李曉波，張遠(yuǎn)清

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

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集成仿真技術(shù)在空間光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李曉波，張遠(yuǎn)清

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

研究空間光學(xué)遙感器集成仿真中將光學(xué)、機(jī)械、熱、控制等學(xué)科綜合考慮的技術(shù)，從系統(tǒng)層面考慮各學(xué)科對(duì)光學(xué)性能指標(biāo)的影響。綜述了目前國(guó)外比較先進(jìn)的光學(xué)遙感器集成仿真分析方法，主要包括以JWST為代表的STOP學(xué)科軟件數(shù)據(jù)交互法和以NGST為代表的DOCS狀態(tài)空間法，詳細(xì)闡述了這些方法的集成方法和建模思路。集成仿真技術(shù)的實(shí)施開展可以減小產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)和方案階段論證周期，為總體指標(biāo)的制定提供可靠依據(jù)。集成仿真是空間光學(xué)遙感器多學(xué)科優(yōu)化的前提，深度集成和子系統(tǒng)協(xié)同仿真是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

空間光學(xué)遙感器；集成仿真；軟件數(shù)據(jù)交互；狀態(tài)空間

隨著人類空間觀測(cè)活動(dòng)不斷提出更高的需求，對(duì)空間光學(xué)遙感器性能、成本和設(shè)計(jì)周期等方面的要求也越來越高。未來的太空望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)需要滿足“快、好、省”的特點(diǎn)，即在較短的方案周期內(nèi)充分論證各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的滿足度以及各設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，得到指標(biāo)穩(wěn)定性高、設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化、成本預(yù)算較低的方案［1—3］。系統(tǒng)地進(jìn)行相關(guān)子系統(tǒng)的仿真分析是方案階段最主要的設(shè)計(jì)手段，是一項(xiàng)需要充分重視和深入研究的關(guān)鍵技術(shù)。

空間遙感器是光、機(jī)、熱、控等學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程[4]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法將空間工程項(xiàng)目劃分為不同的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間串行、分立的進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，子系統(tǒng)之間經(jīng)常需要通過討論會(huì)等形式不斷協(xié)調(diào)和更新方案，直至得到滿足指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)結(jié)果。這種設(shè)計(jì)方法一方面需要將很大的時(shí)間和精力花費(fèi)在協(xié)調(diào)和更新模型上，另一方面，單個(gè)學(xué)科或者子系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到的優(yōu)化方案，從整個(gè)系統(tǒng)來看往往是次優(yōu)方案［5—6］。

空間相機(jī)在軌運(yùn)行過程中不僅受到外太空的輻射傳熱、相機(jī)內(nèi)部的主動(dòng)熱控等熱環(huán)境擾動(dòng)的影響，同時(shí)也受到由于衛(wèi)星平臺(tái)軌道和姿態(tài)變化、主動(dòng)光學(xué)調(diào)整、精密穩(wěn)像與調(diào)焦機(jī)構(gòu)等帶來的系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)的影響［7—8］。除此之外，光壓、傳感器噪聲、重力梯度和地磁力矩等復(fù)雜擾動(dòng)環(huán)境共同作用也會(huì)導(dǎo)致光學(xué)像質(zhì)的下降［9—10］。因此，空間相機(jī)的系統(tǒng)仿真是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科系統(tǒng)工程，需要充分考慮擾動(dòng)源模型、結(jié)構(gòu)模型、控制模型和光學(xué)模型等［11］，建立它們之間的邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)接口，形成比較完整的閉環(huán)整體系統(tǒng)模型［12］。

目前，國(guó)內(nèi)在光機(jī)、機(jī)熱等學(xué)科集成方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，一些集成方法和接口技術(shù)得到了工程實(shí)現(xiàn)［13］，比如用Zernike擬合、球面擬合以及光線追跡的方法作為光機(jī)接口［14—15］；將熱分析得到的溫度場(chǎng)通過映射的方法建立熱機(jī)接口等［16］?？臻g光學(xué)遙感器是多級(jí)復(fù)合控制的閉環(huán)系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)很少建立光學(xué)遙感器系統(tǒng)閉環(huán)整體仿真模型［16—18］。文中總結(jié)了集成仿真方法在光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹其建模方法和思路，為以后我國(guó)開展相關(guān)工作提供參考和依據(jù)。

