郭 旭,胡春暉,顏昌翔,郭永飛,馬澤龍,胡慶龍
(1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,長春吉林130033;2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
太陽輻照度光譜儀作為太陽光譜監(jiān)測的主要光學(xué)載荷,為氣象領(lǐng)域提供了大量的數(shù)據(jù)支撐。光譜儀載荷主要包括不同譜段的譜儀設(shè)備、用于對日指向跟蹤的導(dǎo)行鏡、以及用于提供指向功能的二維轉(zhuǎn)臺等部件。目前,國內(nèi)外對于太陽輻照度光譜儀的研究均取得了一定的進(jìn)展,研究內(nèi)容主要圍繞光譜儀載荷本身的設(shè)計(jì)以及光譜儀對日指向精度等方面。
在光譜儀載荷設(shè)計(jì)方面,李占峰[1]等研究了多通道光譜儀中光譜儀輸出波長與光譜儀內(nèi)部調(diào)節(jié)絲杠的位移非線性問題,并給出了相應(yīng)的理論公式。曹佃生[2]等根據(jù)太陽光譜儀中對于波長重復(fù)性的指標(biāo)要求,對光譜儀內(nèi)部的波長掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對掃描機(jī)構(gòu)的精度進(jìn)行了分析。李寒霜[3]研究了太陽輻照度光譜儀中紫外-真空紫外波段的光譜定標(biāo)以及輻射定標(biāo)的問題,并構(gòu)建了一套可以實(shí)現(xiàn)150~300 nm 波段測量的定標(biāo)系統(tǒng)。孫德貝[4]等根據(jù)光的疊加原理研制了一臺太陽光譜儀探測系統(tǒng)線性度的測試裝置,該裝置的工作波段為200~2 400 nm,可模擬多譜段的太陽光譜特性。李福田[5]等針對高精度空間太陽光譜儀的輻射定標(biāo)問題,研制了一種采用數(shù)字微鏡器件的光譜輻亮度標(biāo)準(zhǔn)光源,為太陽光譜儀的輻射定標(biāo)提供硬件基準(zhǔn)。李占峰[6]等介紹了一種由衛(wèi)星平臺當(dāng)前廣播事件和軌道瞬根來推導(dǎo)預(yù)報(bào)短時(shí)太陽角度的方法,該方法預(yù)報(bào)的最大角度誤差為0.5°,預(yù)熱時(shí)間的最大偏差為20″。孫立微[7]針對太陽高光譜的輻射定標(biāo)問題,研制了由激光二極管配合鎢燈的定標(biāo)光源,為太陽輻照度光譜儀的輻射定標(biāo)提供了良好的光源基準(zhǔn)。竇晨浩[8]針對太陽光譜儀在軌工作過程中獲取到的偏振測量數(shù)據(jù)、修正數(shù)據(jù)以及大氣探測數(shù)據(jù)等,采用定量化分析法進(jìn)行了分析與研究。
在光譜儀對日指向精度方面,其研究主要為二維指向機(jī)構(gòu)、導(dǎo)行鏡及光譜儀在各環(huán)節(jié)中的加工、裝調(diào)誤差最終合成后對于太陽指向性能的影響。王金元[9]等分析了一種小口徑的相控陣天線的指向誤差,并提出了降低各項(xiàng)誤差的方法,可有效提高指向精度。胡曉煒[10]等以地平式望遠(yuǎn)鏡為模型,對其指向誤差進(jìn)行建模及分析,并介紹了指向誤差數(shù)據(jù)的獲取方法。通過修正系數(shù)可有效降低設(shè)備的指向誤差,提升指向精度??弟S然[11]等分析了三軸轉(zhuǎn)臺姿態(tài)變化時(shí)各誤差分量對于最終的系統(tǒng)指向誤差的影響,同時(shí)通過仿真獲取各個(gè)誤差分量的變化規(guī)律,為后續(xù)的誤差分配及補(bǔ)償提供了理論依據(jù)。吳偉平[12]等建立了在軌視軸臨邊指向的誤差補(bǔ)償方法,消除了探測儀器由于外界客觀因素所導(dǎo)致的指向誤差。該方法可以將指向誤差控制在±3.08″的范圍內(nèi)。
為實(shí)現(xiàn)光譜儀對日指向,將太陽引入導(dǎo)行鏡視場,需要建立太陽矢量、衛(wèi)星姿態(tài)和安裝誤差等因素與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)關(guān)系。本文首先采用坐標(biāo)變換法建立光譜儀載荷系統(tǒng)的坐標(biāo)系及相應(yīng)的變換矩陣的數(shù)學(xué)模型;然后通過蒙特卡羅法分析載荷整機(jī)的各項(xiàng)誤差,仿真得出對日指向誤差;最后開展對日指向模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了理論分析及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及有效性。
