技术领域
[0001] 本
发明涉及一种射电望远镜的运动控制领域，特别涉及一种射电望远镜馈源支撑系统的运动规划方法。
背景技术
[0002] 被誉为“中国天眼”的500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)工程是国家“十一五”重大科技
基础设施建设项目，其主要构成包括反射面和馈源接收装置，基本思路是通过反射面反射及汇聚射电波，然后馈源接收装置完成射电波的接收。馈源接收装置通过馈源支撑系统运动，馈源支撑系统采取三个主动控制机构：索驱动并联机构、AB轴
旋转机构和Stewart并联机构。索驱动并联机构可以把馈源接收机控制到正确的
位置，AB轴旋转机构用于调整馈源接收机的
姿态，Stewart并联机构用于降低
风扰影响，进一步调整馈源接收机的位置与姿态，确保馈源接收机可以高
精度的
定位在焦点上，接收射电源
信号，利用上述主动控制机构实现了将馈源相心定位在焦点位置。馈源支撑系统的运动规划是指根据天文观测需求，进行馈源相心位置、速度和
加速度规划，尽可能的保证观测时间内馈源接收机定位满足其精度要求，观测数据可用。
[0003] 现有的运动规划在开始观测时馈源支撑系统就开始运动，而刚开始观测时由于馈源相心位置的速度为0，需要加速到观测速度，会导致这加速段的观测轨迹上的数据与天文轨迹规划的时间规划不匹配，需要
数据处理后端进行专
门的数据处理；另外，在部分观测模式下(如沿赤经观测或沿赤纬观测)，在观测轨迹上对馈源相心位置进行加减速规划，也会造成观测轨迹上的数据与天文轨迹规划的时间规划不匹配，需要数据处理后端进行专门的数据处理。此外，
现有技术中采用的运动规划方法是利用天文
坐标系进行规划，天文坐标系下速度为匀速时，其直
角坐标可能并不匀速，所以当换算成机构在直角坐标系下进行运动时，加减速规划容易出现不合理的情况，使得机构的加速度变化过大，馈源支撑系统的运动机构无法满足其快速响应的要求，造成控制误差过大，超出了馈源定位精度要求，使得这部分观测数据不可用，损失了观测时间和数据。因此，目前大口径射电望远镜馈源支撑系统的运动规划方法需要进行改进尤其是起步阶段和结束阶段，以及观测阶段中的加减速阶段。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的
缺陷，提供一种大口径射电望远镜馈源支撑系统的运动规划方法。
[0005] 本发明的技术方案是：一种射电望远镜馈源支撑系统的运动规划方法，包括如下步骤：根据待观测的天文轨迹类别计算需要运动规划的时间参数并发送给天文轨迹规划单元；所述天文轨迹规划单元转换包含时间信息的直角坐标并发送给运动规划单元；所述运动规划单元根据所述馈源支撑系统的当前位置进行运动规划，所述运动规划包括：起步规划、观测轨迹规划和结束规划，得到完整的运动轨迹。
[0006] 进一步地，所述起步规划、观测轨迹规划和结束规划的顺序为:观测轨迹规划->(起步规划+结束规划)。
[0007] 进一步地，所述观测轨迹规划包括沿赤经方向运动中扫描模式、沿赤纬方向运动中扫描模式、
跟踪模式、编织式扫描模式、静态扫描模式的一种或多种扫描模式观测轨迹规划。
[0008] 进一步地，所述沿赤经方向运动中扫描模式的观测轨迹包括：沿赤纬方向的观测段，和沿赤经方向的过渡段，两者相互交替，观测段和过渡段衔接处形成拐点；沿赤经方向运动中扫描模式观测轨迹规划包括以下步骤：
[0009] 沿赤纬方向的观测段轨迹规划步骤：确定观测段中沿赤纬方向的扫描速度；
[0010] 沿赤经方向过渡段的轨迹规划步骤：
[0011] 步骤S1:确定过渡段中沿赤经方向变化赤经线所需的时间，即所述过渡段的时间t2；
[0012] 步骤S2:在所述t2时间段内，正向扫描增加一段减速段，反向扫描增加一段加速段；根据所述减速段、所述加速段的最大加速度限值和最大速度限值，确定加减速所需要的距离；
[0013] 步骤S3:计算所述拐点处的所述减速段终点和所述加速段起点的坐标；
[0014] 步骤S4:结合过渡段轨迹的球心和半径，规划观测轨迹上的馈源相心位置坐标。