1　以JWST為代表的學(xué)科軟件數(shù)據(jù)交互法

1.1JWST空間望遠(yuǎn)鏡

JWST是NASA的下一代太空望遠(yuǎn)鏡，主要用于觀測(cè)宇宙的誕生、演化以及暗物質(zhì)等前沿科技[19]。JWST的整體結(jié)構(gòu)外形如圖1所示，其主鏡由18塊六角形折疊鏡拼接而成，主鏡口徑達(dá)到6.5 m，整體質(zhì)量超過6 t[4]。

圖1　JWST整體結(jié)構(gòu)Fig.1　Integral structure of JWST

由于尺寸較大、剛度較低的整體布局，使得JWST望遠(yuǎn)鏡不能在地面上進(jìn)行充分的試驗(yàn)，大部分的測(cè)試必須通過計(jì)算機(jī)建模來完成［20—21］。工程人員采用結(jié)構(gòu)-熱-光集成仿真分析方法 STOP （Structure-Thermal-Optical）計(jì)算由熱擾動(dòng)引起的光學(xué)性能的變化情況。

1.2模型建立

STOP分析模型是將空間熱分析得到的溫度分布映射到結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算光學(xué)元件的變形和位移，然后通過熱機(jī)接口將鏡面變形和剛體位移在光學(xué)模型中表示出來［22—23］，從而對(duì)光學(xué)指標(biāo)LOS和WFE進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程。為了提高STOP分析方法的計(jì)算效率，工程人員采用靈敏度分析的手段進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)[24]。靈敏度分析能夠?qū)嵩O(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)作為光學(xué)指標(biāo)的影響因子，對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行影響程度大小排名，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)的方法。在集成模型之前，首先需要對(duì)各分系統(tǒng)建立各自模型[25]。

1）熱模型。JWST的熱模型在熱分析軟件TSS 和SINDA中建立。JWST的熱分析模型如圖2所示。模型建立之后定義各部分的熱傳導(dǎo)率和輻射率等材料熱屬性，設(shè)置熱環(huán)境載荷和邊界條件，提交給求解器進(jìn)行計(jì)算，得到節(jié)點(diǎn)的溫度分布［26—27］。

圖2　JWST的熱分析模型Fig.2 Thermal analysis model of JWST

2）結(jié)構(gòu)模型。JWST的結(jié)構(gòu)模型在有限元軟件PATRAN中建立，提交NASTRAN進(jìn)行求解。JWST的結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。有限元模型建立之后需要將熱分析的溫度分布加載到結(jié)構(gòu)模型有限元節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行光學(xué)元件位移和變形分析[28]。

圖3　JWST的結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3　Structural finite element model of JWST

3）光學(xué)模型。JWST采用線性光學(xué)模型（LOM）來計(jì)算結(jié)構(gòu)變形和位移引起的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)退化，其中，線性光學(xué)模型通過有限差分方法得到。JWST的光學(xué)模型如圖4所示。初始分析時(shí)，通過光線追跡的方法分析光學(xué)系統(tǒng)未受任何擾動(dòng)時(shí)的光程差OPD0，然后依次在每個(gè)光學(xué)反射鏡的6個(gè)自由度上加載單位載荷外擾動(dòng)，得到對(duì)應(yīng)的光程差OPD[29]，則光程差靈敏度可以表示為：

式中：ijuΔ表示i號(hào)反射鏡在第 j自由度的擾動(dòng)，通過追跡n條光線可以形成光程差云圖。

光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)LOS和WFE對(duì)各光學(xué)元件位移的靈敏度矩陣zC可以通過光學(xué)軟件MACOS分析得到。

其中u為所有光學(xué)元件在全部自由度上的位移，可以通過有限元分析結(jié)果得到。靈敏度矩陣是各光學(xué)元件位移和光學(xué)指標(biāo)之間的傳遞函數(shù)。

