于對(duì)宇宙誕生及演化、黑洞和暗物質(zhì)等前沿領(lǐng)域的迫切探索需求,目前國(guó)際上的高水平空間相機(jī)一般要求毫角秒級(jí)別的穩(wěn)像精度,如Hubble［1-2］天文望遠(yuǎn)鏡要求達(dá)到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(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量,是一項(xiàng)需要充分重視和深入研究的關(guān)鍵技術(shù)。

空間大口徑天文望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)毫角秒級(jí)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(huì)對(duì)穩(wěn)像精度造成影響。如搭載于飛行器之上的空間望遠(yuǎn)鏡會(huì)受到飛行器軌道運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)變化的影響,望遠(yuǎn)鏡內(nèi)外部的振動(dòng)條件也會(huì)影響指向精度；直接暴露于外空間環(huán)境的望遠(yuǎn)鏡還會(huì)受到宇宙中多種擾動(dòng)力矩的影響（如近地軌道中的太陽(yáng)輻射光壓、重力梯度、氣動(dòng)和地磁等力矩）。這些影響因素中,尤其以振動(dòng)為主,由于空間望遠(yuǎn)鏡及載體振源復(fù)雜且分布于較寬頻帶,為實(shí)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(yuǎn)鏡由于具有較大的體積、質(zhì)量和柔性附件（如太陽(yáng)帆板）等原因,普遍結(jié)構(gòu)基頻較低［3］,結(jié)構(gòu)基頻會(huì)嚴(yán)重限制控制系統(tǒng)帶寬的增大。此外,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(jì)過(guò)程中得到充分重視。

為此,空間大口徑望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)像控制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要充分考慮各種擾動(dòng)源,采取隔振措施抑制振動(dòng),合理設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)特性,考慮多級(jí)控制系統(tǒng)級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)方案。

目前,國(guó)內(nèi)地基大口徑望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)像控制已經(jīng)比較成熟。為提高控制精度,普遍采用多級(jí)復(fù)合軸控制系統(tǒng),一些抗擾能力較強(qiáng)的控制算法如滑模變結(jié)構(gòu)、自抗擾、內(nèi)模等方法也得到了工程實(shí)現(xiàn)［4-6］,但是國(guó)內(nèi)尚無(wú)在軌運(yùn)行的空間大口徑望遠(yuǎn)鏡。鑒于空間大口徑望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像控制系統(tǒng)的重要性以及難度,本文對(duì)目前國(guó)際上自由飛行和載體搭載兩種模式空間相機(jī)的具有代表性的穩(wěn)像系統(tǒng)的發(fā)展情況進(jìn)行了綜述,重點(diǎn)介紹了其設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方案,在此基礎(chǔ)之上,總結(jié)了目前先進(jìn)穩(wěn)像系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。為我國(guó)今后的空間大口徑望遠(yuǎn)鏡高精度穩(wěn)像系統(tǒng)的發(fā)展提供了設(shè)計(jì)參考和依據(jù)。

2 自由飛行模式

2.1 Hubble天文望遠(yuǎn)鏡

采用自由飛行模式的空間望遠(yuǎn)鏡一般采取飛行器和望遠(yuǎn)鏡一體化設(shè)計(jì),飛行器為望遠(yuǎn)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密導(dǎo)星儀等圖像傳感器作為測(cè)角傳感器。Hubble天文望遠(yuǎn)鏡（如圖1所示）是其中的一個(gè)典型代表。

Hubble要求達(dá)到0.007″的指向穩(wěn)定度和90°/18 min的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。Hubble的控制系統(tǒng)（如圖2所示）主要采用被動(dòng)隔振和姿態(tài)控制相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)精密穩(wěn)像［7］。采用速率陀螺與星敏感器組合實(shí)現(xiàn)粗慣性測(cè)量,速率陀螺與精密導(dǎo)星傳感器（測(cè)量精度為0.003″）組合實(shí)現(xiàn)精慣性測(cè)量,由反作用輪提供姿控力矩。為滿足高精度指向需求,考慮了太陽(yáng)帆板柔性的影響,合理設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)動(dòng)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(gè)反作用輪加裝三對(duì)流體阻尼隔振器隔離振動(dòng)。

