大射电望远镜指向误差建模分析与设计研究

论文摘要

大射电望远镜作为空间目标观测的主要设备,其轴系定位测量数据的精度是实现空间目标高精度定轨的根本保障。指向误差分析与补偿技术作为改进大射电望远镜定位精度的重要手段,是当前研究的一项重要课题,也是我国发展空间科学,开展深空探测,提高航天科技水平的需要。本文以大射电望远镜指向误差建模分析与设计为目标,在地平式射电望远镜指向测量原理的基础上,详细地分析了影响望远镜指向精度的各种误差,针对不同误差性质采取不同的修正措施,建立和改进了几种指向误差修正模型,并将其应用于实际工程中,取得了预期的效果。论文的主要工作包括:分析总结了影响大射电望远镜指向精度的各种误差源,将误差源分为静态误差和动态误差两大类,针对不同的误差源,研究了硬件校准和软件修正两种误差补偿技术,根据指向误差软件修正原理,提出了静态指向误差修正的两种模型——球谐函数修正模型与基本参数修正模型,并从原理上对比分析了两种模型的区别及优劣性。利用四元数在刚体空间定位及旋转变换方面的优越性,提出了基于四元数法的大射电望远镜指向误差建模分析技术。通过寻求影响指向精度的各项误差在不同条件下的变化规律,及其与指向误差间的映射关系,建立了有明确物理意义的分项误差修正模型。使用50m和40m口径射电望远镜的实验数据进行精度分析,结果表明该模型能有效地提高望远镜的指向精度,模型稳定性好。针对射电望远镜指向误差线性修正模型的不足,提出了一种新的基于半参数估计方法的指向误差修正技术。在用参数表示修正模型中可线性化部分的基础上,将非线性因素或干扰因素看成半参数模型中的非参数分量。根据射电望远镜的不同指向校准实验条件和实验样本类型,建立了三种指向误差修正的半参数回归模型,并给出了相应的模型求解方法及解的精度分析。使用实测数据和仿真数据对模型进行了精度分析,结果表明该模型能充分利用数据中所提供信息,是一种更接近于真实的修正模型。考虑影响大射电望远镜指向精度的不确定性因素,提出了基于不确定广义延拓逼近法的误差预测模型。该模型在广义延拓预测模型的基础上,引入模糊参数,对最近先验数据进行插值约束处理,利用模糊最小二乘法对模型进行求解。通过对望远镜指向误差仿真数据的计算,证明该方法可以为处理指向误差预测的模糊因素提供一种新的研究方向。最后运用现代设计思想,系统地提出了对待误差问题的新理念——误差设计,并构造了误差设计的新方法,其中包括误差修正设计、误差匹配设计、误差相消设计、误差防止设计和误差允许设计。误差设计把传统的误差处理方式由被动处理变为主动设计,从研究误差的普遍性出发,系统地认识误差规律,力图能实现控制误差、利用误差、修正误差、消除误差和防止误差的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 射电望远镜的产生与发展
• 1.1.1 射电望远镜的产生
• 1.1.2 天文学对射电望远镜的要求
• 1.1.3 射电望远镜的发展
• 1.2 国内外主要的大射电望远镜
• 1.3 论文研究的背景和意义
• 1.4 望远镜指向误差修正的研究现状
• 1.4.1 指向误差修正方法
• 1.4.2 指向误差分析技术
• 1.4.3 修正模型求解方法
• 1.5 望远镜指向误差建模分析中的不确定性
• 1.6 现代设计理念对传统误差理论的影响
• 1.7 本文研究的主要内容
• 第二章 主要误差源分析及误差补偿技术
• 2.1 引言
• 2.2 主要误差源分析
• 2.2.1 静态误差源
• 2.2.1.1 轴系误差
• 2.2.1.2 编码器误差
• 2.2.1.3 轴承误差
• 2.2.1.4 水平调整误差
• 2.2.1.5 自重引起的变形误差
• 2.2.1.6 大气折射误差
• 2.2.2 动态误差源
• 2.2.2.1 惯性载荷作用下的变形误差
• 2.2.2.2 风载荷作用下的变形误差
• 2.2.2.3 温度变形引起的误差
• 2.2.2.4 伺服误差
• 2.2.2.5 传动齿轮误差与齿隙的影响
• 2.2.3 误差的性质和综合方法
• 2.3 误差补偿技术
• 2.3.1 硬件校准技术
• 2.3.1.1 轴系校准
• 2.3.1.2 馈源最佳位置调整
• 2.3.1.3 轴角位置指示器
• 2.3.1.4 电轴校准
• 2.3.2 射电源的选取
• 2.3.3 静态指向误差的修正
• 2.3.3.1 指向误差软件修正原理
• 2.3.3.2 球谐函数修正模型
• 2.3.3.3 基本参数修正模型
• 2.4 参数估计方法与参数回归模型
• 2.4.1 参数估计方法
• 2.4.1.1 最小均方差估计
• 2.4.1.2 极大似然估计
• 2.4.1.3 极大后验估计
• 2.4.1.4 最小二乘估计
• 2.4.2 参数回归模型
• 2.4.2.1 参数模型及其局限性
• 2.4.2.2 非参数回归模型
• 2.4.2.3 半参数回归模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 大射电望远镜指向误差分项修正模型
• 3.1 引言
• 3.2 四元数概念及其旋转变换
• 3.2.1 四元数定义及运算规则
• 3.2.2 四元数旋转变换
• 3.3 分项误差分析
• 3.3.1 指向机构坐标系定义
• 3.3.2 分项误差对指向精度的影响
• 3.3.2.1 理想指向的轴角设置
• 3.3.2.2 电轴偏差
• 3.3.2.3 俯仰轴与方位轴不正交度
• 3.3.2.4 方位轴不垂直度
• 3.3.2.5 轴承误差
• 3.3.3 分项误差源列表
• 3.4 指向误差分项修正建模与求解
• 3.4.1 分项修正模型建立
• 3.4.2 模型求解及精度分析
• 3.5 实验计算与分析
• 3.5.1 实验样本说明
• 3.5.2 模型计算比较
• 3.5.3 模型参数间相关性分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 指向误差修正的半参数回归模型及精度分析
• 4.1 引言
• 4.2 望远镜指向误差修正的线性模型局限性
• 4.3 基于半参数回归的指向误差修正模型
• 4.3.1 指向误差修正的半参数回归模型建立
• 4.3.2 模型求解
• 4.3.3 核权函数及窗宽的选取方法
• 4.4 基于半参数回归模型的参数估计算法精度分析
• 4.5 实验与仿真计算分析
• 4.5.1 观测数据计算与分析
• 4.5.2 仿真计算
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于不确定广义延拓逼近法的误差预测模型
• 5.1 引言
• 5.2 广义延拓预测模型
• 5.3 带模糊参数的广义延拓预测模型
• 5.3.1 获取模糊数据
• 5.3.2 模型描述
• 5.3.3 模型求解
• 5.4 应用举例
• 5.5 本章小结
• 第六章 望远镜指向的误差设计新理念
• 6.1 引言
• 6.2 误差设计新理念
• 6.3 误差设计数学模型
• 6.3.1 总误差极小化
• 6.3.2 系统性能最优化
• 6.4 误差设计方法
• 6.4.1 误差修正设计
• 6.4.2 误差匹配设计
• 6.4.3 误差相消设计
• 6.4.4 误差防止设计
• 6.4.5 误差允许设计
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果