[0015] 进一步地，所述沿赤纬方向运动中扫描模式的观测轨迹包括：沿赤经方向的观测段，和沿赤纬方向的过渡段，两者相互交替，观测段和过渡段衔接处形成拐点；沿赤纬方向运动中扫描模式观测轨迹规划包括以下步骤：
[0016] 沿赤经方向的观测段轨迹规划步骤：确定观测段中沿赤经方向的扫描速度；
[0017] 沿赤纬方向过渡段的轨迹规划步骤：
[0018] 步骤S1:确定过渡段中沿赤纬方向变化赤
纬线所需的时间，即所述过渡段的时间t2；
[0019] 步骤S2:在所述t2时间段内，正向扫描增加一段减速段，反向扫描增加一段加速段，减速段的终点到加速段的起点为加减速段；根据所述减速段、所述加速段、所述加减速段的最大加速度限值和最大速度限值，确定加减速所需要的距离；
[0020] 步骤S3:计算所述拐点处的所述减速段终点和所述加速段起点的坐标；
[0021] 步骤S4:结合过渡段轨迹的球心和半径，规划观测轨迹上的馈源相心位置坐标。
[0022] 进一步地，所述起步规划包括以下步骤：
[0023] 设定PO为起步点，P1P2为观测轨迹，其中P1为观测起始点，P1在PO之后并相对P2更接近P0；
[0024] 步骤S1:根据观测起始点P1处的位置坐标、速度，以及设定的最大速度限值、最大加速度限值，计算起步所需要的距离和时间；
[0025] 步骤S2:根据观测起始点P1和观测起始点P1下一点观测位置的走向，确定P0P1所在的弧线方程；
[0026] 步骤S3:根据起步所需要的距离和时间以及P0P1所在的弧线方程，求得起步点P0的位置坐标。
[0027] 进一步地，所述结束规划包括以下步骤：
[0028] 设定Pe为结束点，P1P2为观测轨迹，其中P2为观测终点，P2在Pe之前并相对P1更接近Pe；
[0029] 步骤S1:根据观测结束点P2处的位置坐标、速度，以及设定的最大加速度限值、最大速度限值，计算减速终止所需要的距离和时间；
[0030] 步骤S2:根据观测结束点P2和观测结束点P2前一个点的走向，确定P2Pe所在的弧线方程；
[0031] 步骤S3:根据所述减速终止所需要的距离和时间以及P2Pe所在的弧线方程，求得结束点Pe坐标的位置坐标。
[0032] 进一步地，运动规划还包括换源规划，运动规划的顺序为:观测轨迹规划->(起步规划+结束规划)->换源规划。
[0033] 进一步地，所述运动规划包括多个运动轨迹规划，每个运动轨迹规划中间需要进行换源规划。
[0034] 本发明具有以下有益效果：首先，通过合理规划观测馈源支撑系统的速度、加速度最大值，保证观测轨迹不受影响，确保观测时间的数据全部可用。其次，增加观测起步规划和观测终止规划，保证馈源支撑系统的平稳运动，有利于观测数据的高效使用。最后，在观测轨迹运动规划方案中增加拐点处的加减速规划，可保证馈源支撑系统稳定运动、保证馈源的定位精度，进而确保观测轨迹数据全部可用。
附图说明
[0035] 图1是本发明馈源支撑系统运动规划的流程示意图；
[0036] 图2是本发明的运动轨迹规划示意图；
[0037] 图3-1、3-2是本发明天文坐标系下沿赤经方向运动中扫描模式轨迹示意图；
[0038] 图4是本发明沿赤经方向运动扫描段的运动规划
流程图；
[0039] 图5-1、5-2、5-3分别是本发明沿赤经方向运动扫描段运动规划前和运动规划后轨迹路径、速度和加速度的在直角坐标系下的对比图；
[0040] 图6-1、6-2是本发明天文坐标系中沿赤纬方向运动中扫描模式轨迹示意图；
[0041] 图7是本发明沿赤纬方向运动扫描段的运动规划流程图；
[0042] 图8-1、8-2、8-3分别是本发明沿赤纬方向运动扫描段运动规划前和运动规划后轨迹路径、速度和加速度的对比图；
[0043] 图9是本发明起步规划的流程示意图；
[0044] 图10是本发明的包括换源规划的运动轨迹规划示意图；
具体实施方式
[0045] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的