由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制,其精密導(dǎo)星傳感器非常復(fù)雜（如圖3所示）,主要由Pickoff反射鏡、非球面校準(zhǔn)鏡、星選擇器A和星選擇器B（各由一個(gè)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)）,折轉(zhuǎn)鏡、濾光輪、分光鏡、兩個(gè)Koesters棱鏡（沿X、Y軸垂直放置）和4個(gè)光電倍增管等組成［8］。兩個(gè)Koesters棱鏡,4個(gè)光電倍增管以及折轉(zhuǎn)鏡組成了一個(gè)兩維干涉儀,這樣,可以分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)軸的角位移信息。

2.2 JWST

JamesWebb Space Telescope（JWST）與其之前的概念設(shè)計(jì)下一代空間望遠(yuǎn)鏡（Next Generation Space Telescope,NGST）（如圖4所示）采用了被動(dòng)隔振和粗、精兩級(jí)復(fù)合軸穩(wěn)像系統(tǒng)方案。

穩(wěn)像系統(tǒng)以NGST為例［9］,如圖5所示：粗級(jí)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(jí)穩(wěn)像系統(tǒng)為快擺鏡FSM,包括微角度調(diào)整機(jī)構(gòu)和精密導(dǎo)星測(cè)量系統(tǒng)。ACS控制帶寬設(shè)計(jì)為0.025 Hz,遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率；FSM帶寬為6 Hz,采用旋轉(zhuǎn)平衡機(jī)構(gòu),避免在帶寬內(nèi)激發(fā)柔性模態(tài)。此外,在反作用輪上加裝1 Hz隔振器。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0.004 8″的穩(wěn)像指標(biāo)要求。

JWST的精密導(dǎo)星測(cè)量系統(tǒng)［10-11］位于焦面的兩塊邊緣視場(chǎng),每塊區(qū)域占2.3′×2.3′的視場(chǎng),覆蓋有2k×2k的HgCdTe探測(cè)器。導(dǎo)星測(cè)量系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)如表1所示。導(dǎo)星傳感器的工作模式主要有識(shí)別過(guò)程、捕獲過(guò)程和精密導(dǎo)星過(guò)程。它是利用電子學(xué)的方法搜索捕獲導(dǎo)星,相比于HST的導(dǎo)星測(cè)量系統(tǒng),速度要快很多。在NASA公開(kāi)的文獻(xiàn)中,未介紹實(shí)現(xiàn)如此高精度測(cè)量的亞像元細(xì)分定位技術(shù)的細(xì)節(jié),需要進(jìn)一步深入研究。

JWST的快反鏡是空間望遠(yuǎn)鏡中的一個(gè)典型例子［12］。如圖6所示,快反鏡由鏡體結(jié)構(gòu)（包括平面鏡及鏡架）、柔性支撐、差分阻抗傳感器（測(cè)量微小位移）和音圈電機(jī)組成。每一對(duì)音圈電機(jī)通過(guò)推拉方式驅(qū)動(dòng)將平移運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為鏡體的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)。主要性能指標(biāo)如表2所示。

2.3 ATLAST-8M

ATLAST（The Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope）是NASA規(guī)劃的繼JWST相機(jī)之后的大口徑天文望遠(yuǎn)鏡。其中8 m口徑方案的相機(jī)［13］（如圖7所示）預(yù)計(jì)在2020年代發(fā)射于L2點(diǎn)。

ATLAST-8m的穩(wěn)像控制系統(tǒng)也是一個(gè)典型的復(fù)合軸系統(tǒng)。其中粗級(jí)為姿態(tài)控制系統(tǒng),由剛性固聯(lián)在相機(jī)上的慣導(dǎo)系統(tǒng)（包括加速度計(jì)、陀螺和寬視場(chǎng)星敏感器）測(cè)量相機(jī)質(zhì)心的位置和姿態(tài),采用基于動(dòng)力學(xué)模型的反饋線性化算法、現(xiàn)代濾波和標(biāo)定算法,由控制力矩陀螺實(shí)現(xiàn)相機(jī)2″的姿態(tài)控制精度。精級(jí)系統(tǒng)為超精密穩(wěn)像系統(tǒng)（如圖8所示）,主要包括精密偏移圖像運(yùn)動(dòng)傳感器、快反鏡（由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)）和活動(dòng)次鏡（作為光學(xué)補(bǔ)償器,采用電磁微驅(qū)動(dòng)方式）,通過(guò)數(shù)字PID算法實(shí)現(xiàn)0.001 51″的高精度穩(wěn)像控制指標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)像,ATLAST-8m對(duì)GMC的振動(dòng)采用了特殊處理,通過(guò)對(duì)每一個(gè)力矩陀螺的轉(zhuǎn)子進(jìn)行5自由度氣浮,以及將力矩陀螺經(jīng)由振動(dòng)吸收框架安裝于相機(jī)本體之上,使得傳遞至相機(jī)的振動(dòng)幅值降低至0.000 2″。