圖4　光學(xué)模型Fig.4　Optical model

4）集成模型。STOP仿真分析的集成數(shù)據(jù)流通圖如圖5所示。通過熱分析模型得到13種不同熱工況下的溫度場(chǎng)分布，分別將它們傳遞給結(jié)構(gòu)模型作為初始條件。JWST的結(jié)構(gòu)有限元模型和熱模型并不在同一軟件中建立，因此它們的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)并不是一一對(duì)應(yīng)，這就需要將熱分析的節(jié)點(diǎn)溫度結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)模型的節(jié)點(diǎn)上［30—32］。采用熱分析節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)分析節(jié)點(diǎn)的相近區(qū)域映射成同一溫度的方法，建立線性插值矩陣L，熱分析計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)溫度TT到結(jié)構(gòu)模型節(jié)點(diǎn)溫度 Tk的映射關(guān)系為：

在結(jié)構(gòu)分析求解器NASTRAN中計(jì)算得到的光學(xué)元件的位移結(jié)果，一方面可以通過光學(xué)靈敏度矩陣傳遞給光學(xué)模型，進(jìn)行光學(xué)指標(biāo)的評(píng)價(jià)；另一方面，也可以通過光機(jī)接口軟件SIGFIT，然后在光學(xué)軟件中計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)變化［33—34］。

圖5　STOP集成仿真數(shù)據(jù)流通圖Fig.5 STOP integrated simulation data flow

1.3靈敏度分析

靈敏度分析是確定影響光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)LOS 和WFE的關(guān)鍵參數(shù)以及它們的影響程度的重要方法［35—36］。JWST的靈敏度分析采用蒙特卡洛統(tǒng)計(jì)法，初始分析時(shí)可以假設(shè)各參變量互不影響并且可以線性疊加，對(duì)每個(gè)關(guān)鍵參數(shù)建立統(tǒng)計(jì)模型，計(jì)算指標(biāo)隨設(shè)計(jì)參數(shù)變化的統(tǒng)計(jì)量（均值和方差），得到影響光學(xué)指標(biāo)的靈敏度結(jié)果。JWST的波前誤差WFE與望遠(yuǎn)鏡六處關(guān)鍵部件的熱膨脹系數(shù)之間的靈敏度分析結(jié)果如圖6所示。

圖6　WFE與六組膨脹系數(shù)靈敏度分析結(jié)果Fig.6 Results of sensitivity analysis of WFE and six groups of expansion coefficient

靈敏度分析結(jié)果可以作為方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化的依據(jù)，方便指標(biāo)的提出、結(jié)構(gòu)形式的選擇、相關(guān)參數(shù)的確定以及某些關(guān)鍵器件的選型等[37]。

目前，分析軟件數(shù)據(jù)交互的方法已經(jīng)得到了航空航天設(shè)計(jì)部門的重視，相關(guān)的學(xué)科集成工具也被引進(jìn)進(jìn)來，利用ISIGHT，OPTIMUS等多學(xué)科優(yōu)化分析工具箱可以更加高效、迅速地完成模型集成、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、靈敏度分析、質(zhì)量設(shè)計(jì)、多學(xué)科優(yōu)化等工作，依靠網(wǎng)絡(luò)建立集成設(shè)計(jì)環(huán)境成為設(shè)計(jì)優(yōu)化的必然趨勢(shì)[38]。

2　以NGST為代表的狀態(tài)空間法

2.1NGST空間望遠(yuǎn)鏡

下一代太空望遠(yuǎn)鏡NGST（Nest Generation Space Telescope）是美國(guó)“起源”計(jì)劃的重要組成部分。早在1996年，NASA就開始進(jìn)行NGST的概念設(shè)計(jì)。如圖7所示，該望遠(yuǎn)鏡由直徑為7.2 m的花瓣形主鏡、前端次鏡、展開面積超過200 m2的遮光罩、后端科學(xué)儀器以及傳感器組成，在軌壽命超過5年［11—12］。

