基于蒙特卡罗法的星载太阳辐照度光谱仪对日指向误差分析

郭旭; 胡春晖; 颜昌翔; 郭永飞; 马泽龙; 胡庆龙

doi:10.37188/OPE.20212903.0474

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于蒙特卡罗法的星载太阳辐照度光谱仪对日指向误差分析

更新时间：2026-09-11

- 基于蒙特卡罗法的星载太阳辐照度光谱仪对日指向误差分析
- Analysis of sun pointing error of spaceborne solar spectroradiometer based on Monte Carlo method
- 光学精密工程 2021年29卷第3期页码：474-483
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春吉林 130033
  2.中国科学院大学，北京 100049
- 作者简介：
  
  郭　旭（1991-），女，吉林长春人，硕士，助理研究员，2015年于北京航空航天大学获得硕士学位，主要从事航天遥感电子学设计、伺服系统设计等研究工作。E-mail：guoxuhuhu@163.com
  颜昌翔（1973-），男，湖北洪湖人，博士，研究员，2001年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事空间光学遥感仪器的光机电一体化技术，多光谱、超光谱空间遥感成像技术、偏振探测技术等方面的研究。E-mail：yancx0128@126.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(61805235)
- DOI：10.37188/OPE.20212903.0474
  中图分类号： V447.1;V448.222
- 收稿：2020-10-12，
  
  修回：2020-11-11，
  
  纸质出版：2021-03-15
- 稿件说明：
移动端阅览
郭旭,胡春晖,颜昌翔等.基于蒙特卡罗法的星载太阳辐照度光谱仪对日指向误差分析[J].光学精密工程,2021,29(03):474-483.

GUO Xu,HU Chun-hui,YAN Chang-xiang,et al.Analysis of sun pointing error of spaceborne solar spectroradiometer based on Monte Carlo method[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(03):474-483.
郭旭,胡春晖,颜昌翔等.基于蒙特卡罗法的星载太阳辐照度光谱仪对日指向误差分析[J].光学精密工程,2021,29(03):474-483. DOI： 10.37188/OPE.20212903.0474.

GUO Xu,HU Chun-hui,YAN Chang-xiang,et al.Analysis of sun pointing error of spaceborne solar spectroradiometer based on Monte Carlo method[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(03):474-483. DOI： 10.37188/OPE.20212903.0474.

摘要

为保证光谱仪能够获取到有效太阳光谱数据，要求搭载光谱仪的二维转台能够长时间高精度跟踪太阳，而跟踪太阳的前提是转台实现精准指向，使太阳进入导行镜的有效视场。根据从卫星接收的太阳矢量和姿态数据对安装误差进行修正，计算修正后转台指向的参考值，并确保指向误差小于1°。在转台各个基准立方镜上建立坐标系，采用坐标变换法建立了对日指向的数学模型，通过运动学反解给出转台调整角度与轨道坐标系下太阳矢量的解析关系。然后，结合光谱仪的在轨运动形式，对其工作过程中的主要误差来源进行分析，并在MatLab平台上搭建基于蒙特卡罗法的指向误差模型。仿真结果表明指向误差优于0.35°。最后，在地面开展太阳指向模拟实验，测得春分轨道下指向误差低于0.16°，满足导行镜捕获视场需求。实验结果验证了数学模型的正确性及有效性，同时为光谱仪在轨工作提供了设计参考。

Abstract

To guarantee the efficient operation， that is， capture of solar spectral data， of a solar spectroradiometer， the two-dimensional pointing turntable that carries the spectrometer should precisely track the sun over long periods. Highly precise sun pointing ensures that the sun stays in the effective field of vision of the guide telescope. Specifically， according to the solar vector and positioning data received from the satellite， the assembly error is corrected and the reference data for pointing are calculated after correction， ensuring that the pointing error is less than 1°. To accomplish this， coordinate systems were built into all the hexahedral reference prisms on the turntable. and the mathematical model of sun pointing was implemented using the transformation matrices of the coordinate systems. Further， the relationship between the turntable's angle of adjustment and the solar vector on the orbit coordinate system was derived using inverse kinematics. then the main source of error during operation of the spectrometer was analyzed along with its mode of operation in orbit； from these analyses， the pointing error model was built based on the Monte Carlo method on MATLAB. The model was employed to perform a simulation and analysis of sun pointing. The simulation results demonstrate that the pointing error is less than 0.35°. Finally， the simulationwas performed to obtain the result that the pointing error under the vernal equinox orbit is less than 0.16°， meeting the requirement for the field of view of the guide telescope. The correctness and effectiveness of the mathematical model presented in this paper are validated based on the test results， which simultaneously offer a design reference for the spectrometer.

关键词

Keywords

references

李占峰，黄煜，王淑荣，等 . 多通道共光栅转轴太阳光谱仪波长非线性研究［J］. 中国激光， 2019 ， 46 （ 9 ）： 0911004 .

LI ZH F ， HUANG Y ， WANG SH R ， et al . . Wavelength nonlinearity of multi-channel solar spectrometer with common grating rotating axis ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2019 ， 46 （ 9 ）： 0911004 . （in Chinese）

曹佃生，林冠宇，闻宝朋，等 . 红外双光栅光谱仪波长扫描机构设计与精度分析［J］. 中国激光， 2017 ， 44 （ 5 ）： 0511002 .