根據(jù)太陽輻照度光譜儀工作的軌道參數(shù),一年內(nèi)太陽光在軌道面的入射角在約47°的范圍內(nèi)變化,遠(yuǎn)大于光譜儀的有效視場。根據(jù)光譜儀的工作特點(diǎn)和任務(wù)需求,需設(shè)計(jì)二維轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu),對衛(wèi)星偏航和俯仰方向的軌道運(yùn)動進(jìn)行補(bǔ)償。
星載太陽輻照度光譜儀載荷整機(jī)是由兩臺太陽某譜段的光譜儀、一臺導(dǎo)行鏡、以及搭載上述光學(xué)有效載荷的二維轉(zhuǎn)臺組成。二維轉(zhuǎn)臺作為該載荷的核心,主要由基座、方位軸系(U 形架)和俯仰軸系(O 形架)等部組件構(gòu)成。方位U形架為外框架,安裝在轉(zhuǎn)臺基座上,俯仰O 形架為內(nèi)框架,安裝在U 形架上,導(dǎo)行鏡和光譜儀安裝在O 形架上。光譜儀二維轉(zhuǎn)臺的三維模型如圖1 所示。
圖1 二維轉(zhuǎn)臺模型Fig.1 Model of two-dimensional turntable
載荷在軌工作時(shí),首先調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺方位、俯仰角位置實(shí)現(xiàn)對日指向功能,使太陽進(jìn)入導(dǎo)行鏡有效視場;然后依據(jù)導(dǎo)行鏡偏移量實(shí)時(shí)調(diào)整兩軸角位置實(shí)現(xiàn)對日跟蹤;只有當(dāng)跟蹤誤差低于一定范圍時(shí),即太陽小角度偏離譜儀視場中心時(shí),兩臺光譜儀方能獲取有效的光譜數(shù)據(jù)。因此,轉(zhuǎn)臺對日指向是載荷能夠有效工作的前提。
由于衛(wèi)星姿態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)整、載荷整機(jī)相對衛(wèi)星平臺存在安裝誤差以及載荷內(nèi)部組件間存在安裝誤差等因素,需要實(shí)時(shí)計(jì)算二維轉(zhuǎn)臺的工作角度。具體地,根據(jù)衛(wèi)星平臺的廣播數(shù)據(jù),獲取當(dāng)前軌道坐標(biāo)系下的太陽矢量和衛(wèi)星姿態(tài)角測量值,并對安裝誤差進(jìn)行修正,進(jìn)而計(jì)算出轉(zhuǎn)臺方位軸和俯仰軸的轉(zhuǎn)動角度,最終保證太陽位于導(dǎo)行鏡的有效視場內(nèi),并盡量靠近視場中心。
載荷整機(jī)的坐標(biāo)系建立方式由它在衛(wèi)星平臺上的安裝方式?jīng)Q定。對于衛(wèi)星平臺,X方向?yàn)轱w行方向,Z方向指向地心,Y方向由右手法則確定。載荷在衛(wèi)星平臺上的安裝方式如圖2 所示。
圖2 轉(zhuǎn)臺安裝示意圖Fig.2 Assembly of turntable
首先建立軌道坐標(biāo)系O(OO-XOYOZO),坐標(biāo)原點(diǎn)OO位于衛(wèi)星質(zhì)心,ZO指向地心,XO軸位于軌道平面內(nèi)并指向衛(wèi)星飛行方向,YO通過右手坐標(biāo)系確定。衛(wèi)星坐標(biāo)系S(OS-XSYSZS),坐標(biāo)原點(diǎn)OS與OO重合,衛(wèi)星無姿態(tài)運(yùn)動時(shí),O系與S系重合,衛(wèi)星的三軸姿態(tài)角φ,θ,ψ即指S系在O系內(nèi)的三軸姿態(tài)描述。確定衛(wèi)星坐標(biāo)系后,如圖1 所示,在轉(zhuǎn)臺基座上的精測棱鏡1 上建立基座坐標(biāo)系C(OC-XCYCZC),若忽略精測棱鏡的安裝誤差、角度加工誤差,XC,YC,ZC分別與精測棱鏡 1 的 3 個(gè)表面垂直,正方向與衛(wèi)星坐標(biāo)系相同,后續(xù)棱鏡坐標(biāo)系的定義與之相同,不再贅述。在方位軸U 形架的精測棱鏡3 上建立方位軸坐標(biāo)系A(chǔ)(OAXAYAZA),在俯仰軸 O 形架的精測棱鏡 2 上建立俯仰軸坐標(biāo)系E(OE-XEYEZE),在忽略 U 形架在載荷基座的安裝誤差時(shí),方位零位時(shí)A系與C系三軸平行。類似地,若忽略O(shè) 形架在U 形架的安裝誤差時(shí),俯仰零位時(shí)E系與A系三軸平行。在導(dǎo)行鏡精測棱鏡4 上建立導(dǎo)行鏡坐標(biāo)系G(OG-XGYGZG),-Y方向代表視軸。