2.4 無(wú)擾動(dòng)載荷概念

上述空間相機(jī)一般采用粗精復(fù)合控制+被動(dòng)隔振手段實(shí)現(xiàn)精密指向控制和振動(dòng)抑制,在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)、傳感器噪聲及各種振動(dòng)的影響,綜合設(shè)計(jì)控制器帶寬和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性參數(shù),并進(jìn)行多次迭代優(yōu)化［14］,方能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,且對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和擾動(dòng)源要求極高。并且由于被動(dòng)隔振器隔振性能有限,對(duì)低頻振動(dòng)無(wú)能為力,甚至?xí)兴糯螅?5］。針對(duì)以上問(wèn)題,美國(guó)Lockheed Martin公司的Nelson Pedreiro提出了基于磁懸浮技術(shù)的“無(wú)擾動(dòng)載荷”（Disturbance-Free Payload,DFP）設(shè)計(jì)概念［16-17］。

如圖9所示,整個(gè)系統(tǒng)包括載荷模塊（如空間相機(jī)）和平臺(tái)模塊（如衛(wèi)星平臺(tái)）。載荷與平臺(tái)之間通過(guò)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(hào)通過(guò)無(wú)線方式傳輸,消除了載荷與平臺(tái)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(dòng)載荷運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)載荷姿態(tài)和位置控制；以安裝于載荷和平臺(tái)之間的位置傳感器敏感載荷和平臺(tái)之間的相對(duì)姿態(tài)和位置,控制平臺(tái)調(diào)節(jié)器（如反作用輪和推進(jìn)器）帶動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng),使得載荷和平臺(tái)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(tái)之間的無(wú)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(tái)的振動(dòng)引起的反電勢(shì)幾乎可以被完全抑制,因此平臺(tái)振動(dòng)不會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)器傳遞至載荷。載荷運(yùn)動(dòng)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生的反作用力和力矩可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到,并傳遞至相對(duì)姿態(tài)和位置控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)高精度主動(dòng)振動(dòng)抑制和精密指向。六自由度DFP多設(shè)計(jì)為懸浮Stewart平臺(tái)形式。

在地面氣浮平臺(tái)試驗(yàn)中,該方法實(shí)現(xiàn)了全頻段-51 dB（1/355）的主動(dòng)隔振效果（如圖10所示）。

將該方法應(yīng)用于NGST相機(jī)的穩(wěn)像控制（無(wú)快反鏡參與精級(jí)穩(wěn)像的前提下）,仿真分析結(jié)果表明X和Y方向穩(wěn)像精度分別為0.003 2″和0.003 4″（RMS）。該方案也應(yīng)用于TPF（Terrestrial Planet Finder）Coronagraph［18］（圖11）和Lasercom（Laser communications）［19］（圖12）的概念性設(shè)計(jì)之中。

ATLAST的另一個(gè)9.2 m拼接主鏡方案也將采用該技術(shù)［20］,即在相機(jī)和衛(wèi)星平臺(tái)之間增加一級(jí)DIPPS（Disturbance Isolation and precision Pointing System）與DFP功能作用相同,在無(wú)快擺鏡參與的情況下,實(shí)現(xiàn)0.001 3″的穩(wěn)像控制精度。

3 載體搭載模式

3.1 SOFIA相機(jī)

采用載體搭載模式的空間相機(jī)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(jī)自身的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粗指向和精密穩(wěn)像。對(duì)于小型相機(jī),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(duì)于未來(lái)大口徑、展開(kāi)式、拼接主鏡甚至于在軌組裝需求趨勢(shì),超大體積及質(zhì)量的跟蹤架對(duì)于空間應(yīng)用顯然是難以接受的,需要進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。

如圖14所示,Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy（SOFIA）［21-22］安裝于波音747之內(nèi)。采用3維球形力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng),減小了質(zhì)量和體積。

