CN113867431B - 一种控制望远镜消旋方法、装置、存储介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及望远镜领域，具体涉及一种控制望远镜消旋方法、装置、存储介质及设备，方法包括：基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值。基于所述望远镜方位俯仰轴角度和所述实际反馈值解算消旋的角度和速度；基于所述实际消旋的运行速度拟合出位置值；协同所述实际消旋的像旋角度和运行速度拟合出的位置值，实现消旋的控制。本申请通过同时采用速度和位置以到达消旋控制。

Description

一种控制望远镜消旋方法、装置、存储介质及设备

技术领域

本发明涉及望远镜领域，具体而言，涉及一种控制望远镜消旋方法、装置、存储介质及设备。

背景技术

地平大视场望远镜的成像探测器一般安装在主焦点和卡焦的位置，当望远镜观测太空的星体时，由于有些目标的能量太弱，需要探测器长时间的曝光才能探测出较弱的目标，而当探测器长时间曝光时，由于地球自转的作用，大视场探测器的边缘会围绕着中心星体发生图像旋转的现象，造成星体目标会被拉成弧线，进而导致星体目标难以提取。

为消除这种现象，根据图像旋转的运动轨迹，在探测器后端加装一个消旋装置是有效的办法，但为实现运动轨迹，需要根据望远镜的方位俯仰轴的位置或者星体目标的天文坐标信息进行消旋角度解算，解算过程中需要用到大量的三角函数和反三角函数运算，大大占用了控制器的运算资源，降低了运算效率，甚至会发生不能计算的现象；另外如果只采用一种信息源进行解算时，会导致当外部引导数据缺失或者望远镜方位俯仰轴信息缺失或有较大误差时，消旋装置不能按照正确的轨迹运行，不能正确的消旋。

最后，采用指令解算可以解算出消旋的位置轨迹和速度轨迹，但是若只采用位置轨迹运行时，由于指令给定指令的频率受限，导致解算出的位置指令是阶梯形状，因此位置不连续，所以不能连续消旋，而如果只采用速度消旋，长时间工作时，会造成位置误差。

发明内容

本发明实施例提供了一种控制望远镜消旋方法、装置、存储介质及设备，通过同时采用速度和位置到达消旋控制。

根据本发明的一实施例，提供了一种控制望远镜消旋方法，包括以下步骤：

基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值；

基于望远镜方位俯仰轴角度和实际反馈值解算消旋的角度和速度；

基于实际消旋的运行速度拟合出位置值；

协同实际消旋角度、运行速度拟合出的位置值，实现消旋的控制。

进一步地，基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值之后还包括：

当低速跟踪时采用伺服的实际编码器反馈，解算出实际消旋速度应该运行的速度。

进一步地，基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值之后还包括：

当反馈值出现误差时，采用理论的主控引导指令解算理论引导消旋角度值。

进一步地，基于望远镜方位俯仰轴角度和实际反馈值解算消旋的角度和速度具体为：

对实际反馈值进行解算，得出实际消旋应该运行的速度；

基于速度，为位置进行引导，得出实际消旋的位置。

进一步地，基于实际消旋的运行速度拟合出位置值具体为：

基于解算出消旋的位置和速度，解算速度积分拟合出跟踪位置值。

一种控制望远镜消旋装置，包括：

反馈值解算模块，用于基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值；

第一计算模块，用于基于望远镜方位俯仰轴角度和实际反馈值解算消旋的角度和速度；

第二计算模块，用于基于实际消旋的运行速度拟合出位置值；

消旋模块，用于协同实际消旋的角度、运行速度拟合出的位置值，实现消旋的控制。

进一步地，装置还包括：

第三计算模块，当低速跟踪时采用伺服的实际编码器反馈，解算出实际消旋速度应该运行的速度。

进一步地，第一计算模块包括：

消旋速度计算单元，用于对实际反馈值进行解算，得出实际消旋应该运行的速度；

消旋位置计算单元，用于基于速度，积分拟合为位置进行引导，得出实际消旋的位置。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储一个或多个程序，一个或多个程序可被一个或多个处理器执行，以实现如上述任意一项的控制望远镜消旋方法中的步骤。