实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0046] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“
水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0047] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0048] 参见图1，为本发明的一种射电望远镜馈源支撑系统的运动规划流程，包括如下步骤：首先，根据待观测的天文轨迹类别计算运动规划需要的时间参数并发送给天文轨迹规划单元，得到天文坐标系下的时间坐标、赤经赤纬位置坐标；其次，所述天文轨迹规划单元将天文坐标系下的时间坐标、赤经赤纬位置坐标转换成直角坐标系下包含时间信息的位置坐标并发送给运动规划单元；所述运动规划单元根据所述馈源支撑系统的当前位置进行：起步规划、观测轨迹规划和结束规划，最后形成完整的运动轨迹规划。
[0049] 所述运动规划中起步规划、观测轨迹规划和结束规划的先后规划顺序为：观测轨迹规划->(起步规划+结束规划)。先进行观测轨迹规划后才能确定直角坐标系下实际的观测轨迹坐标，随后根据馈源支撑系统的当前位置和观测轨迹坐标进行所述起步规划和结束规划，进而得到起步和结束的位置。
[0050] 参见图2，设定PO为起步点或称观测曲线的实际起始点，设定Pe为结束点或称观测曲线的实际终点，P1P2为所述观测轨迹规划中的一段轨迹，其中P1为观测起始点或称观测轨迹的起始点，P2为观测结束点或称观测轨迹的结束点；要求射电望远镜的馈源舱以平稳的方式从起点位置P0起步加速，使馈源舱可以在观测轨迹开始的位置P1点满足观测所需的速度，当馈源舱完成观测经过观测轨迹结束位置P2点后，平稳减速最后停到Pe位置，进而保证馈源支撑系统的平稳运动，有利于观测数据的高效使用。
[0051] 首先进行观测轨迹规划，即P1P2段轨迹规划，现有技术中观测段有五种观测模式：跟踪模式、编织式扫描模式、静态扫描模式、沿赤经方向运动中扫描模式、沿赤纬方向运动中扫描模式，本实施方式中详述了其中的沿赤经方向运动中扫描模式的观测轨迹规划和馈源舱沿赤纬方向运动中扫描模式的观测轨迹规划。
[0052] 如图3-1、3-2所示，在天文坐标系下沿赤经方向运动中扫描模式的轨迹示意图，沿赤经方向运动中扫描模式，是指在天文坐标系下，馈源舱沿赤经方向运动并在每条赤经线上扫描观测赤纬，因此馈源舱在天文坐标系下的观测轨迹包括：沿赤纬方向的观测段(竖线)，和沿赤经方向的过渡段(横线)，两者相互交替，观测段和过渡段衔接处形成拐点，馈源舱的观测轨迹
覆盖一
块近似矩形的天区。在观测段-过渡段-观测段的运动过程中，馈源舱的速度方向改变，过渡段数据不需要使用，因此，在进行运动规划时，对沿赤经方向的过渡段进行规划，确保馈源支撑系统可以在过渡段完成平稳运动。
[0053] 如图4所示，沿赤经方向扫描模式的观测轨迹规划具体包括：
[0054] 沿赤纬方向观测段的轨迹规划步骤：确定观测段中沿赤纬方向的扫描速度；
[0055] 沿赤经方向过渡段的轨迹规划步骤：
[0056] 步骤S1:确定过渡段中沿赤经方向变化赤经线所需的时间，即所述过渡段的时间t2；
[0057] 步骤S2:在所述t2时间段内，正向扫描增加一段减速段，反向扫描增加一段加速段；根据所述减速段、所述加速段的最大加速度限值和最大速度限值，确定加减速所需要的距离；
[0058] 步骤S3:计算所述拐点处的所述减速段终点和所述加速段起点的坐标；
[0059] 步骤S4:结合过渡段轨迹的球心和半径，规划观测轨迹上的馈源相心位置坐标；
[0060] 重复沿赤纬方向观测段的轨迹规划步骤；
[0061] 重复沿赤经方向过渡段的轨迹规划步骤；
[0062] 如图5-1、5-2、5-3所示，为直角坐标系下，沿赤经方向运动中扫描模式进行运动规划前和运动规划后轨迹路径、速度和加速度的对比情况，由此可知，通过规划后，馈源相心的速度明显平滑，加速度最大值有效降低，有利于所述馈源支撑系统的各个机构的平稳运动，保证馈源的定位精度，确保观测轨迹数据全部可用。
