1 引 言

隨著人類科技的發展及技術需求的增加，目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像精度。尤其是天文觀測領域，由于對宇宙誕生及演化、黑洞和暗物質等前沿領域的迫切探索需求，目前國際上的高水平空間相機一般要求毫角秒級別的穩像精度，如 Hubble天文望遠鏡要求達到0. 007″的穩像精度。高精度穩像控制系統直接決定著空間望遠鏡的成像質量，是一項需要充分重視和深入研究的關鍵技術。

空間大口徑天文望遠鏡實現毫角秒級別的穩像精度是非常困難的。多種復雜的影響因素均會對穩像精度造成影響。如搭載于飛行器之上的空間望遠鏡會受到飛行器軌道運動和姿態變化的影響，望遠鏡內外部的振動條件也會影響指向精度;直接暴露于外空間環境的望遠鏡還會受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雜且分布于較寬頻帶，為實現高精度穩像，需要控制系統具有足夠的帶寬。然而一般情況下，空間大口徑望遠鏡由于具有較大的體積、質量和柔性附件\\( 如太陽帆板\\) 等原因，普遍結構基頻較低，結構基頻會嚴重限制控制系統帶寬的增大。此外，各種傳感器噪聲以及執行器的非線性影響也需要在穩像控制系統的設計過程中得到充分重視。

為此，空間大口徑望遠鏡的穩像控制是一個復雜的系統工程，需要充分考慮各種擾動源，采取隔振措施抑制振動，合理設計望遠鏡的結構特性，考慮多級控制系統級聯的設計方案。

目前，國內地基大口徑望遠鏡的穩像控制已經比較成熟。為提高控制精度，普遍采用多級復合軸控制系統，一些抗擾能力較強的控制算法如滑模變結構、自抗擾、內模等方法也得到了工程實現，但是國內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像控制系統的重要性以及難度，本文對目前國際上自由飛行和載體搭載兩種模式空間相機的具有代表性的穩像系統的發展情況進行了綜述，重點介紹了其設計思想和設計方案，在此基礎之上，總結了目前先進穩像系統的發展趨勢。為我國今后的空間大口徑望遠鏡高精度穩像系統的發展提供了設計參考和依據。

2 自由飛行模式

2． 1 Hubble 天文望遠鏡

采用自由飛行模式的空間望遠鏡一般采取飛行器和望遠鏡一體化設計，飛行器為望遠鏡的穩像控制服務，一般采用反作用輪、控制力矩陀螺\\( GMC\\) 等作為執行器，采用星敏感器、陀螺等慣性傳感器和精密導星儀等圖像傳感器作為測角傳感器。Hubble 天文望遠鏡\\( 如圖 1 所示\\) 是其中的一個典型代表。Hubble 要求達 到 0. 007″ 的指向穩定度和90° /18 min 的姿態機動能力。Hubble 的控制系統\\( 如圖 2 所示\\) 主要采用被動隔振和姿態控制相結合的方法實現精密穩像。采用速率陀螺與星敏感器組合實現粗慣性測量，速率陀螺與精密導星傳感器\\( 測量精度為 0. 003″\\) 組合實現精慣性測量，由反作用輪提供姿控力矩。為滿足高精度指向需求，考慮了太陽帆板柔性的影響，合理設計了結構動力學參數與控制系統參數，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。由于當時技術條件限制，其精密導星傳感器非常復雜\\( 如圖 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\\( 各由一個伺服系統驅動\\) ，折轉鏡、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鏡組成了一個兩維干涉儀，這樣，可以分別測量兩個軸的角位移信息。

2． 2 JWST

James Webb Space Telescope \\( JWST\\) 與其之前的概念設計下一代空間望遠鏡\\( Next GenerationSpace Telescope，NGST\\) \\( 如圖 4 所示\\) 采用了被動隔振和粗、精兩級復合軸穩像系統方案。

穩像系統以 NGST 為例，如圖 5 所示: 粗級系統為位于衛星基座處的慣性姿控系統 ACS，包括星敏感器、陀螺組成的慣導系統和反作用輪; 精級穩像系統為快擺鏡 FSM，包括微角度調整機構和精密導星測量系統。ACS 控制帶寬設計為0. 025 Hz，遠低于結構模態頻率; FSM 帶寬為6 Hz，采用旋轉平衡機構，避免在帶寬內激發柔性模態。此外，在反作用輪上加裝 1 Hz 隔振器。系統實現了 0. 004 8″的穩像指標要求。

JWST 的精密導星測量系統位于焦面的兩塊邊緣視場，每塊區域占 2． 3' ×2． 3'的視場，覆蓋有 2k × 2k 的 HgCdTe 探測器。導星測量系統的指標參數如表 1 所示。導星傳感器的工作模式主要有識別過程、捕獲過程和精密導星過程。它是利用電子學的方法搜索捕獲導星，相比于 HST的導星測量系統，速度要快很多。在 NASA 公開的文獻中，未介紹實現如此高精度測量的亞像元細分定位技術的細節，需要進一步深入研究。JWST 的快反鏡是空間望遠鏡中的一個典型例子?！颈?】