一种终端设备，包括：处理器、存储器及通信总线；存储器上存储有可被处理器执行的计算机可读程序；

通信总线实现处理器和存储器之间的连接通信；

处理器执行计算机可读程序时实现上述任意一项的控制望远镜消旋方法中的步骤。

本发明实施例中的一种控制望远镜消旋方法、装置、存储介质及设备，方法包括：基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值；基于望远镜方位俯仰轴角度和实际反馈值解算消旋的角度和速度；基于实际消旋的运行速度拟合出位置值；协同实际消旋角度、运行速度拟合出的位置值，实现消旋的控制。本申请通过同时采用速度和位置以到达消旋控制。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明控制望远镜消旋方法的流程图；

图2为本发明控制望远镜消旋置原理框图；

图3为本发明多个数据源与消旋平台进行交互与解算的流程图；

图4为本发明采用查表式不同数据源位置速度协同切换地平式大视场的计算流程图；

图5为本发明终端设备原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参见图1，根据本发明一实施例，提供了一种控制望远镜消旋方法，包括以下步骤：

S101：基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值；

S102：基于望远镜方位俯仰轴角度和实际反馈值解算消旋的角度和速度；

S103：基于实际消旋的运行速度拟合出位置值；

S104：协同实际消旋的角度、运行速度拟合出的位置值，实现消旋的控制。

本发明实施例中的一种控制望远镜消旋方法、装置、存储介质及设备，方法包括：基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值；基于望远镜方位俯仰轴角度和实际反馈值解算消旋的角度和速度；基于实际消旋的运行速度拟合出位置值；协同实际消旋角度、行速度拟合出的位置值，实现消旋的控制。本申请通过同时采用速度和位置以到达消旋控制。

具体地，采用消旋装置实现时，目前采取速度消旋，不进行位置消旋。当只采用位置消旋计算时会造成阶梯，不顺滑。在低速跟踪时造成位置误差；当只采用速度计算时无法获得正确的星位角，不是绝对的消旋；造成速度长时间累积带来误差，所以消旋精度不高，长时间会带来位置误差。本申请通过同时采用速度和位置以到达消旋控制。

实施例中，基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值之后还包括：

当低速跟踪时采用伺服的实际编码器反馈，解算出实际消旋速度应该运行的速度。

实施例中，基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值之后还包括：

当反馈值出现误差时，采用理论的主控引导指令解算理论引导消旋角度值。

本申请分别采用主控给出星体引导指令的指令源解算出的方位俯仰轴指令和望远镜的实际反馈方位俯仰反馈值。保证了当没有主控引导时，可以采用伺服方位俯仰编码器的反馈至消旋当伺服的编码器反馈出现误差时，可以采用理论的主控引导指令解算理论引导消旋角度值，当两个数据源具备时进行天区切换时可以采用理论主控引导，低速跟踪时采用伺服的实际编码器反馈解算出的速度积分为位置进行引导控制器进行解算出实际消旋速度应该运行的速度。

实施例中，基于望远镜方位俯仰轴角度和实际反馈值解算消旋的角度和速度具体为：

对实际反馈值进行解算，得出实际消旋应该运行的速度；

基于速度，为位置进行引导，得出实际消旋的角度。

实施例中，基于实际消旋的运行速度拟合出位置值具体为：

基于解算出消旋的位置和速度，解算速度积分拟合出跟踪位置值。

具体地，采用了查表式的解算方法、可在嵌入式控制器内实现复杂三角函数解算方法的高效率实现。

采用了将高频率的速度积分拟合出位置值，与解算出的消旋角度进行协同作用来实现消旋控制。其中，当望远镜进行不同天区切换时，采用解算的方法计算出消旋的位置和速度；当望远镜跟踪星体时，利用解算的速度积分拟合出跟踪位置值；计算出的位置协同作用，在控制中增加速度前馈。保证消旋的控制精度和误差。

通过上述方法，可以在嵌入式控制器中实现复杂的解算，保证了消旋控制的高速切换和高精度跟踪，并保证在当不同的数据源缺失时，消旋控制平台仍然可以有效的工作。没有主控引导跟星时，根据实际望远镜跟踪架所处的位置进行消旋控制。若伺服跟踪架的反馈出现故障时，可以按照主控引导的数据解算出实际消旋位置。