已知各個(gè)組件的局部坐標(biāo)系后,基于坐標(biāo)變換的原理,太陽矢量從軌道坐標(biāo)系下的矢量表達(dá)至導(dǎo)行鏡坐標(biāo)系下的矢量表達(dá)式為:
其中:SG為導(dǎo)行鏡坐標(biāo)系下的太陽矢量,規(guī)定其坐標(biāo)為[0 -1 0]T;SO為軌道坐標(biāo)系下的太陽矢量,假設(shè)其坐標(biāo)為[XsunYsunZsun]T,該太陽矢量數(shù)據(jù)由平臺廣播數(shù)據(jù)提供;MOS是由衛(wèi)星相對于軌道姿態(tài)變化引起的變換矩陣;MSC為衛(wèi)星坐標(biāo)系至轉(zhuǎn)臺基座坐標(biāo)系的變換矩陣,通過標(biāo)定精測棱鏡1 的姿態(tài)可以獲得;MCA為基座坐標(biāo)系至方位軸系坐標(biāo)系的變換矩陣,通過標(biāo)定精測棱鏡1 和3 的姿態(tài)可以獲得;MAE為方位軸系坐標(biāo)系至俯仰坐標(biāo)系的變換矩陣,通過標(biāo)定精測棱鏡2 和3 的姿態(tài)可以獲得;MEG為俯仰軸坐標(biāo)系至導(dǎo)行鏡坐標(biāo)系的變換矩陣,通過標(biāo)定精測棱鏡2 和4的姿態(tài)可以獲得;MA,ME分別為方位軸系、俯仰軸系轉(zhuǎn)動前后局部坐標(biāo)系的變換矩陣。
在明確上述變換環(huán)節(jié)中各個(gè)矩陣的意義后,對各變換矩陣的形式進(jìn)行推導(dǎo)[13-15]。假設(shè)衛(wèi)星相對軌道坐標(biāo)系的滾動角(繞XO軸)、俯仰角(繞YO軸)和偏航角(繞ZO軸)分別為φ,θ,ψ,則MOS為:
MSC可根據(jù)衛(wèi)星平臺精測棱鏡及轉(zhuǎn)臺精測棱鏡1 的經(jīng)緯儀標(biāo)定結(jié)果給出,其值如下:
同理,MCA,MAE及MEG也可根據(jù)經(jīng)緯儀對相關(guān)精測棱鏡的標(biāo)定結(jié)果給出,模型中4 個(gè)精測棱鏡的標(biāo)定結(jié)果詳見表1。其中,棱鏡i-i的值代表自準(zhǔn)值;棱鏡i-j的值代表互瞄值,i,j的取值均為1~4。
表1 精測棱鏡的標(biāo)定結(jié)果Tab.1 Calibration results of prisms for precise measurement
根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)求得MCA,MAE及MEG的表達(dá)式,分別為:
MA為方位軸轉(zhuǎn)動前后的變換矩陣,其值為:
同理,ME的形式為:
當(dāng)忽略衛(wèi)星姿態(tài)角度、載荷整機(jī)在衛(wèi)星平臺上的安裝誤差以及方位軸系、俯仰軸系、導(dǎo)行鏡等各組件在轉(zhuǎn)臺上的安裝誤差時(shí),各個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸平行,變換矩陣簡化為單位陣。則式(1)化簡為:
將式(7)和式(8)代入式(9)后,可解算出轉(zhuǎn)臺方位軸及俯仰軸的轉(zhuǎn)動角度為:
上述求解出的轉(zhuǎn)臺運(yùn)動角度為忽略平臺姿態(tài)調(diào)整和安裝誤差等因素得到的結(jié)果,即理論真值。但實(shí)際工程中會存在多個(gè)環(huán)節(jié)的誤差,為兼顧工程中實(shí)際誤差的必然性以及解析計(jì)算的便利性,鑒于式(5)俯仰軸系與方位軸系的安裝誤差相對較小,考慮軟件的在軌計(jì)算效率,將它忽略不計(jì)。其余誤差變換矩陣納入計(jì)算環(huán)節(jié),通過坐標(biāo)變換矩陣反解出轉(zhuǎn)臺方位軸及俯仰軸的工作轉(zhuǎn)角。
首先,計(jì)算太陽矢量在轉(zhuǎn)臺基座坐標(biāo)系下的矢量表達(dá),記為:
其次,得到太陽矢量在俯仰軸坐標(biāo)系下的矢量表達(dá),記為:
將上述表達(dá)式代入式(1),即:
通過式(14)可以反解出方位軸及俯仰軸的轉(zhuǎn)動角度,即:
由第三部分的計(jì)算結(jié)果,可以得到任一組太陽矢量及相應(yīng)安裝誤差下的轉(zhuǎn)臺工作轉(zhuǎn)角。由于各項(xiàng)誤差均存在一定的分布區(qū)間,需要保證在統(tǒng)計(jì)學(xué)角度的極端情況下,太陽矢量依然位于導(dǎo)行鏡視場中心。
誤差仿真流程如下:
(1)指定某種工況并設(shè)定仿真模型的參數(shù),將上述參數(shù)作為仿真場景的真值,參數(shù)包括太陽矢量、衛(wèi)星姿態(tài)和安裝誤差等;
(2)根據(jù)第一步設(shè)定的仿真理論參數(shù),計(jì)算轉(zhuǎn)臺方位、俯仰調(diào)整角的真值;
(3)根據(jù)平臺姿態(tài)和太陽矢量的數(shù)據(jù)誤差,以及轉(zhuǎn)臺內(nèi)部各部組件的安裝測量誤差,將第一步的無誤差數(shù)據(jù)誤差化,得到實(shí)際的轉(zhuǎn)臺方位、俯仰目標(biāo)調(diào)整角;
(4)根據(jù)第三步的計(jì)算結(jié)果控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)臺定位誤差為編碼器的測量誤差,可得實(shí)際控制輸出的方位、俯仰調(diào)整角,將實(shí)際值與真值比較,得出轉(zhuǎn)臺對日指向的最終實(shí)際誤差。
根據(jù)前文內(nèi)容可知,系統(tǒng)工作過程中有多個(gè)環(huán)節(jié)存在誤差,從誤差性質(zhì)上可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差,從誤差種類上分為運(yùn)動誤差、安裝誤差、加工誤差及測量誤差等。分析多個(gè)誤差源對最終結(jié)果的影響,需要引入基于蒙特卡羅法的誤差模型。
蒙特卡羅法是基于變量的統(tǒng)計(jì)學(xué)特性,使用隨機(jī)變量代替常量,同時(shí)保證隨機(jī)變量滿足一定的概率分布,使最終的計(jì)算結(jié)果更加逼近使用常量所得到的結(jié)果[16]。鑒于本系統(tǒng)中誤差項(xiàng)較多,在后續(xù)的計(jì)算中將每一項(xiàng)誤差均視為一個(gè)隨機(jī)變量,并且它滿足正態(tài)分布。從分布區(qū)間中取出若干組數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行計(jì)算,從而得到最終結(jié)果的分布情況,即可確認(rèn)載荷的整體誤差是否滿足工況需求。
根據(jù)二維轉(zhuǎn)臺內(nèi)各個(gè)精測棱鏡的測量結(jié)果,以及外部提供的設(shè)計(jì)輸入,可以獲得下列仿真參數(shù):
(1)太 陽 矢 量SO=[XsunYsunZsun]=[0.085 -0.981 0.176]T;
(2) 衛(wèi) 星 姿 態(tài) [φ θ ψ]= [0.060 3-0.051 8 0.028 3];
(3)載荷基座相對于平臺的安裝誤差[φC θC ψC]=[0.013 1o0.012 2o0.016 1o];
(4)轉(zhuǎn)臺軸系相對于基座的安裝誤差[φAE θAE ψAE]=[ 0.031o-0.073o0.014o];
(5)導(dǎo)行鏡相對于轉(zhuǎn)臺軸系的安裝誤差[φG θG ψG]=[ -0.03o0.083o-0.045o]。
在MatLab 中建立變換矩陣的數(shù)學(xué)模型,并代入上述仿真參數(shù),可以求得當(dāng)方位軸轉(zhuǎn)角A0=3.951°,俯仰軸轉(zhuǎn)角E0=-13.316 9°時(shí),太陽處于導(dǎo)行鏡視場中心。
上述計(jì)算是基于各項(xiàng)誤差為常數(shù),下面引入基于蒙特卡羅的誤差模型。采用正態(tài)分布函數(shù),并適當(dāng)選取期望及標(biāo)準(zhǔn)差。其中,太陽矢量誤差和姿態(tài)測量誤差通過分析衛(wèi)星運(yùn)動的仿真數(shù)據(jù)和在軌實(shí)測數(shù)據(jù)預(yù)估;各項(xiàng)安裝誤差修正后為經(jīng)緯儀測量誤差,依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)估;時(shí)延誤差針對在軌軟件的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行估算;轉(zhuǎn)臺定位誤差取決于編碼器的測量誤差。各項(xiàng)誤差的估計(jì)值詳見表2。
表2 對日指向各項(xiàng)誤差預(yù)估Tab.2 Estimation of systematic sun pointing errors