CAO D SH ， LIN G Y ， WEN B P ， et al . . Wavelength scanning mechanism design and accuracy analysis of infrared double grating spectrometer ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2017 ， 44 （ 5 ）： 0511002 . （in Chinese）

李寒霜 . 紫外-真空紫外太阳光谱仪及光谱/辐射定标研究［D］. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 2019 .

LI H SH . Study on UV-VUV Solar Spectrometer and Spectral/Radiation Calibration ［D］. Changchun ： Changchun Institute of Optics ， Fine Mechanics and Physics ， Chinese Academy of Sciences ， 2019 . （in Chinese）

孙德贝，李志刚，李福田 . 用于太阳光谱仪的光电探测系统线性度测试装置［J］. 中国光学， 2019 ， 12 （ 2 ）： 294 - 301 .

SUN D B ， LI ZH G ， LI F T . Linearity testing device for the photoelectric detecting system of solar spectrometers ［J］. Chinese Optics ， 2019 ， 12 （ 2 ）： 294 - 301 . （in Chinese）

李福田，李志刚，王晓旭，等 . 自校准型光谱辐亮度标准光源［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 8 ）： 2004 - 2010 .

LI F T ， LI ZH G ， WANG X X ， et al . . Self-calibrated spectral radiance standard source ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 8 ）： 2004 - 2010 . （in Chinese）

李占峰，王淑荣，黄煜，等 . 星载太阳辐照度光谱仪短时高精度太阳预报［J］. 光学学报， 2019 ， 39 （ 7 ）： 167 - 171 .

LI ZH F ， WANG SH R ， HUANG Y ， et al . . High-precision and short-time solar forecasting by spaceborne solar irradiance spectrometer ［J］. Acta Optica Sinica ， 2019 ， 39 （ 7 ）： 167 - 171 . （in Chinese）

孙立微 . 空间高光谱遥感仪器辐射定标技术研究［D］. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 2018 .

SUN L W . Research on Radiometric Calibration for Space Hyperspectral Remote Sensor ［D］. Changchun ： Changchun Institute of Optics ， Fine Mechanics and Physics ， Chinese Academy of Sciences ， 2018 . （in Chinese）

窦晨浩 . 空间大气/太阳光谱仪定量化关键技术研究［D］. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 2018 .

DOU CH H . Research on the Key Quantitative Technology of Atmospheric/Solar Remote Sensing Instrument ［D］. Changchun ： Changchun Institute of Optics ， Fine Mechanics and Physics ， Chinese Academy of Sciences ， 2018 . （in Chinese）

王金元，刘志惠 . 一种小型圆口径相控阵天线的指向误差分析［J］. 现代雷达， 2020 ， 42 （ 7 ）： 65 - 69 .

WANG J Y ， LIU ZH H . Analysis of beam-steering error of phased array antenna with small & circular shape ［J］. Modern Radar ， 2020 ， 42 （ 7 ）： 65 - 69 . （in Chinese）

胡晓炜，朱庆生 . 机架模型下指向误差数据的筛选与分析［J］. 天文研究与技术， 2021 ， 18 （ 1 ）： 77 - 86 .

HU X W ， ZHU Q SH . Screening and analysis of pointing error data under frame model ［J］. Astronomical Research & Technology ， 2021 ， 18 （ 1 ）： 77 - 86 . （in Chinese）

康跃然，肖本龙，傅亦源，等 . 三轴转台系统姿态变化下指向误差建模与分析［J］. 制造业自动化， 2018 ， 40 （ 12 ）： 135 - 139 .

KANG Y R ， XIAO B L ， FU Y Y ， et al . . Modeling and analyzing pointing error of the three-axis turntable system under posture change ［J］. Manufacturing Automation ， 2018 ， 40 （ 12 ）： 135 - 139 . （in Chinese）

吴伟平，马庆军，王淑荣 . 大气临边观测中视轴临边指向精度的在轨补偿［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 3 ）： 569 - 576 .

WU W P ， MA Q J ， WANG SH R . On-orbit correction method for limb pointing error of ozone detector ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 3 ）： 569 - 576 . （in Chinese）

LIAO T T . Modeling and analysis of laser shaft alignment using 4×4 homogeneous coordinate transformation matrix ［J］. Measurement ， 2009 ， 42 （ 1 ）： 157 - 163 .

胡春晖，颜昌翔 . 基于高斯光学齐次坐标变换的光机装调［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 11 ）： 2353 - 2359 .

HU CH H ， YAN CH X . Optical-mechanical assembly based on Gaussian optical homogeneous coordinate transformation ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 11 ）： 2353 - 2359 . （in Chinese）

LOU Y M ， HU J M . Coordinate transformation of three-dimensional image in integral imaging system illuminated by a point light source ［J］. Optik ， 2021 ， 226 ： 165885 .

KULESZA J A ， Jr SOLOMON C J ， Jr KIEDROWSKI B C . Discrete ordinates analysis of the forced-flight variance reduction technique in Monte Carlo neutral particle transport simulations ［J］. Journal of Computational Physics ， 2021 ， 429 ： 109997 .

浏览量

688

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于蒙特卡洛的手机变焦镜头设计

大气临边观测中视轴临边指向精度的在轨补偿

大口径光学元件疵病检测仪的结构设计

新型四足步行机器人串并混联腿的运动学分析

强湍流下并行中继自由空间光通信的中断分析