[0063] 如图6-1、6-2所示，在天文坐标系下沿赤纬方向运动中扫描模式的轨迹示意图，沿赤纬方向运动中扫描模式，是指在天文坐标系下，馈源舱沿赤纬方向运动并在每条赤纬线上扫描观测赤纬，因此馈源舱在天文坐标系下的观测轨迹包括：沿赤经方向的观测段(横线)，和沿赤纬方向的过渡段(竖线)，两者相互交替，观测段和过渡段衔接处形成拐点，馈源舱的观测轨迹覆盖一块近似矩形的天区。在观测段-过渡段-观测段的运动过程中，馈源舱的速度方向改变，为了确保馈源舱在拐点和过渡段中的平稳运动，过渡段数据不需要使用，因此，在进行运动规划时，对沿赤纬方向的过渡段进行规划，确保馈源支撑系统可以在过渡段完成平稳运动。
[0064] 如图7所示，沿赤纬方向运动中扫描模式的观测轨迹规划具体包括：
[0065] 沿赤经方向观测段的轨迹规划步骤：确定观测段中沿赤经方向的扫描速度；
[0066] 沿赤纬方向过渡段的轨迹规划步骤：
[0067] 步骤S1:确定过渡段中沿赤纬方向变化赤纬线所需的时间，即所述过渡段的时间t2；
[0068] 步骤S2:在所述t2时间段内，正向扫描增加一段减速段，反向扫描增加一段加速段，减速段的终点到加速段的起点为加减速段；根据所述减速段、所述加速段、所述加减速段的最大加速度限值和最大速度限值，确定加减速所需要的距离；
[0069] 步骤S3:计算所述拐点处的所述减速段终点和所述加速段起点的坐标；
[0070] 步骤S4:结合过渡段轨迹的球心和半径，规划观测轨迹上的馈源相心位置坐标；
[0071] 重复沿赤经方向观测段的轨迹规划步骤；
[0072] 重复沿赤纬方向过渡段的轨迹规划步骤；
[0073] 如图8-1、8-2、8-3所示，为直角坐标系下，沿赤纬方向运动中扫描模式进行运动规划前和运动规划后轨迹路径、速度和加速度的对比情况，由此可知，通过规划后，馈源相心的速度明显平滑，加速度最大值有效降低，有利于所述馈源支撑系统的各个机构的平稳运动，保证馈源的定位精度，确保观测轨迹数据全部可用。
[0074] 如图2所示：观测轨迹规划(P1P2段)完成后，根据要求进行起步规划和结束规划，即进行P0P1+P2Pe段规划，如图9所示，起步规划步骤包括：
[0075] 步骤S1:根据观测起始点P1处的位置坐标、速度，以及设定的最大速度限值、最大加速度限值，计算起步所需要的距离和时间；
[0076] 步骤S2:根据观测起始点P1和观测起始点P1下一点观测位置的走向，确定P0P1所在的弧线方程；
[0077] 步骤S3:根据起步所需要的距离和时间以及P0P1所在的弧线方程，求得起步点P0的位置坐标。
[0078] 结束规划步骤包括：
[0079] 步骤S1:根据观测结束点P2处的位置坐标、速度，以及设定的最大加速度限值、最大速度限值，计算减速终止所需要的距离和时间；
[0080] 步骤S2:根据观测结束点P2和观测结束点P2前一个点的走向，确定P2Pe所在的弧线方程；
[0081] 步骤S3:根据所述减速终止所需要的距离和时间以及P2Pe所在的弧线方程，求得结束点Pe坐标的位置坐标。
[0082] 如图10所示，经过观测轨迹规划(P1P2段)和起步规划(P0P1段)+结束规划(P2Pe段)，形成完整的运动轨迹规划(P0Pe段)。在运动刚开始时，馈源舱位置离起步点PO位置较远，这时还需要进行换源规划，换源规划的终点即是起步点PO，此时运动规划的顺序为：观测轨迹规划->(起步规划+结束规划)->换源规划。
[0083] 现有技术中观测段有五种观测模式：跟踪模式、编织式扫描模式、静态扫描模式、沿赤经方向运动中扫描模式、沿赤纬方向运动中扫描模式。多个观测模式或多个运动轨迹切换时也需要进行换源规划，即第一运动轨迹规划->换源规划->第二运动轨迹规划->换源规划->……。
[0084] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