SOFIA的穩(wěn)像精度指標(biāo)為0.2″。與其他空間相機(jī)有所區(qū)別的是SOFIA除受到飛機(jī)平臺(tái)振動(dòng)影響之外,由于艙口開(kāi)放受氣動(dòng)影響較大,SOFIA采用被動(dòng)空氣彈簧系統(tǒng)（振動(dòng)隔離系統(tǒng)VIS）隔離部分飛機(jī)振動(dòng)。SOFIA的穩(wěn)像控制系統(tǒng)如圖15所示。主要包括剛體姿態(tài)控制器（精密驅(qū)動(dòng)控制器FD）和相機(jī)柔性形變前饋補(bǔ)償器（FBC）。剛體姿態(tài)控制器包括三個(gè)單輸入單輸出控制器,分別對(duì)應(yīng)于相機(jī)的三軸,在控制器設(shè)計(jì)中,忽略了三軸之間的運(yùn)動(dòng)耦合,采用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)控制算法。相機(jī)的角速度由光纖陀螺測(cè)量得到,轉(zhuǎn)速信息反饋至內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán),陀螺積分得到的角度信息反饋至外環(huán)位置環(huán)。位置環(huán)設(shè)計(jì)為PD控制器,轉(zhuǎn)速環(huán)為PI控制器并設(shè)計(jì)增加濾波器（零極點(diǎn)對(duì)、陷波濾波器和低通濾波器）以補(bǔ)償結(jié)構(gòu)柔性模態(tài)影響?？刂破鲙挒?～8 Hz。

加強(qiáng)區(qū)級(jí)總、分館工作人員的培訓(xùn)、考核、管理，加強(qiáng)工作研究、業(yè)務(wù)指導(dǎo)。依托松江大學(xué)城和圖書(shū)館行業(yè)協(xié)會(huì)、專業(yè)學(xué)會(huì)等建立松江區(qū)公共圖書(shū)館總分館制建設(shè)戰(zhàn)略合作伙伴，積極培育本地區(qū)專業(yè)人才隊(duì)伍。完善業(yè)務(wù)研究和交流機(jī)制，探索并建立全區(qū)圖書(shū)館行業(yè)人員培養(yǎng)職業(yè)教育終身學(xué)習(xí)體系，為廣大市民提供專業(yè)咨詢服務(wù)。

如果焦平面的圖像對(duì)外部擾動(dòng)的響應(yīng)特性能夠完全確知,則大部分的圖像運(yùn)動(dòng)能夠由FBC進(jìn)行補(bǔ)償。如飛機(jī)的平移加速度由安裝于相機(jī)之上的加速度計(jì)觀測(cè)得到,如果由慣性加速度至圖像運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)可以精確得到,則通過(guò)設(shè)計(jì)前饋濾波器補(bǔ)償飛機(jī)振動(dòng)帶來(lái)的影響。同樣氣動(dòng)的影響可以由陀螺測(cè)量得到并采用同樣方法補(bǔ)償。FD的力矩電機(jī)和快反鏡均可用于完成柔性補(bǔ)償,快反鏡具有補(bǔ)償FD帶寬之外（30Hz）擾動(dòng)的能力。

由于放置于艙內(nèi),開(kāi)口有限導(dǎo)致視場(chǎng)受限, SOFIA的設(shè)計(jì)思想并不太適用于大多數(shù)的空間相機(jī)。

3.2 OPTIIX

目前,機(jī)械臂技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空間領(lǐng)域［23-24］,如航天飛機(jī)上的加拿大臂1號(hào)與國(guó)際空間站上的加拿大臂2號(hào)（如圖16所示）。機(jī)械臂與跟蹤架相比有體積小、質(zhì)量輕、可折疊等優(yōu)點(diǎn),能夠減小發(fā)射質(zhì)量和安裝空間。從以上幾點(diǎn)考慮,采用機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)空間相機(jī)無(wú)疑是一種較好的選擇。

如圖17所示,預(yù)計(jì)于2015年安裝于國(guó)際空間站,為未來(lái)在軌組裝相機(jī)做前期試驗(yàn)準(zhǔn)備的1.5 m口徑拼接主鏡空間相機(jī)OPTIIX（the Optical Testbed and Integration on ISS Experiment）［25］,就采用了機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)的方式。

