地平式光电望远镜天顶盲区影响因素

　　1　引　言

　　随着航天技术的不断发展,对空间目标监测设备跟踪各种空间目标的能力提出了越来越高的要求[1-2]。光电望远镜是一种集光机电于一体的空间目标监测仪器,其跟踪架(又称为机架,转台,万向架)是光电望远镜承载光电测量传感器的机电一体化平台。跟踪架结构模式主要为地平式[3-4],即俯仰-方位式。地平式结构是很多雷达和光学卫星跟踪系统采用的形式,其综合性能(体积、重量、半径、跟踪性能等)较高,特别是系统软硬件成熟性高,工作可靠性高[5-7]。其最大缺点是在天顶附近,由于望远镜视轴与方位轴重合,方位角速度接近无穷大,所以不能保证跟踪架平稳跟踪,导致目标丢失,即存在一天顶盲区。深入研究天顶盲区,是地平式光电望远镜跟踪系统研制中的一项重要课题。

　　2　天顶盲区的常规分析

　　2.1　天顶盲区成因

　　假设目标在某一较短时间内作水平匀速直线运动,如图1所示[8]。图中目标位于a点,由a向b飞行,o点为跟踪架所在位置,∠aoc=E1,∠aob=A1,A1为跟踪系统检测出的转角误差。

　　目标飞到b点时,望远镜视轴实际指向a点,地平式跟踪架要通过方位和俯仰两个轴的转动使望远镜视轴从oa转到ob(即需要把aob平面上跟踪系统检测出的横向误差A1转化为cod平面上的方位误差A),以达到跟踪目标的目的。

　　当A和A1均很小时,可设E=E1,有:

　　这就是方位支路的正割补偿原理。由式(1)可见,当仰角E1不为零时,方位误差A总是大于跟踪系统横向误差A1,而且在横向误差A1不变时,方位误差A随着仰角E1一起增大,当仰角趋于90°时,方位误差A趋于无穷大。对式(1)求导,可得方位角速度:　

　　由式(2)可见,当仰角趋于90°时,望远镜视轴与方位轴几乎重合,方位角速度趋于无穷大,如果所需跟踪方位角速度大于跟踪架的方位角速度最大值,则目标进入天顶盲区,跟踪系统丢失目标。

　　方位支路需进行正割补偿,仿真结果如图2所示。在0°~60°之间,正割补偿值的增长极为微小,因而实践中常把这一区间作为保精度跟踪的仰角变化范围。随着仰角E1升高,方位误差A在65°~ 75°之间已经有较为明显的上升趋势,此后上升趋势进一步增强,约在83°左右就开始急剧上升,这时正割补偿值对方位误差的放大作用是极为显著的,在实际执行跟踪任务时,也反应了上述分析,仰角大于75°后,系统在方位角方向出现轻微抖动,随着仰角不断升高,抖动越来越明显,直至丢失目标。

　　其实际跟踪情况如图3所示,圆形区域内即为天顶盲区,与圆形区域边界相切的轨迹为确保跟踪目标不丢失的极限情况,而轨迹B1、B2在天顶盲区内的A1、A2部分则目标丢失,跟踪中断。