为减小地基大口径望远镜在光学追踪过程中重力变形对成像质量的影响，设计了一种基于柔性铰链的高侧向刚度、亚微米精度并联调整机构。首先，介绍了系统组成并针对技术指标的要求，开展了两自由度柔性铰链设计。建立了柔性铰链并联机构的等效运动学模型和刚度模型，搭建了并联机构刚柔耦合运动学仿真系统，分析了柔性铰链对机构精度的影响。最后，搭建实验测试系统，来验证柔性铰链的设计合理性和并联调整平台刚柔耦合运动学分析的准确性。仿真和测试结果表明，柔性铰链转动刚度误差控制在3.54%之内，小位移（微米/角秒量级）运动精度达亚微米量级，大位移（毫米/度）运动精度与仿真结果对比误差控制在微米量级，机构侧向刚度优于60 N/μm，能够满足地基望远镜光学成像的要求。

为了满足2.5 m大视场望远镜的跟踪要求，提出了望远镜主轴伺服三闭环控制设计方法。在整定好的电流环输入端注入正弦信号，扫频测试主轴伺服速度环的开环频率特性。根据谐振频率设计结构滤波器抑制机械谐振，从而达到更高的闭环带宽。最后，依据辨识得到的控制模型，设计速度环线性自抗扰控制器和位置环比例控制器。速度环基于线性扩张状态观测器估计扰动并补偿其影响，可以达到更高的低速跟踪精度。为解决快速搜索问题，根据设备允许的最大速度、加速度，基于离散最速跟踪微分器安排过渡过程。实验结果表明：线性自抗扰控制相比PI控制，2.5 m大视场望远镜进行1.24°视场角快速步进搜索的时间由1.6 s降低为1.0 s；以速度为2 （°）/s，加速度为1 （°）/s²作为等效正弦引导的误差均方根值由1.08″降低为0.60″；低速跟踪斜率为0.000 1 （°）/s的位置斜坡曲线时，位置跟踪稳态误差均方根值由0.015 8″降低为0.010 6″。线性自抗扰控制能够满足大视场角天文望远镜高效率快速搜索和低速精密跟踪的要求。

随望远镜口径的不断增大，望远镜的结构尺寸相应增加，重力场引起的望远镜光轴指向变化影响也愈发明显，对地基大口径望远镜的指向检测与修正是获取高精度轨道目标数据的必要前提。为了实现望远镜指向误差的估计、测量及主动修正，从望远镜的光机系统结构出发，分析了引起望远镜光轴变化的因素，提出了光轴变化检测与修正方法。实验结果表明，在望远镜低仰角情况下，光轴最大相对变化为126″，望远镜桁架结构的重弯曲影响是引起俯仰角相关指向变化的主要因素。以4 m口径望远镜为例，提出基于次镜调整结构及卡式系统零彗差点理论的修正模型来提高望远镜的跟踪性能，修正后望远镜光轴的最大相对变化在3″内。该地基大口径望远镜指向变化检测与修正方法可应用于实际望远镜的标定和装调。

为了满足大口径望远镜中间体高刚度、低惯量的技术需求，开展了中间体的轻量化设计，同时针对传统方法无法检测中间体形位公差的问题，提出基于自准直仪和激光跟踪仪的光学检测方法。根据望远镜整体结构需求，确定中间体尺寸范围，分析力的传递路径，以应变能最小为优化目标，采用变密度法进行拓扑优化分析和结构设计。基于自准直仪测角原理，在中间体轴孔端面吸附平面反射镜，测量两端面的反射角度，实现两侧轴孔端面平行度误差的测量，基于激光跟踪仪空间点坐标测量原理，利用回转工装寻找中间体轴孔圆心，测量两侧轴孔的圆心坐标，实现同轴度误差的测量。与传统经验设计的中间体相比，以拓扑优化为指导设计的中间体质量减少21.5%，静态刚度提高14.3%。光学法检测中间体两侧轴孔端面平行度误差为0.016 mm，两侧轴孔圆心位置偏差为0.03 mm。采用拓扑优化设计的中间体在提高刚度、降低惯量方面优势明显，提出的光学检测法可实现中间体形位公差的检测。

针对大口径透镜，提出了一种新型混合柔性支撑结构，能够使透镜同时满足面形精度及位置精度要求。首先利用卡氏第二定理对各柔性铰链进行分析，建立支撑组件整体柔度模型。然后以柔性支撑组件的总变形能为目标函数，以位置精度及实际使用空间要求为约束，建立结构优化设计模型。之后确定径向柔性支撑结构对组件整体柔度的敏感度最大并对其刚度进行验证。最后对优化后的透镜组件整体结构进行有限元分析，同时利用曲面拟合方法计算镜面面形精度。仿真结果表明，在该新型混合柔性支撑结构的作用下，透镜在各要求工况下的面形精度均优于λ/20 (λ=632.8 nm)。所设计的新型混合柔性支撑结构及其理论分析过程可为高精度大口径透镜的支撑技术提供参考。