OPTIIX的機(jī)械臂繼承了國(guó)際空間站Robonaut2（R2,如圖18所示）［25］擬人機(jī)器人的手臂技術(shù),機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)采用無(wú)刷力矩電機(jī)、電磁失電制動(dòng)器和諧波齒輪減速器。

OPTIIX的整體穩(wěn)像系統(tǒng)分為三級(jí)。粗級(jí)機(jī)械臂系統(tǒng)利用星敏感器和陀螺反饋信息提供俯仰、偏航和橫滾3個(gè)自由度的粗指向；粗快反鏡為第二級(jí)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(jí)穩(wěn)像系統(tǒng),通過(guò)精密導(dǎo)星相機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)像。

然而,機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)空間相機(jī)完成指向控制也具有一些固有的弱點(diǎn)［27-28］,如多關(guān)節(jié)構(gòu)型導(dǎo)致非線性動(dòng)力學(xué)耦合非常嚴(yán)重,采用減速機(jī)構(gòu)存在關(guān)節(jié)柔性,驅(qū)動(dòng)大慣量負(fù)載使得結(jié)構(gòu)基頻嚴(yán)重降低,懸臂結(jié)構(gòu)還會(huì)導(dǎo)致對(duì)載體的平移振動(dòng)非常敏感。這些因素均會(huì)對(duì)指向控制精度造成影響。此外,多自由度機(jī)械臂系統(tǒng)的地面重力卸載試驗(yàn)也是非常復(fù)雜的［29］。

如果采用兩級(jí)復(fù)合軸控制系統(tǒng),即粗級(jí)機(jī)械臂和精級(jí)快擺鏡的方式,可能會(huì)由于機(jī)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(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量的嚴(yán)重下降。OPTIIX的三級(jí)控制方案能夠較好的解決上述矛盾,但是對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的要求較高,需要實(shí)現(xiàn)多塊反射鏡的在軌可調(diào)能力。

3.3 ASPS

如圖19所示,Annual Suspension and Pointing System（ASPS）是美國(guó)為大規(guī)?？臻g載荷的高精密指向控制設(shè)計(jì)的一種通用平臺(tái)［30］。主要由關(guān)節(jié)系統(tǒng)（俯仰、橫滾和偏航）和隔離系統(tǒng)（如圖20所示）。關(guān)節(jié)系統(tǒng)采用力矩電機(jī)直驅(qū)方式實(shí)現(xiàn)俯仰、橫滾和偏航方向的粗指向；隔離系統(tǒng)通過(guò)6個(gè)磁軸承調(diào)節(jié)器完成六自由度磁懸浮隔振系統(tǒng)組成。在承載7 500 kg負(fù)載（長(zhǎng)7.3 m,直徑3.8 m圓柱形）和存在載體各種擾動(dòng)的情況下,實(shí)現(xiàn)了0.03″的指向精度。

該方法結(jié)合了機(jī)械臂關(guān)節(jié)和磁懸浮技術(shù),具有較好的應(yīng)用前景。但是其磁懸浮系統(tǒng)六自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)和三自由度平移運(yùn)動(dòng)耦合也比較嚴(yán)重。由于設(shè)計(jì)完成于20世紀(jì)80年代,從目前的技術(shù)水平來(lái)看,整體的結(jié)構(gòu)及控制有進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的可能性。

4 結(jié)束語(yǔ)

由上述空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看,目前高精度穩(wěn)像指標(biāo)一般要求達(dá)到毫角秒級(jí)別,未來(lái)會(huì)有更加苛刻的要求,伴隨著技術(shù)指標(biāo)的不斷提高,在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)之上需要一些新的研究方法和思路。目前常用的穩(wěn)像系統(tǒng)一般采用多級(jí)復(fù)合軸控制方法,采用高精密導(dǎo)星系統(tǒng)作為穩(wěn)像控制系統(tǒng)的傳感器,并需要對(duì)影響穩(wěn)像精度的各種擾動(dòng)源尤其是振動(dòng)采取特殊處理方法。由于機(jī)械臂具有的體積小、質(zhì)量輕等結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),未來(lái)將會(huì)有越來(lái)越多的空間望遠(yuǎn)鏡采用機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)的方法。與傳統(tǒng)主動(dòng)和被動(dòng)隔振系統(tǒng)相比,磁懸浮技術(shù)具有更加優(yōu)異振動(dòng)隔離效果,將機(jī)械臂與磁懸浮技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)像控制和主動(dòng)振動(dòng)抑制也將會(huì)是未來(lái)的一種發(fā)展趨勢(shì)。

［1］MATTHEW D L.Experience with the Hubble Space Telescope：20 years of an archetype［J］.Optical Engineering，2012，51（1）：011011-1-011011-18.

