为了提高空间相机次镜Stewart型调整机构的定位精度, 需要完成机构的精密标定。针对6-PSS Stewart机构, 首先依据最小二乘原则, 利用驱动残差构建了参数标定模型。其次为提高标定优化问题的全局求解精度, 采用自适应路径(Variable Step Adaptive, VSA)及限界处理对单纯形布谷鸟算法进行改进, 并应用于标定优化问题求解。数值仿真表明其求解能力并优于单纯型布谷鸟算法。最后, 为保证标定的全行程有效性, 规划了包含位姿六元素的试验数据采样方法。实验结果表明, 经过该方法标定后, 位姿采样点处最大位移误差由19.97 μm降为9.68 μm, 最大转角误差由123.84″降为最大8.86″, 在非采样点处最大误差与采样点处在同一量级水平。基于上述模型、算法和采样位姿规划的标定方法可有效提高定位精度, 且标定结果在全行程区域内有效。

为满足空间望远镜在轨主动光学控制需求, 需要精密调整次镜相对于主镜的六自由度位姿, 为此, 针对6-PSS Stewart平台构型的次镜精密调整机构, 设计完成了基于并联机器人关节空间方法的运动控制系统。以DSP和FPGA为核心处理器, 编码器为反馈元件, 集成电机三相桥为驱动元件, 设计完成了次镜六自由度调整机构的运动控制电路。基于次镜调整机构的顶层逆运动学模型和底层连杆控制系统, 设计完成了次镜六自由度调整机构的运动控制算法, 该方法参数易于调整, 利于工程实现, 满足空间运动机构高可靠性调整需求。试验结果表明, 该运动控制系统能够满足全行程内0.7 ?滋m(位移)和3"(角度)运动调整精度需求, 能够满足空间望远镜主动光学调整任务。

次镜调整机构作为空间望远镜主动光学调整的核心组件, 为实现在轨实时快速调整, 其调整精度和动态性能均有比较严格的要求。机构常采用Stewart平台结构形式, 基于逆运动学模型和关节空间PID控制相结合的方法, 由于受到模型的非线性和不确定性、扰动及耦合的影响, 难以取得较为满意的效果。为解决该问题, 从机电动力学模型出发, 将平台各支杆间耦合因素表征为外部干扰, 建立了互相解耦的关节机电模型。依据模型辨识结果采用乘性不确定性描述模型摄动, 依据模型误差界和性能指标要求设计混合灵敏度加权函数。针对虚轴极点问题, 采用扩展H∞方法, 将复杂动力学系统的控制器设计问题转化为堆叠S/T/KS混合灵敏度问题。在Matlab中求解得到鲁棒控制器, 并在DSP中完成数字算法实现。仿真分析及试验结果表明, 鲁棒控制器具有更好的鲁棒性、扰动抑制性能和动态特性, 能够满足空间应用的可靠性需求。

为实现光机结构、集成电路等领域中大行程及高精度的位移控制，利用较为适用的非共振式尺蠖型压电直线电机，基于高压功率运算放大器，设计了非共振式压电直线电机的精密复合放大驱动电路，通过理论分析及实验得到的伯德图验证了驱动电路的分辨率和幅频特性。以现场可编程门阵列(FPGA)为核心处理器，以光栅尺为反馈元件，通过分析非共振式压电直线电机的多种运行模式，根据直线电机的运行时序，设计完成了开环大范围整步运行模式与闭环小范围单步运行模式相结合的控制策略，在单步运行模式中分别设计完成了PID控制算法及PID与压电陶瓷迟滞逆模型前馈相结合的复合控制算法。实验结果表明，该控制策略能够实现大行程内的精密位移控制，复合控制算法具有比PID更加优越的控制效果，能够在21 mm大行程内实现1.5 nm的闭环定位控制精度，直线电机的最大驱动力可达300N，满足大行程高精度位移控制的应用需求。