如圖 6 所示，快反鏡由鏡體結構\\( 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動將平移運動轉化為鏡體的小角度轉動。主要性能指標如表 2 所示?！颈?】

2． 3 ATLAST-8M

ATLAST\\( The Advanced Technology Large-Ap-erture Space Telescope\\) 是 NASA 規劃的繼 JWST相機之后的大口徑天文望遠鏡。其中8 m 口徑方案的相機\\( 如圖 7 所示\\) 預計在 2020 年代發射于 L2 點。ATLAST-8m 的穩像控制系統也是一個典型的復合軸系統。其中粗級為姿態控制系統，由剛性固聯在相機上的慣導系統\\( 包括加速度計、陀螺和寬視場星敏感器\\) 測量相機質心的位置和姿態，采用基于動力學模型的反饋線性化算法、現代濾波和標定算法，由控制力矩陀螺實現相機 2″的姿態控制精度。精級系統為超精密穩像系統\\( 如圖 8 所示\\) ，主要包括精密偏移圖像運動傳感器、快反鏡\\( 由壓電陶瓷驅動\\) 和活動次鏡\\( 作為光學補償器，采用電磁微驅動方式\\) ，通過數字 PID 算法實現 0. 001 51″的高精度穩像控制指標。

為實現高精度穩像，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子進行 5 自由度氣浮，以及將力矩陀螺經由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. 000 2″。

2． 4 無擾動載荷概念

上述空間相機一般采用粗精復合控制 + 被動隔振手段實現精密指向控制和振動抑制，在設計過程中需要充分考慮系統結構模態、傳感器噪聲及各種振動的影響，綜合設計控制器帶寬和結構動力學特性參數，并進行多次迭代優化，方能滿足設計指標要求，且對結構設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，甚至會有所放大。針對以上問題，美國 Lockheed Martin 公司的 Nelson Pedreiro提出了基于磁懸浮技術的“無擾動載荷”\\( Dis-turbance-Free Payload，DFP\\) 設計概念。

如圖 9 所示，整個系統包括載荷模塊\\( 如空間相機\\) 和平臺模塊\\( 如衛星平臺\\) 。載荷與平臺之間通過非接觸調節器\\( 如磁懸浮調節器\\) 相連，數據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傳感器\\( 如星敏感器、陀螺或精密導星傳感器\\)敏感載荷慣性姿態，控制非接觸調節器帶動載荷運動，從而實現載荷姿態和位置控制; 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和位置，控制平臺調節器\\( 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節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。

由于磁懸浮調節器電流環帶寬非常高，平臺的振動引起的反電勢幾乎可以被完全抑制，因此平臺振動不會通過調節器傳遞至載荷。載荷運動對平臺產生的反作用力和力矩可以通過動力學計算得到，并傳遞至相對姿態和位置控制器進行實時補償，從而實現高精度主動振動抑制和精密指向。六自由度 DFP 多設計為懸浮 Stewart 平臺形式。

在地面氣浮平臺試驗中，該方法實現了全頻段-51 dB\\( 1/355\\) 的主動隔振效果\\( 如圖 10 所示\\) 。將該方法應用于 NGST 相機的穩像控制\\( 無快反鏡參與精級穩像的前提下\\) ，仿真分析結果表明 X 和 Y 方向穩像精度分別為 0. 003 2″和0. 003 4″\\( RMS\\) 。該方案也應用于 TPF\\( Terrestri-al Planet Finder\\) Coronagraph\\( 圖 11\\) 和 Laser-com\\( Laser communications\\)\\( 圖 12\\) 的概念性設計之中。采用該技術，即在相機和衛星平臺之間增加一級 DIPPS\\( Disturbance Isolation and precision Point-ing System\\) 與 DFP 功能作用相同，在無快擺鏡參與的情況下，實現0. 001 3″的穩像控制精度。

3 載體搭載模式

3． 1 SOFIA 相機

采用載體搭載模式的空間相機一般載體\\( 如衛星、飛船和空間站等\\) 不完成粗指向控制，需要空間相機自身的控制系統實現粗指向和精密穩像。對于小型相機，采用地面系統常用的跟蹤架方式是一種較好的成熟選擇。然而對于未來大口徑、展開式、拼接主鏡甚至于在軌組裝需求趨勢，超大體積及質量的跟蹤架對于空間應用顯然是難以接受的，需要進行特殊的結構形式設計。