随着地基光学望远镜口径的不断增大，风扰动已成为影响望远镜成像质量最为关键的因素之一。为了深入研究风扰动对望远镜系统性能的影响规律及作用机理，从时域角度对望远镜在风扰动作用下的响应进行时程模拟以及系统性能预测。首先，简要介绍了望远镜结构组成并采用有限元方法建立了结构动力学模型，通过模态变换方法将动力学模型转换到模态坐标系下，从而降低了模型维数、提高了计算效率。然后，提出了一种基于二维随机场的风速时程模拟方法，将望远镜圆顶内的风速场表达为随时间和空间位置变化的二维随机场，通过引入波数谱，克服了谱表达方法中各个离散采样点处互功率谱矩阵Cholesky分解出现数值不稳定的问题，从而可以表达空间和时间频率范围内几乎连续的随机场，并且在数值计算中引入了快速傅里叶变换FFT算法，进一步提高了模拟效率。最后，以2 m口径望远镜为例，对风速环境进行了时程模拟，并对外界平均风速为10 m/s及15 m/s的风扰动作用下，望远镜的性能进行了预测。仿真分析结果表明：作用在望远镜主镜上的风扰动分别造成主镜最大接近45 nm和70 nm的面形误差；作用在次镜及桁架上，主要造成低频的主次镜相对位置和角度偏差。

为了解决大视场巡天望远镜中大口径透镜支撑问题，提出了一种双级柔性支撑结构，既可以保证透镜位置精度和面形精度，又能够克服镜框结构弹性变形的影响。首先，详细阐述了大口径光学透镜支撑结构设计中的难点及所提出的双级柔性支撑结构方案，并详述了该支撑结构克服镜框弹性变形的机理和优势。然后，根据双级柔性支撑结构的组成部分以及结构特征，基于欧拉薄梁理论，推导了柔性支撑单元的结构力学模型。然后，假设透镜为刚体，根据在不同姿态下透镜的力平衡和柔性支撑单元的变形协调条件，推导了该柔性支撑结构的整体刚度模型，包括了轴向刚度、横向刚度以及转动刚度。最后，以640 mm口径实验透镜为例，采用数值仿真方法分别模拟了刚性支撑、单级柔性和双级柔性支撑情况下，镜框弹性变形对镜面面形精度的影响。在镜框弹性变形非常大的情况下，双级柔性支撑结构下的镜面面形精度由20 nm下降到50 nm仅下降了2.5倍。此外，利用Zygo干涉仪对实验透镜下表面干涉检测，最佳的面形精度为0.05λ，达到了加工状态，进一步验证了所提出的双级柔性支撑结构的优越性。

大口径大视场地平式望远镜长时间曝光时，主焦点探测器会由于地球自转产生像旋，即视场中除中心外其余星体均绕视场中心旋转，进而导致目标不能正确提取与观测。为消除图像旋转的影响，某大口径大视场望远镜的消旋跟踪精度需小于5″。本文根据星体像旋原理对主焦点探测器像旋的位置特性和速度特性进行系统分析及实验验证，提出采用双电机驱动消间隙消旋机构进行消旋，利用复合电流指令控制方法消间隙并进行控制。实验结果表明：像旋特性符合消旋公式，测量误差不超过2%。最终在低速15 （″）/s及高速170 （″）/s时消旋机构的跟踪精度小于1″，进行高变速切换即7.86°sin（2π×0.5t）时，控制精度仍然小于1″，采用双电机消间隙控制方法可有效提高系统的稳定性和精度。

针对某700 mm口径地平式望远镜系统，提出了一种U型跟踪架的结构设计方案。跟踪架结构中方位轴系采用双排密珠球轴承，轴承设计为双排轴向止推钢珠及双排径向钢珠结构，滚珠的密集及均化作用可保证轴系具有高回转精度。俯仰轴系设计采用一端固定、一端游动的结构方式，以补偿机械误差及热变形对回转精度的影响。对望远镜跟踪架进行有限元建模，分析得出其一阶谐振频率可达到47.6 Hz，说明它具有良好的模态特性。使用电子水平仪及自准直仪分别对方位轴及俯仰轴进行定量检测，方位轴轴系晃动优于1.3″，俯仰轴轴系晃动优于1.8″。通过仿真分析及实验测试，证明设计的望远镜跟踪架结构具有高刚度及高回转精度，为同类跟踪架的结构设计提供了一定的参考价值。