根據(jù)表2 中的各項(xiàng)誤差值,在各個(gè)誤差維度下分別生成10 000 組隨機(jī)數(shù)進(jìn)行仿真。經(jīng)過仿真,轉(zhuǎn)臺方位轉(zhuǎn)角及俯仰轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的直方圖如圖3 所示。從圖3 可以看出,轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角的仿真值大部分分布在理論真值附近,在方位、俯仰兩個(gè)維度上呈正態(tài)分布規(guī)律。轉(zhuǎn)臺對日指向誤差的仿真結(jié)果如圖4 所示。
根據(jù)指向誤差的仿真結(jié)果,方位軸的最大誤差為 0.338 7°,俯仰軸的最大誤差為 0.294 5°。從圖4 可以看出,指向誤差分布在1°的圓形視場中,且全部分布在0.35°以內(nèi),意味著通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺的方位角和俯仰角,能夠保證太陽進(jìn)入導(dǎo)行鏡的有效視場,仿真結(jié)果滿足指向任務(wù)需求。
圖3 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角直方圖Fig.3 Histogram of rotation angles of turntable
圖4 指向誤差的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of pointing errors
為了驗(yàn)證上述理論分析及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及有效性,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,搭建光譜儀對日指向模擬實(shí)驗(yàn),用于模擬轉(zhuǎn)臺對日指向過程。
實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下:在導(dǎo)行鏡前端放置一臺平行光管,并在焦面處放置一個(gè)強(qiáng)光光源,以模擬太陽光,并且該光源在導(dǎo)行鏡視場內(nèi)的光斑大小與太陽近似;將二維轉(zhuǎn)臺置于高精度六自由度平臺上,該平臺的轉(zhuǎn)動范圍大于轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角范圍,控制精度優(yōu)于衛(wèi)星平臺的在軌姿態(tài)控制精度,能夠模擬衛(wèi)星姿態(tài)以及衛(wèi)星飛行時(shí)太陽位置的變化。
初始狀態(tài)為光源光線沿+Y軸方向射入導(dǎo)行鏡視場。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場示意圖如圖5 所示。
圖5 對日指向?qū)嶒?yàn)現(xiàn)場示意圖Fig.5 Schematic diagram of Sun pointing test
根據(jù)光譜儀載荷在軌的實(shí)際工作狀態(tài),選取有代表性的工況進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分兩步:第一步是選取4 種典型工況,令轉(zhuǎn)臺方位軸和俯仰軸自轉(zhuǎn)臺零位向不同方向轉(zhuǎn)動,驗(yàn)證對日指向的數(shù)學(xué)模型;第二步是選取典型工作軌道,令轉(zhuǎn)臺在一軌工作中長時(shí)間保持對日指向,測量指向誤差低于1°。具體實(shí)驗(yàn)流程如下:
(1)測量光譜儀轉(zhuǎn)臺基座在六自由度平臺上的安裝誤差,記為[φcθcψc];
(2)選取 4 組太陽矢量[XsunYsunZsun]、衛(wèi)星姿態(tài)[φ θ ψ],將參試設(shè)備安裝誤差的測量結(jié)果、選取的太陽矢量和平臺姿態(tài)數(shù)據(jù)帶入對日指向數(shù)學(xué)模型中,反解轉(zhuǎn)臺方位和俯仰目標(biāo)角;
(3)根據(jù)選取的數(shù)據(jù)分別驅(qū)動六自由度平臺和二維轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動;
(4)記錄導(dǎo)行鏡測得的角偏移量,該參數(shù)為指向誤差與導(dǎo)行鏡測量誤差的合成結(jié)果,其中導(dǎo)行鏡的測量誤差為 3″(3σ);
(5)選取春分軌道的太陽矢量和衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù),重復(fù)步驟(1)~(4),對轉(zhuǎn)臺長時(shí)間工作的指向誤差進(jìn)行驗(yàn)證和分析。