进一步地，地平式望远镜的采用地平坐标系，描述星体所采用的为天球坐标系，为获得地平是望远镜如何按照天球坐标系的轨迹进行运动，需要进行坐标转换，将星体所在的天球坐标系坐标转换为地平式望远镜可以运行的地平坐标描述。

由坐标旋转原理，地平坐标系相当于在天球坐标系上旋转了一个当地的地理纬度角度，因此可以通过天球坐标系的参数获得地平坐标系的参数如下。

sinZsinA＝cosδsint (2)

其中，Z为计算出的地平坐标系的天顶距角，A为地平坐标系的方位角，为望远镜安装站址纬度，δ为星体在天球坐标系中的赤纬，t为星体所在的时角。

由上述转化公式可获得地平坐标系的方位俯仰值，即望远镜运动的方位俯仰值为：

EL＝90-Z (6)

其中EL为望远镜俯仰值。

一般在跟踪天文目标时主控给出望远镜跟踪架的方位值A和俯仰值EL。

天球坐标系中的星体的时角及赤纬与地平坐标系的的方位俯仰，方位之间的关系如下：

因此可以获得赤纬δ和时角t如下式所示：

其中为了保证时角t的连续性，需要进行如下处理：

由此可以通过方位俯仰值获得星体的赤纬δ和时角信息t。

不同天区中的星体的位置变化可以用改星体在天球坐标系中的星位角来进行标示，而星位角变化的速度也是星体在望远镜上的大视场相机绕着视场中心旋转的速度，因此求出星体在天球坐标系和星位角及旋转速度，控制消旋平台运动即可实现对星体在相机上图像的消旋。

星体的星位角可以通过星体的时角t和赤纬δ进行获得：

可以获得：

其中为了保证θ的没有奇点，需要对θ进行如下处理：

其中θ表示星体的星位角，v表示星体的旋转速度，按照上述公式可以计算出不同天区的星体位置，某个星体在不同时间的位置变化及星体旋转的速度，进而计算出消旋平台应该旋转的位置和速度。

由上述表达式(1)-(13)可知，在计算消旋平台需要运转的角度和速度时，需要多个三角函数和反三角函数的运算，如果在线实时计算，计算量较大，因此采用查表法进行运算，另外需要多个数据源与消旋平台进行交互与解算，具体的实现方法如图3所示：

其中在消旋控制器中由Z和A的计算出星体的时角t和赤纬δ，以及计算像旋角θ采用离散查表的方法实现。其中需要的记为：

temp1的范围为[-1,1],按照分辨率为ε₁进行查表，因此在[-1,1]范围内离散出的数值个数为：

其中N₁为正整数，通过离线计算反余弦函数，获得整个值域范围的赤纬δ乘以一定倍率m₁存在整形数组D₁中，其中m₁决定了实际中计算出的赤纬δ的有效数字，设置为：

D＝[d₁,d₂,....d_N1]

为了索引出对应的赤纬值δ(T_k)，若在某个时刻T_k计算出的为temp1(T_k)，则此时计算出的天顶距值为：

其中(temp1(T_k)+1)*N₁为索引值，表示索引的第几个变量值。

而针式(14)对于temp2的值阈是[-∞ +∞]，若采用无穷的值阈则获得无穷的离散值，无法在嵌入式控制器中实现，因此首先需要对其有限化，具体如下所示：

其中temp2_limit为一个有限的整数。此时而temp2的值阈是[-temp2_limittemp2_limit]，按照分辨率为ε₂进行查表，因此在[-temp2_limit temp2_limit]范围内离散出的数值个数为：

其中N₁为正整数，通过离线计算反正切函数，获得整个值域范围的时角t乘以一定倍率m₂存在整形数组E中，其中m₂决定了实际中计算出的时角t的有效数字，设置为：

E＝[e₁,e₂,....e_N2]