圖7　NGST整體結(jié)構(gòu)Fig.7　Integral structure of NGST

NGST的集成仿真采用DOCS （Dynamics-Optics-Controls-Structures）方法。首先在分析軟件中分別建立結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、擾動(dòng)源模型、控制模型和光學(xué)模型，再將其轉(zhuǎn)化為用狀態(tài)空間方程表示的形式，然后利用學(xué)科或子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)接口邏輯關(guān)系，在MATLAB中將各子系統(tǒng)模型串聯(lián)起來，形成閉環(huán)系統(tǒng)集成模型[39]。

2.2模型建立

1）結(jié)構(gòu)模型。NGST的結(jié)構(gòu)有限元模型如圖8所示。主要由桿、梁、板、集中質(zhì)量單元組成，共109個(gè)節(jié)點(diǎn)，573個(gè)自由度，其中光學(xué)系統(tǒng)只有11個(gè)節(jié)點(diǎn)。這種簡(jiǎn)化模型主要用于望遠(yuǎn)鏡的初始設(shè)計(jì)。

圖8　NGST有限元模型Fig.8　Finite element model of NGST

模型建立之后提交NASTRAN進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到NGST的模態(tài)如圖9所示。模態(tài)分析的所有信息都保存在結(jié)果文件f06中，提取各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的特征值和特征向量[37]。

圖9　NGST典型模態(tài)陣型Fig.9　Typical modal formation of NGST

剛度矩陣K，質(zhì)量矩陣M和特征向量iφ滿足公式：

將其轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間方程：

式中：qp為模態(tài)坐標(biāo)系；up為輸入向量；y1為輸出向量；Ap，Bp，Cp為由模態(tài)頻率和陣型組成的矩陣[40]。

2）擾動(dòng)源模型。NGST的繞動(dòng)源包括6個(gè)制冷機(jī)和4個(gè)反作用飛輪，如圖10所示。對(duì)擾動(dòng)源的建模一般采用通過試驗(yàn)或者數(shù)學(xué)方法獲得各方向的繞動(dòng)力和力矩［41—43］。

圖10　制冷機(jī)和飛輪Fig.10　Refrigerating machine and flywheel

以反作用飛輪為例，如圖11所示。通過在飛輪周邊選取四個(gè)不同位置布置三向力傳感器的方法可以得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)三個(gè)方向的力值，然后將每個(gè)方向的矢量力疊加，就可以得到飛輪在三個(gè)方向繞動(dòng)力。通過幾何關(guān)系還可以得到三個(gè)方向的力矩。

圖11　反作用輪擾動(dòng)試驗(yàn)Fig.11　Reaction wheel disturbance test

一般來說，擾動(dòng)源6個(gè)方向的力和力矩為隨機(jī)擾動(dòng)。測(cè)量得到的BAe 80K制冷機(jī)時(shí)域、幅頻和功率譜密度曲線如圖12所示。

圖12　BAe 80K制冷機(jī)時(shí)域、幅頻和功率譜密度曲線Fig.12　Density curve of time domain,amplitude and power spectrum of BAe 80K refrigerator

將其轉(zhuǎn)化為用狀態(tài)空間表示的形式為：

其輸入和輸出接口分別為 d1和w1。

3）光學(xué)模型。在光學(xué)軟件MACOS中建立NGST的光學(xué)模型如圖13所示。通過光線追跡的方法計(jì)算單方向單位擾動(dòng)對(duì)光學(xué)性能指標(biāo)的影響，分別得到波前誤差WFE和視軸穩(wěn)定性誤差LOS的靈敏度矩陣。

圖13　NGST光學(xué)模型Fig.13　Optical model of NGST

光學(xué)靈敏度矩陣是光學(xué)性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的橋梁，它們的關(guān)系為：

4）控制模型。NGST的穩(wěn)像控制系統(tǒng)為姿態(tài)控制和精密穩(wěn)像控制兩級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)。姿態(tài)控制系統(tǒng)ACS包含星敏感器、反作用飛輪和陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)；精密穩(wěn)像控制系統(tǒng)為快擺鏡組件FSM。精密穩(wěn)像控制系統(tǒng)的原理如圖14所示，根據(jù)精細(xì)導(dǎo)星測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)到的入射光軸與目標(biāo)光軸的偏差，控制快擺鏡使得最終偏差在系統(tǒng)要求以內(nèi)從而實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)像[45,46]。簡(jiǎn)化分析時(shí)選擇帶有負(fù)延時(shí)的PD控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

