百人牛牛网站

百人牛牛网站-手机棋牌外挂-千炮捕鱼手机版

空间望远镜瞄准控制系统中的陀螺仪原理与应用

在地球轨道上运行的空间望远镜,要想观测特定的天区或天体,需要依赖由陀螺仪等组成的瞄准控制系统。其中,陀螺仪能测出望远镜的移动速度,确保它在观测中稳定的姿态和正确的指向。

  近年来,在全球各大空间望远镜上,陀螺仪屡屡“罢工”。先是哈勃空间望远镜因陀螺仪故障暂停科学观测,紧接着,钱德拉空间望远镜也进入安全模式,其中也不排除陀螺仪失灵的原因。再往前追溯,开普勒空间望远镜也曾因陀螺仪故障而被迫改造为其他望远镜继续工作。那么,屡屡“罢工”的陀螺仪对空间光学望远镜观测来说,意味着什么呢?



在地球轨道上运行的NASA哈勃太空望远镜,资料图


  空间望远镜瞄准控制系统中的陀螺仪

  在茫茫宇宙中,天文学家们想要观测的可能是某一个特定的天区或天体。如何才能让在轨道上运行的空间望远镜“听话”地指向观测目标呢?这就需要依赖由陀螺仪等组成的瞄准控制系统来实现。在瞄准控制系统中,陀螺仪能够测量出望远镜的移动速度,确保它在观测中能保持稳定的姿态和正确的指向。

  根据光的衍射原理,望远镜口径越大,分辨率就越精细;望远镜观测时间越长,越能看清更远的暗淡天体。无论如何,这都需要望远镜指向精确,不然得到的图像就会模糊,这就如同拍夜景手抖就会得到模糊照片一般。所以精确指向,对于太空望远镜的观测而言,尤为重要。



在手机IOS光学防抖系统中,镜头使用了两个陀螺仪,用来监测相机或手机移动的角度和速度。


  形象一点说,空间望远镜在空中的观测主要是给特定的目标“拍照”。生活中,相信大家都有过因手抖而拍出模糊照片的体验。自苹果公司2010年在iPhone4中引入陀螺仪以来,这一元件已广泛用在我们如今使用的智能手机里,其中,陀螺仪可实现自动防抖功能。

  具体来说,就是当你按下快门时,陀螺仪会测量出手机翻转的角度,将手抖产生的偏差反馈给图像处理器,对镜头的抖动方向及位移给出补偿,从而拍出清晰的图片。当然,这种手机陀螺仪,是指的微机电陀螺仪,即采用了MEMS封装技术的MEMS陀螺仪



哈勃空间望远镜指向控制系统与其中的机械式陀螺仪位置,资料图


  空间望远镜中的机械式陀螺仪原理

  不过,跟MEMS陀螺仪原理相同,目前在大型空间望远镜上,虽然采用的是常规机械式陀螺仪,但它们都具有保持自身转动状态的特点,所以,也被用来实现太空望远镜在太空中的稳定定位和角度测量。

       机械式陀螺仪是一台利用高速旋转的质量来敏感测量指向的设备。根据陀螺仪进动性原理,当卫星运动使陀螺仪的自转轴变动,导致陀螺在其输入轴方向存在一个进动角速度时,在陀螺的输出轴将产生一个力矩。通过将力矩转换为电信号,即可测得陀螺仪当前的转角。

  陀螺仪只有在高速且高稳定的情况下,才能保证高测量精度。这个目标可以靠液浮、气浮、磁悬浮等技术实现。哈勃等空间望远镜采用的是气浮和液浮相结合的方式,这可以隔离卫星的振动干扰,同时将阻力降到极低,从而保证望远镜定位的高精度及稳定性。



空间望远镜上的陀螺仪拆解图,资料图


  之所以选择机械陀螺仪,除了哈勃等空间望远镜制造的时间背景外,还有历史沿革因素。当时,光学陀螺等才刚刚发明出来,机械式陀螺仪最为成熟,也经过了多代卫星与国际空间站的检验,所以,哈勃使用的一直是常规机械陀螺仪。

  机械陀螺仪是一台利用高速旋转的质量来敏感测量指向的设备。根据陀螺进动性原理,当卫星运动使陀螺仪的自转轴变动,导致陀螺在其输入轴方向存在一个进动角速度时,在陀螺的输出轴将产生一个力矩。通过将力矩转换为电信号,即可测得陀螺仪当前的转角。

  空间望远镜为何需要至少三个陀螺仪同时工作?

  因此,与手机陀螺仪拍照防抖类似,有了陀螺仪的帮助,空间望远镜可以保持稳定的姿态,通过长时间的曝光拍出清晰的图像,满足科学家的观测需求。

  具体来说,太空望远镜所需的高精度指向信息,通常由星敏感器(即一组指向不同方向的小型望远镜)和陀螺仪来协同测量完成。通常来说,一旦陀螺仪数量低于三个,精确指向就无法实现了。究其原因,是由于每个陀螺仪能够测量一个方向的转动,因此要测量望远镜在三维空间中的指向状态,需要至少三个陀螺仪同时工作,这就类似我们所了解的坐标轴。



在2009年望远镜维修任务中,从亚特兰蒂斯号航天飞机上看到的哈勃望远镜。资料图


       不过,由于机械式陀螺仪采用的是高速旋转的转子,受工艺水平限制,很难达到长使用寿命的要求。

  例如,2009年,在对哈勃空间望远镜进行第4次维修时,宇航员全部更换了它的6个陀螺仪,其中有3个是增强型陀螺仪,预计使用寿命更长。目前,哈勃望远镜只剩下两个增强型陀螺仪在运行。尽管在只有1个陀螺仪运转的情况下,哈勃望远镜也可维持相对低效率的工作,但要有3个陀螺仪正常工作,它才能最高效地进行观测。

  常规陀螺采用的是高速旋转的转子,受工艺水平限制,很难达到长使用寿命的要求。但是,考虑到哈勃望远镜的制造时间,或许还有历史沿革的原因——当时光学陀螺等才刚刚发明出来,机械式陀螺仪最为成熟,也经过了多代卫星与国际空间站的检验,毕竟上天无小事——哈勃使用的一直是常规机械陀螺仪。

  陀螺仪技术在太空望远镜上的未来

  在过去几十年中,随着材料科学、测量控制技术的发展,人们得以将一些独立于传统陀螺仪发展路径的物理原理应用到陀螺仪上。这方面的代表有上文提到的MEMS微机电陀螺仪、根据光学原理工作的光学陀螺仪,以及根据原子自旋等进行惯性测量的原子自旋陀螺仪等。

  不过,这些新概念陀螺仪尚处雏形状态,技术不成熟,工作指标还无法满足太空望远镜的高精度需求。但广阔的前景已经依稀可见,相信在不久的将来,我们可以在太空望远镜上发现它们的身影。

作者最近更新

参与评论

评论

推荐阅读

新建收藏夹

请选择举报内容

是否在举报的同时屏蔽该用户

百人牛牛游戏
百人牛牛网站-手机棋牌外挂-千炮捕鱼手机版传感器专家网_专注于传感器技术领域百人牛牛网站