为了索引出对应的时角值t(T_k)，若在某个时刻T_k计算出的为temp2(T_k)，则此时计算出的时角值为：

其中(temp2(T_k)+temp2_limit)*N₂为索引值，表示索引的第几个变量值。

计算出了时角t(T_k)的离散值，为了保证运算时没有奇点，需要采用式(10)对计算出的时角进行处理。

计算出了赤纬值δ(T_k)和时角t(T_k)，可以进行消旋位置值的计算。

而针对于式(14)temp3的值阈是[-∞+∞]，若采用无穷的值阈则获得无穷的离散值，无法在嵌入式控制器中实现，因此首先需要对其有限化，具体如下所示：

其中temp3_limit为一个有限的整数。此时而temp3的值阈是[-temp3_limittemp3_limit]，按照分辨率为ε₃进行查表，因此在[-temp3_limit temp3_limit]范围内离散出的数值个数为：

其中N₃为正整数，通过离线计算反正切函数，获得整个值域范围的像旋角θ乘以一定倍率m₃存在整形数组F中，其中m₃决定了实际中计算出的像旋角θ的有效数字，设置为：

F＝[f₁,f₂,....f_N3]

为了索引出对应的像旋角值θ(T_k)，若在某个时刻T_k计算出的为temp3(T_k)，则此时计算出的像旋角值为：

其中(temp3(T_k)+temp3_limit)*N₃为索引值，表示索引的第几个变量值。

计算出了像旋角值θ(T_k)的离散值，为了保证运算时没有奇点，需要采用式(13)对计算出的像旋角进行处理。

由此计算出了像旋角是离散化的，在低速跟踪时会产生位置误差，为了保证消旋平台低速跟踪时的性能，采用低速跟踪时将速度积分为位置与计算出的像旋角位置叠加。其中计算像旋角时的方位俯仰值采用主控引导的A_c和EL_c，低速跟踪时的积分位置采用伺服实际编码器反馈的A_f和EL_f，为了通过公式(11)计算出实时的消旋速度为v_g，需要进行标星处理，获得地平坐标系下实际的方位A_f₁俯仰值EL_f₁：

A_f₁＝A_f+A₀

EL_f₁＝EL_f+EL₀

由此计算出低速跟踪时的消旋位置为：

θ_gf(T_k)表示T_k时刻由消旋速度v_g(T_k)计算出来的消旋跟踪位置，最后综合切换位置和跟踪位置并考虑到消旋转台的初始位置可获得的消旋位置如下：

θ_dero(T_k)＝θ_gf(T_k)+θ(T_k)+θ_dero0

其中θ_dero0为相机为正向时的像旋转台初始位置，实际跟踪时为了保证控制系统的高精度跟踪，进行控制时采用位置及速度前馈混合控制方法，前馈速度为v_g(T_k)，因此对于消旋控制平台，速度环的控制输出为：

v_gact＝CO_p{θ_dero(T_k)}+v_g(T_k)

若消旋转台有限位值，当消旋位置旋超过限位值时θ_derolp和θ_derolr需要将v_gact＝0。

经过电流环控制最终给消旋平台电机进行控制。

其中v_gact为实际控制给消旋平台的速度输出值，CO_p{θ_dero(T_k)}表示位置环采用的控制器。CO_v(CO_P{θ_dero(T_k)}+v_g(T_k))表示采用速度换采用的控制器。

因此获得的最终输出速度值为：因此由上述可知，采用查表式不同数据源位置速度协同切换地平式大视场的计算流程如图4所示：

参见图2，根据本发明的另一实施例，提供了一种控制望远镜消旋装置，包括：

反馈值解算模块100，用于基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值；

第一计算模块200，用于基于望远镜方位俯仰轴角度和实际反馈值解算消旋的角度和速度；

第二计算模块300，用于基于实际消旋的运行速度拟合出位置值；

消旋模块400，用于协同实际消旋的角度、运行速度拟合出的位置值，实现消旋的控制。

本发明实施例中的一种控制望远镜消旋方法、装置、存储介质及设备，装置包括：反馈值解算模块，用于基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值；第一计算模块，用于基于望远镜方位俯仰轴角度和实际反馈值解算消旋的位置和速度；第二计算模块，用于基于实际消旋的运行速度拟合出位置值；消旋模块，用于协同实际消旋的角度、运行速度拟合出的位置值，实现消旋的控制。本申请通过同时采用速度和位置以到达消旋控制。