如圖 14 所示，Stratospheric Observatory for In-frared Astronomy\\( SOFIA\\)安裝于波音 747 之內。采用 3 維球形力矩電機驅動，減小了質量和體積。SOFIA 的穩像精度指標為 0. 2″。與其他空間相機有所區別的是 SOFIA 除受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\\( 振動隔離系統 VIS\\) 隔離部分飛機振動。SOFIA 的穩像控制系統如圖 15所示。主要包括剛體姿態控制器\\( 精密驅動控制器 FD\\) 和相機柔性形變前饋補償器\\( FBC\\) 。剛體姿態控制器包括三個單輸入單輸出控制器，分別對應于相機的三軸，在控制器設計中，忽略了三軸之間的運動耦合，采用經典控制理論設計控制算法。相機的角速度由光纖陀螺測量得到，轉速信息反饋至內環轉速環，陀螺積分得到的角度信息反饋至外環位置環。位置環設計為 PD 控制器，轉速環為 PI 控制器并設計增加濾波器\\( 零極點對、陷波濾波器和低通濾波器\\) 以補償結構柔性模態影響?？刂破鲙挒?5 ～8 Hz。如果焦平面的圖像對外部擾動的響應特性能夠完全確知，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，如果由慣性加速度至圖像運動的傳遞函數可以精確得到，則通過設計前饋濾波器補償飛機振動帶來的影響。同樣氣動的影響可以由陀螺測量得到并采用同樣方法補償。

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，開口有限導致視場受限，SOFIA 的設計思想并不太適用于大多數的空間相機。

3． 2 OPTIIX

目前，機械臂技術已經廣泛應用于空間領域，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\\( 如圖 16 所示\\) 。機械臂與跟蹤架相比有體積小、質量輕、可折疊等優點，能夠減小發射質量和安裝空間。從以上幾點考慮，采用機械臂驅動空間相機無疑是一種較好的選擇。如圖 17 所示，預計于 2015 年安裝于國際空間站，為未來在軌組裝相機做前期試驗準備的1. 5 m 口徑拼接主鏡空間相機 OPTIIX\\( the OpticalTestbed and Integration on ISS Experiment\\)，就采用了機械臂驅動的方式。

OPTIIX 的機械臂繼承了國際空間站 Robo-naut 2 \\( R2，如圖 18 所示\\)擬人機器人的手臂技術，機械臂的每個關節采用無刷力矩電機、電磁失電制動器和諧波齒輪減速器。

OPTIIX 的整體穩像系統分為三級。粗級機械臂系統利用星敏感器和陀螺反饋信息提供俯仰、偏航和橫滾 3 個自由度的粗指向; 粗快反鏡為第二級穩像系統，利用陀螺前饋數據完成控制; 三鏡為精級穩像系統，通過精密導星相機實現穩像。

然而，機械臂驅動空間相機完成指向控制也具有一些固有的弱點，如多關節構型導致非線性動力學耦合非常嚴重，采用減速機構存在關節柔性，驅動大慣量負載使得結構基頻嚴重降低，懸臂結構還會導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。此外，多自由度機械臂系統的地面重力卸載試驗也是非常復雜的。

如果采用兩級復合軸控制系統，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致成像質量的嚴重下降。OPTIIX的三級控制方案能夠較好的解決上述矛盾，但是對光學設計的要求較高，需要實現多塊反射鏡的在軌可調能力。

3． 3 ASPS

如圖 19 所示，Annual Suspension and PointingSystem\\( ASPS\\) 是美國為大規?？臻g載荷的高精密指向控制設計的一種通用平臺。主要由關節系統\\( 俯仰、橫滾和偏航\\) 和隔離系統\\( 如圖 20所示\\) 。關節系統采用力矩電機直驅方式實現俯仰、橫滾和偏航方向的粗指向; 隔離系統通過 6 個磁軸承調節器完成六自由度磁懸浮隔振系統組成。在承載 7 500 kg 負載\\( 長 7. 3 m，直徑 3. 8 m圓柱形\\) 和存在載體各種擾動的情況下，實現了0. 03″的指向精度。

該方法結合了機械臂關節和磁懸浮技術，具有較好的應用前景。但是其磁懸浮系統六自由度結構設計比較復雜，三自由度轉動和三自由度平移運動耦合也比較嚴重。由于設計完成于 20 世紀 80 年代，從目前的技術水平來看，整體的結構及控制有進一步優化設計的可能性。

4 結束語

由上述空間光學望遠鏡穩像系統的發展現狀來看，目前高精度穩像指標一般要求達到毫角秒級別，未來會有更加苛刻的要求，伴隨著技術指標的不斷提高，在傳統控制系統設計方法的基礎之上需要一些新的研究方法和思路。目前常用的穩像系統一般采用多級復合軸控制方法，采用高精密導星系統作為穩像控制系統的傳感器，并需要對影響穩像精度的各種擾動源尤其是振動采取特殊處理方法。由于機械臂具有的體積小、質量輕等結構上的特點，未來將會有越來越多的空間望遠鏡采用機械臂驅動的方法。與傳統主動和被動隔振系統相比，磁懸浮技術具有更加優異振動隔離效果，將機械臂與磁懸浮技術相結合實現高精度穩像控制和主動振動抑制也將會是未來的一種發展趨勢。