［2］ODELL C R.Creation of the Hubble Space Telescope［J］.Exp Astron，2009，25：261-272.

［3］PIERRE Y B.The Design and Construction of Large Optical Telescopes［M］.New York：Springer，2003.

［4］王帥，李洪文，孟浩然，等.光電望遠(yuǎn)鏡伺服系統(tǒng)速度環(huán)的自抗擾控制［J］.光學(xué)精密工程,2011,19（10）：2442-2449. WANG S,LIHW,MENG H R,etal..Research on the control strategy for the flexible-joint robot arm Active disturbance rejection controller for speed-loop in telescope servo system［J］.Opt.Precision Eng.,2011,19（10）：2442-2449.（in Chinese）

［5］張斌，李洪文，郭立紅，等.變結(jié)構(gòu)PID在大型望遠(yuǎn)鏡速度控制中的應(yīng)用［J］.光學(xué)精密工程,2010,18（7）：1613-1619. ZHANG B,LIH W,GUO L H,et al..Research on the control strategy for the flexible-joint robot arm Active disturbance rejection controller for speed-loop in telescope servo system application of variable structure PID in velocity control for large telescope［J］.Opt.Precision Eng.,2010,18（7）：1613-1619.（in Chinese）

［6］李洪文.基于內(nèi)模PID控制的大型望遠(yuǎn)鏡伺服系統(tǒng)［J］.光學(xué)精密工程,2009,17（2）：327-332. LIHW.Research on the control strategy for the flexible-joint robot arm Active disturbance rejection controller for speedloop in telescope servo system Application of variable structure PID in velocity control for large telescope Servo system of large telescope based on internalmodel PID controlmethod［J］.Opt.Precision Eng.,2009,17（2）：327-332.（in Chinese）

［7］BEALSG A,CRUM R C,DOUGHERTY H J,et al..Hubble space telescope precision pointing control system［J］.AIAA J.Guidance,Control,and Dynamics,1988,11（2）：119-123.

［8］DAVID JE,LINDA A R.Acquisition,pointing and tracking performance of the hubble space telescope fine guidance sensors［J］.SPIE,1992,1697：236-250.

［9］GARY M,MIKE F,KONG H.Fine pointing control for a next generation space telescope［J］.SPIE,1998,3356：1070-1077.

［10］ROWLANDSN,ALDRIDGE D,et al..The JWST fine guidance sensor［J］.SPIE,2004,5487：664-675.

［11］NEIL R,GERRY W.Detector characterization for the JWST fine guidance sensor［J］.SPIE,2010,7742：77421T-1-77421T-12.

［12］MIROSLAW O,WILLIAM V.Fine steeringmirror for the JamesWebb Space Telescope［J］.SPIE,2007,6665：66650D-1-66650D-10.

［13］YEVGENY S,HOURIA S,VIVTOR F.Precise nonius guidance and image stabilization of a large space telescope［C］. 2011 5th International Conference on Recent Advances in Space Technologies,Istanbul：RAST,2011：869-874.

［14］TUPPER H T,KONG Q H,et al..Integrated modeling activities for the JamesWebb Space Telescope：optical jitter analysis［J］.SPIE,2004,5487：588-599.

［15］PREUMONT A.Vibration Control of Actiυe Structures：An Introduction［M］.Berlin：Springer,2011.

［16］NELSON P.Space architecture for disturbance-free payload［C］.AIAA Guidance,Navigation and Control Conference and Exhibit,Monterey,California：AIAA,2002：1-12.

［17］MICHAEL A G,NELSON P.Unprecedented vibration isolation demonstration using the disturbance-free payload concept［C］.AIAA Guidance,Navigation and Control Conference and Exhibit,Providence,Rhode Island：AIAA,2004：1-12.

［18］NELSON P,THOMASL T.Control system for terrestrial planet finder interferometer［J］.SPIE,2003,4852：581-592.