將實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建完成后,首先測量光譜儀載荷基座相對于平臺的安裝誤差為:
[φcθcψc]=[0.011° 0.005° 0.007°].
然后依次測量轉(zhuǎn)臺方位軸和俯仰軸正、反轉(zhuǎn)4 種工況下的指向精度。實(shí)驗(yàn)參數(shù)(太陽矢量、衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)和轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見表3。
表3 對日指向?qū)嶒?yàn)參數(shù)及結(jié)果Tab.3 Parameters and results of sun pointing test
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果中測得的導(dǎo)行鏡偏移量數(shù)據(jù)可知,兩軸最大指向誤差為 0.125 7°,低于 1°,因此采用本文提出的對日指向數(shù)學(xué)模型,轉(zhuǎn)臺能夠?qū)⑻栆雽?dǎo)行鏡的有效視場。
圖6 對日指向誤差測試結(jié)果Fig.6 Test results of sun pointing errors
重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程,選取一軌春分軌道的太陽矢量和衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù),令六自由度平臺依據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)運(yùn)動,實(shí)時(shí)解算轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角驅(qū)動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動,測量600 組導(dǎo)行鏡偏移量,指向誤差如圖6所示。由圖可知,方位軸的最大指向誤差為0.126 5°,俯仰軸的最大指向誤差為 0.154 2°,實(shí)驗(yàn)測得指向誤差處于仿真分析的誤差范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中六自由度平臺未模擬太陽矢量的誤差數(shù)據(jù),因此實(shí)驗(yàn)測得的誤差最大值稍低于仿真分析結(jié)果。
對日指向模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果一方面驗(yàn)證了本文提出的轉(zhuǎn)臺對日指向數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性;另一方面,測得的指向誤差驗(yàn)證了誤差仿真分析結(jié)果,說明轉(zhuǎn)臺對日指向誤差在導(dǎo)行鏡的有效視場內(nèi),能夠滿足載荷在軌工作的要求。
光譜儀的對日高精度指向?qū)πl(wèi)星在軌工作至關(guān)重要。本文采用坐標(biāo)變換矩陣法,對太陽輻照度光譜儀的系統(tǒng)坐標(biāo)系及矩陣變換關(guān)系進(jìn)行了分析并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,得到了二維轉(zhuǎn)臺工作轉(zhuǎn)角的解析解;利用基于蒙特卡羅法的誤差模型分析光譜儀載荷系統(tǒng)的整體誤差,并進(jìn)行了對日指向誤差仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明指向誤差優(yōu)于0.35°;最后,通過轉(zhuǎn)臺對日指向模擬實(shí)驗(yàn)對所建立的數(shù)學(xué)模型和誤差仿真分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,測得不同工況下轉(zhuǎn)臺的指向誤差低于0.16°。通過轉(zhuǎn)臺的高精度指向,太陽能夠進(jìn)入導(dǎo)行鏡視場內(nèi),滿足光譜儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求及在軌工作要求。