圖14　精密穩(wěn)像控制系統(tǒng)原理Fig.14　Principle diagram of the control system of precision image stabilization

將控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為用狀態(tài)方程表示的形式為：

其輸入和輸出接口分別為y和u。

5）集成模型。NGST的集成模型是將結(jié)構(gòu)、擾動(dòng)源、光學(xué)以及控制模型合稱為能夠進(jìn)行學(xué)科之間數(shù)據(jù)傳遞的閉環(huán)模型［46—47］。在子學(xué)科建模環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)、擾動(dòng)源和控制模型均已經(jīng)表示為狀態(tài)空間方程，波前誤差靈敏度和視軸穩(wěn)定性誤差靈敏度矩陣作為結(jié)構(gòu)到光學(xué)指標(biāo)的數(shù)據(jù)接口，每個(gè)子模塊均定義好了輸入輸出通道。因此，按照望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系，集成模型只需將上一級(jí)學(xué)科的輸出結(jié)果作為下一級(jí)學(xué)科的輸入文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互即可［48—50］。在MATLAB中建立的用子模塊狀態(tài)空間方程表示的系統(tǒng)模型如圖15所示。集成模型為兩級(jí)閉環(huán)回路，分別對(duì)應(yīng)NGST的粗、精兩級(jí)控制系統(tǒng)。初始分析時(shí)忽略了指向控制和穩(wěn)像控制之間的低頻耦合影響。整個(gè)系統(tǒng)的輸入為制冷機(jī)、反作用飛輪以及精細(xì)導(dǎo)星傳感器白噪聲，輸出為光學(xué)性能指標(biāo)WFE和LOS[52]。

2.3性能分析

集成模型建立之后，就可以進(jìn)行時(shí)域、頻域、李亞普諾夫計(jì)算，分析擾動(dòng)對(duì)兩大光學(xué)指標(biāo)的影響規(guī)律。此外，對(duì)影響光學(xué)指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行靈敏度、同效性分析以及參數(shù)優(yōu)化，分析和優(yōu)化結(jié)果將作為提高系統(tǒng)性能的依據(jù)提供給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員[52]。圖16表示NGST各階模態(tài)頻率對(duì)波前誤差WFE的貢獻(xiàn)百分比[7]。

圖15　集成模型Fig.15　Integrated model

圖16　不同階模態(tài)對(duì)WFE的貢獻(xiàn)百分比Fig.16　Contribution of different order modes to WFE

空間光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到多個(gè)學(xué)科。這些學(xué)科之間是相互耦合、相互聯(lián)系和相互矛盾的。隨著空間相機(jī)的發(fā)展，這種耦合、聯(lián)系和矛盾將會(huì)更加嚴(yán)重，需要從系統(tǒng)工程層面上去分析和研究[53—56]。DOCS的方法為我們提供了一種思路，隨著時(shí)間的推移，這種思路和方法將會(huì)不斷應(yīng)用中完善，逐步形成成熟的體系。

3　仿真方案選擇

以JWST為代表的學(xué)科軟件數(shù)據(jù)交互方法是基于各學(xué)科軟件獨(dú)立運(yùn)行的基礎(chǔ)上，學(xué)科之間通過接口程序進(jìn)行交互，并利用ISIGHT，OPTIMUS等集成平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)軟件的自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)尋優(yōu)、多次計(jì)算同一鏈路等功能。

以MATLAB為平臺(tái)的狀態(tài)空間集成仿真方法同樣需要在各自的學(xué)科軟件中進(jìn)行子學(xué)科建模。不同于學(xué)科軟件數(shù)據(jù)交互法直接將各子學(xué)科軟件分析得到的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，狀態(tài)空間集成仿真方法是在各學(xué)科建立自身的模型基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，再將各學(xué)科模型轉(zhuǎn)化為用狀態(tài)空間矩陣表示的形式，在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行各學(xué)科數(shù)據(jù)交互。