［19］CHEN C C,HAMID H.Simplified Lasercom system architecture using a disturbance-free platform［J］.SPIE,2006, 6105：610505-1-610505-6.

［20］MARC P,TOM B.Advanced technology large-aperture space telescope：science drivers and technology developments［J］. Optical Engineering,2012,51（1）：011007-1 011007-11.

［21］KARLW.The telescope control system of SOFIA［J］.SPIE,2003,4857：364-371.

［22］ULRICH L,TERRY H.Preparation of the pointing and control system of the SOFIA airborne telescope for early science missions［J］.SPIE,2010,7733：77330S-1-77330S-13.

［23］CHRISTIAN S.Canadian space robotic activities［J］.Acta Astronautica,1997,41（4）：239-246.

［24］PUTZ P.Space robotics in Europe：a survey［J］.Robotics and Autonomous Systems,1998,23：3-16.

［25］MARC P,WILLIAM B S.Using the ISS as a testbed to prepare for the next generation of space-based telescope［J］. SPIE,2012,8442：84421T-1-84421T-10.

［26］DIFTLER M A,MEHLING JS.Robonaut2 the first humanoid robot in space［C］.2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation,Shanghai：IEEE,2011：2178-2193.

［27］劉業(yè)超.柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制策略的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009. LIU Y CH.Research on the control strategy for the flexible-joint robot arm［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology, 2009.

［28］GLENN J,ELIZABETH B.SRMShistory,evolution and lessons learned［C］.AIAA SPACE 2011 Conference＆Exposition,Long Beach,California：AIAA,2011：1-24.

［29］徐文福，梁斌，李成，等.空間機(jī)器人微重力模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究綜述［J］.機(jī)器人,2009,31（1）：88-96.XUW F,LIANG B,LICH,et al..A review on simulated micro-gravity experiment systems of space robot［J］.Robot., 2009,31（1）：88-96.（in Chinese）

［30］CLAUDE R K,BRIAN JH.A system for load isolation and precision pointing［J］.SPIE,1983,0444：132-137.

曹小濤（1980-）,男,河南鞏義人,博士,副研究員,2008年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事空間相機(jī)電子學(xué)及控制系統(tǒng)技術(shù)方面的研究。E-mail：caoxiaotao@ciomp.ac.cn

王 棟（1979-）,男,山西陽(yáng)泉人,博士,副研究員,2002年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,2007年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事空間相機(jī)電子學(xué)總體設(shè)計(jì)、地面測(cè)試技術(shù)及數(shù)字圖像處理技術(shù)方面的研究。E-mail：wangdong983232 @yahoo.com.cn

趙運(yùn)?。?957-）,男,吉林長(zhǎng)春人,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,1983年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事空間光學(xué)遙感器電子元器件可靠性技術(shù)方面的研究。E-mail：zhaoyl @ciomp.ac.cn

孫天宇（1975-）,男,吉林長(zhǎng)春人,工程師,1997年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事空間光學(xué)遙感器裝備及集成技術(shù)方面的研究。E-mail：suntianyu @163.com

郭權(quán)鋒（1979-）,男,河南禹州人,助理研究員,2003年、2006年、2012年于吉林大學(xué)、大連理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué),分別獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位,主要從事空間光學(xué)遙感器光機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)方面的研究。E-mail：viking3.14@ 163.com

Current status and development tendency of image stabilization system of large aperture space telescope

CAO Xiao-tao*,SUN Tian-yu,ZHAO Yun-long,WANG Dong,GUO Quan-feng
（Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China）
*Corresponding author,E-mail：caoxiaotao@ciomp.ac.cn

In this paper,the image stabilization system of large aperture space telescope on orbit or being designed is introduced,including HUBBLE,JWST,ATLAST-8m and ATLAST-16m in free flying mode,and SOFIA,OPTIIX in space-borne mode.The composition,working principle,major component,performance requirements and control algorithm of image stabilization system are discussed in detail.Then,the disturbance-free payload design concept based on themagnetically suspend technology and design idea of space telescope directly driven by themanipulator are introduced.Analysis results indicate that the precise image stabilization and active vibration isolation system based on themagnetically suspend and manipulator technology is the future development tendency.

space telescope；image stabilization control；manipulator；magnetically suspend

TH751

A

10.3788/CO.20140705.0739

2095-1531（2014）05-0739-10

2014-05-12；

2014-07-16

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（No.41105014）