针对光电望远镜次镜精调Stewart机构的参数标定问题, 在以往标定方法的基础上, 首先, 提出了在逆运动学模型基础上推导Stewart机构标定模型的方法, 避免了正运动学求解析解困难、数值求解效率低且存在误差的问题; 其次, 对推导出的标定模型求解问题进行了分析, 求解了其雅克比矩阵, 针对模型系数矩阵不可逆的情况, 提出了一种改进的高斯牛顿迭代法及具体的实验步骤; 最后, 分析了最小二乘原理导致的测量误差对精度影响大的现象, 在Matlab中对设计的Stewart机构进行了标定仿真实验, 在测量误差为0.1 μm以下、标定精度平均提高56倍时, 平均精度仅提高7.8倍。对样机进行标定后, 位置精度平均提高了30.77倍, 姿态精度平均提高了20.73倍。结果表明: 该优化标定方法可以得到Stewart机构较精确的结构参数, 从而有效提高其位姿调整精度。

为实现空间飞行器在高目标星等、像移和光学系统像差等因素影响下的高精度星点定位，提出了一种自适应加权质心细分定位算法。基于最大似然估计推导、建立数学模型并进行仿真实验。结果表明，与质心法、加权质心法及高斯拟合法等传统星点定位算法相比，提出的算法定位精度提高了50%以上，且具有良好的收敛速度，经过5次迭代后，质心定位误差相对较稳定，可以满足实际应用中对实时性的要求。

目前深空遥感探测多采用CCD作为高分辨率相机的传感器, 相较于CCD, 面阵CMOS驱动更简单、功耗更低、抗辐射能力更强, 是深空遥感探测目前的发展趋势。为此, 本文基于CMOSIS公司生产的型号为CMV20000, 图像分辨率为5 120×3 840的CMOS探测器, 设计完成了一个大面阵CMOS高分辨率相机, 图像分辨率为5 120×3 840。详细阐述了以FPGA为核心的电子学系统的整体结构, 结合CMV20000的工作模式和时序电路, 实现了高分辨图像的高速传输以及数据校正。试验结果表明, 设计的相机系统方案合理, 解决了CMV20000数据无法对齐的数据校正问题, 系统运行稳定可靠, 安装光学系统后能够获取高质量图像。

介绍了目前国际上已发射及正在论证的大型空间望远镜的稳像控制系统，主要包括自由飞行模式的HUBBLE、JWST、ATLAST-8m和ATLAST-9.2m，载体搭载模式的SOFIA和OPTIIX。详细论述了这些空间望远镜稳像系统的组成、工作原理、主要元件、性能指标和控制算法，并对基于磁悬浮技术的无扰动载荷设计概念和机械臂直接驱动空间相机的设计思想进行了介绍。分析表明，基于机械臂和磁悬浮技术的精密稳像及主动振动抑制系统是未来的发展趋势。

研究了正弦波永磁同步电机驱动的空间光学遥感器扫描控制系统。采用复合控制与微分负反馈相结合的控制策略, 实现了扫描镜的低速高精度往复运动。分析了扫描镜运动的数学模型, 建立了d-q坐标系下的永磁同步电机数学模型; 采用id=0矢量控制策略,在MATLAB/SIMULINK环境下搭建了基于空间矢量脉宽调制技术的控制系统仿真模型, 设计了电流环、速度环和位置环调节器, 给出了仿真结果。实验验证显示: 采用复合控制后, 仿真得到恒速运行的平均速度误差由1.27％优化到0.92％, 扫描镜在恒速扫描过程中稳态平均角速度误差为2.06%, 满足扫描镜系统速度精度优于5％的设计要求。理论分析、仿真和实验证明: 该控制方法能够较好地改善控制系统的动态特性, 具有调节时间短、超调小和动态响应准确等优点。

空间巡天相机稳像系统的控制精度要求高，对导航星传感器提出了更高的要求。为提高导航星传感器的精度和带宽，提出了一种采用预测开窗和Kalman滤波相结合的星点定位方法。利用陀螺测量的三轴角速度信息，推导建立星点粗位置预测方程，得到星点的粗位置，在CMOS探测器上以预测点为中心的较小邻域范围内开窗，可提高运算速度。利用Kalman滤波算法对星点位置进行校正，最终得到高精度的星点位置。仿真实验结果表明，相比于传统的质心法，平均每帧图像处理时间从59 ms减少到27 ms，定位结果的标准差从0.1 pixel减小到0.04 pixel。提出的方法是一条提高星点定位运算速度和精度的有效途径，可为我国巡天相机导航星系统的研制提供一定参考。