兩種集成方法的核心思想均是將不同學(xué)科之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。學(xué)科軟件數(shù)據(jù)交互方法直接對(duì)商業(yè)軟件的輸入輸出接口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，仿真過程需要在不同軟件之間來回讀取數(shù)據(jù)，雖然在仿真效率方面有一定劣勢(shì)，但是此方法基于目前比較成熟且學(xué)科門類齊全的商業(yè)仿真軟件，很多軟件之間已經(jīng)建立成熟的接口關(guān)系，因此適合于模型比較簡(jiǎn)化的光、機(jī)、熱靜態(tài)仿真分析。狀態(tài)空間方法將所有子學(xué)科統(tǒng)一用狀態(tài)空間來表示，最終集成在MATLAB平臺(tái)上，數(shù)據(jù)交互不需要跨軟件。顯然，基于狀態(tài)空間的集成仿真方法省去了來回調(diào)用不同學(xué)科軟件的過程，同時(shí)在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行狀態(tài)空間矩陣運(yùn)算顯然比在商業(yè)軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)迭代計(jì)算效率更高。目前對(duì)熱分析模型建立狀態(tài)空間矩陣進(jìn)行集成仿真方面還有待研究，因此，狀態(tài)空間方法在光、機(jī)、控動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

兩種仿真方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程項(xiàng)目中還需要結(jié)合仿真對(duì)象的規(guī)模、涉及的學(xué)科、工況等方面綜合考慮，揚(yáng)長(zhǎng)避短，必要時(shí)可以將兩種方法結(jié)合起來，制定出符合實(shí)際需求的仿真方案。

4　結(jié)語

集成仿真技術(shù)能夠從系統(tǒng)層面上優(yōu)化和平衡各子學(xué)科或者子系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，識(shí)別影響系統(tǒng)指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，是未來光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)的發(fā)展思路。集成仿真在空間光學(xué)相機(jī)上的使用主要包括學(xué)科軟件數(shù)據(jù)接口集成和狀態(tài)空間集成兩種方法，集成仿真的范圍還未涉及光學(xué)相機(jī)設(shè)計(jì)的全部相關(guān)專業(yè)。隨著空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑越來越大，必然會(huì)對(duì)支撐、精密、熱控以及振動(dòng)抑制等關(guān)鍵技術(shù)提出更高的要求，單一子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其他子系統(tǒng)的影響將會(huì)深入而廣泛，學(xué)科和子系統(tǒng)之間耦合、聯(lián)系和矛盾更加突出，迫切需要仿真向更廣范圍和更深層次去發(fā)展，從系統(tǒng)層面上進(jìn)行集成仿真和協(xié)同考慮、權(quán)衡子系統(tǒng)參數(shù)之間的設(shè)計(jì)矛盾是未來空間相機(jī)仿真分析的發(fā)展趨勢(shì)。

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Application of Integrated Simulation Technology in the Design of Space Optical
Remote Sensor

LI Xiao-bo,ZHANG Yuan-qing
(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,ChineseAcademy of Sciences,Changchun 130033,China)

It aims to study the technology of optical,mechanical,thermal,control and other disciplines in the integrated simulation of space optical remote sensor and consider the influence of various disciplines on the optical performance index from the system level.It reviewed the foreign advanced optical remote sensor integrated simulation analysis methods,mainly including the STOP subject software data interaction method with JWST as representative and the DOCS state space method with NGST as representative.Integrated approach and modeling procedures of these methods were discussed in details.The implementation of the integrated simulation technology could reduce the period for phased demonstration of conceptual product design and plan,and provided a reliable basis for the development of the overall index.Integrated simulation is the premise of the multi discipline optimization of space optical remote sensor,and the deep integration and the subsystem collaboration simulation will be the development tendency in future.

space optical remote sensor;integrated simulation;software data exchange;state space

2016-03-25；Revised：2016-04-25

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.017

TJ01

A

1672-9242(2016)04-0102-10

2016-03-25；

2016-04-25

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（61205143）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China(61205143)

李曉波（1987—），男，陜西人，碩士，主要研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器集成仿真。

Biography：LI Xiao-bo(1987—),Male,from Shaanxi,Master,Research focus:space optical remote sensor integrated simulation aspects.