实施例中，装置还包括：

第三计算模块，当低速跟踪时采用伺服的实际编码器反馈，解算出实际消旋速度应该运行的速度。

实施例中，第一计算模块包括：

消旋速度计算单元，用于对实际反馈值进行解算，得出实际消旋应该运行的速度；

消旋位置计算单元，用于基于速度，为位置进行引导，得出实际消旋的位置。

基于上述控制望远镜消旋方法，本实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储一个或多个程序，一个或多个程序可被一个或多个处理器执行，以实现如上述实施例的控制望远镜消旋方法中的步骤。

基于上述控制望远镜消旋方法，本申请还提供了一种终端设备，如图5所示，其包括至少一个处理器(processor)20；显示屏21；以及存储器(memory)22，还可以包括通信接口(Communications Interface)23和总线24。其中，处理器20、显示屏21、存储器22和通信接口23可以通过总线24完成相互间的通信。显示屏21设置为显示初始设置模式中预设的用户引导界面。通信接口23可以传输信息。处理器20可以调用存储器22中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。

此外，上述的存储器22中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

存储器22作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器20通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。

存储器22可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。

此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。

此外，上述存储介质以及终端设备中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种控制望远镜消旋方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值；

基于所述望远镜方位俯仰轴角度和所述实际反馈值解算实际消旋的角度和实际消旋的运行速度；

基于所述实际消旋的运行速度拟合出位置值；

协同所述实际消旋的角度、运行速度拟合出的位置值，实现消旋的控制；

所述基于所述望远镜方位俯仰轴角度和所述实际反馈值解算实际消旋的角度和实际消旋的运行速度具体为：

对所述实际反馈值进行解算，得出实际消旋的运行速度；

基于所述实际消旋的运行速度，积分拟合为位置进行引导，得出实际消旋的角度。

2.根据权利要求1所述的控制望远镜消旋方法，其特征在于，所述基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值之后还包括：

当低速跟踪时采用伺服的实际编码器反馈，解算出实际消旋的运行速度。

3.根据权利要求1所述的控制望远镜消旋方法，其特征在于，所述基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值之后还包括：

当所述反馈值出现误差时，采用理论的主控引导指令解算理论引导消旋角度值。

4.根据权利要求1所述的控制望远镜消旋方法，其特征在于，所述基于所述实际消旋的运行速度拟合出位置值具体为：

基于解算出实际消旋的运行速度，解算速度积分拟合出跟踪位置值。

5.一种控制望远镜消旋装置，其特征在于，包括：

反馈值解算模块，用于基于星体引导指令，解算出望远镜方位俯仰轴角度和测量出望远镜方位俯仰轴反馈的实际反馈值；

第一计算模块，用于基于所述望远镜方位俯仰轴角度和所述实际反馈值解算实际消旋的角度和实际消旋的运行速度；

第二计算模块，用于基于所述实际消旋的运行速度拟合出位置值；

消旋模块，用于协同所述实际消旋的角度、运行速度拟合出的位置值，实现消旋的控制；

所述第一计算模块包括：

消旋速度计算单元，用于对所述实际反馈值进行解算，得出实际消旋的运行速度；

消旋位置计算单元，用于基于所述实际消旋的运行速度，积分拟合为位置进行引导，得出实际消旋的角度。

6.根据权利要求5所述的控制望远镜消旋装置，其特征在于，所述装置还包括：

第三计算模块，当低速跟踪时采用伺服的实际编码器反馈，解算出实际消旋的运行速度。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序可被一个或多个处理器执行，以实现如权利要求1-4任意一项所述的控制望远镜消旋方法中的步骤。

8.一种终端设备，其特征在于，包括：处理器、存储器及通信总线；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；

所述通信总线实现处理器和存储器之间的连接通信；

所述处理器执行所述计算机可读程序时实现权利要求1-4任意一项所述的控制望远镜消旋方法中的步骤。