“海洋二号”卫星主动段、自由飞行段力学环境测量与分析

力学环境测量系统首次搭载于“海洋二号”遥感卫星并开展了卫星在轨动力学环境的测量。文章主要介绍了利用该测量系统对主动段和自由飞行段卫星关键设备和关键部位动力学环境的测量情况,包括主动段卫星振动响应及其结构传递,自由飞行段卫星活动部件工作引起的微振动以及传递到光学敏感器上的微振动响应等;根据测量结果进行了力学响应分析。由于是首次开展在轨动力学环境的测量,所以获得的结果非常宝贵,对于完善、修正卫星分析模型具有重要的价值,可为卫星地面力学试验条件的确定提供参考依据。     

某平台卫星发射及在轨力学环境测量与分析

为获取航天器准确的发射及在轨力学环境数据,设计了一套具有数据采集、存储和传输功能的星载测量系统。利用该系统对某大型平台卫星发射飞行过程进行了测量,获取了星箭界面及卫星结构典型位置在发射主动段的正弦振动响应、随机振动响应、冲击响应及在轨微振动的环境数据。将测量数据与星箭载荷耦合分析结果、地面力学试验结果进行了详细对比,结果表明:星箭载荷耦合分析的结果在星箭界面处横向相对准确,而纵向在有限频段准确,其他频段及星上分析结果均大于测量结果,即存在极大裕度;地面试验结果大于测量结果,意味着有较大的裁剪设计空间。测量数据对后续卫星模型修正、试验条件设计、相似平台卫星抗力学环境优化、部组件设计等均具有重要的参考价值。     

小卫星随机振动特性分析与试验验证方法探讨

通过试验数据分析了小卫星随机振动响应特性,探讨了组件质量与小卫星随机响应的变化关系,并提出了地面随机振动响应与板面密度关系的一个经验公式。针对某小卫星发射过程中测量得到的主动段振动数据,分析总结了小卫星的主动段振动特性,着重探讨了小卫星主动段振动特性与地面试验的振动特性差异,给出了修正地面试验验证的一些建议。     

卫星主动段动力学环境数据分析

某型号小卫星发射时,用搭载的测量系统对星上6个测点位置进行了3个方向的振动响应测量,获得了主动段2000 Hz范围内的完整数据。数据分析表明,小卫星主动段的振动模态特性和振动响应特性不同于地面模拟试验中的结果,主要体现在:主动段40 Hz处的Pogo效应明显;共振频率与地面试验完全不同;横向响应量级明显小于纵向响应量级;在小于2000 Hz频率范围内,星箭分离冲击对星上测点位置影响很小。与地面试验数据的对比分析结果表明,目前的地面振动试验方法仍有不足,存在过试验或欠试验。     

一种直接入轨卫星变轨阶段的供电方案

相比传统的卫星自身变轨方式，直接入轨方式下卫星的主动段时间将延长到4～5h。为解决卫星直接入轨过程中由于主动段时间大大加长，导致卫星电能需求的增加，以及电源系统配置不必要的质量增加的问题，文章提出了一种在发射和变轨阶段通过运载火箭上面级向卫星供电的方案，即在上面级上增加了一套独立的一次性电源系统。该系统与卫星自身电源系统相结合，在发射和变轨期间优先使用，卫星自身电源根据负载用电情况自主介入，能很好地解决卫星直接入轨方式下主动段的电能需求问题。     

一种直接入轨卫星变轨阶段的供电方案

相比传统的卫星自身变轨方式,直接入轨方式下卫星的主动段时间将延长到4~5h。为解决卫星直接入轨过程中由于主动段时间大大加长,导致卫星电能需求的增加,以及电源系统配置不必要的质量增加的问题,文章提出了一种在发射和变轨阶段通过运载火箭上面级向卫星供电的方案,即在上面级上增加了一套独立的一次性电源系统。该系统与卫星自身电源系统相结合,在发射和变轨期间优先使用,卫星自身电源根据负载用电情况自主介入,能很好地解决卫星直接入轨方式下主动段的电能需求问题。     

一种卫星微角振动高精度测量方法

卫星微振动引发的结构微角振动限制了高精度卫星指向精度和姿态控制稳定性,因此有必要对其进行在轨测量。为准确测量卫星结构微角振动,文章在对比不同的测量方法后,提出了一种基于磁流体动力学(Magnetohydrodynamics,MHD)微角振动传感器的卫星结构微角振动高精度测量方法,并针对由动量轮引起的有效载荷微角振动的特性,进行了仿真和试验验证。试验结果表明,其测量精度满足现阶段卫星控制的要求。此方法能为卫星扰动源的定位及卫星的主动减振反馈提供依据。     

双状态非线性隔振器参数设计与试验研究

为有效抑制在轨微振动对有效载荷指向精度的影响,并改善其发射段动力学环境,设计了一种双状态非线性隔振器,利用发射与在轨状态载荷条件的差异,使其在两个阶段有不同的隔振频率。分析了各设计参数对发射段动态响应以及在轨隔振性能的影响,提出了隔振器参数设计方法。试制了隔振器样件,进行了静力学测试,并按照发射和在轨两种状态的力学环境进行了动力学试验,测试了隔振器在两种状态下的传递率。试验结果表明,隔振器在发射段准静态载荷作用下可避免出现大变形,并显著改善星载设备的动力学环境。在轨时可有效隔离微振动,将5Hz以上频段受到的扰动幅度下降92%以上。     

阻尼柔性连接在卫星结构中的综合应用研究

卫星结构的热变形是影响卫星光学有效载荷指向精度的主要因素之一,在对国内某在研卫星的有效载荷安装平台热变形过大问题进行分析之后,综合考虑卫星在轨的抖振抑制和发射段减振问题,本文提出了采用高阻尼柔性连接的结构设计来综合解决这三方面的结构问题。阻尼柔性连接结构以金属橡胶制备,充分利用了其非线性刚度和高阻尼比等特性。对卫星设计阶段提出的三种结构方案进行了数值仿真计算,结果表明,金属橡胶阻尼柔性连接结构设计方案能有效的减小有效载荷安装平台的热变形,并抑制卫星在轨抖振和发射段振动,因而具有最佳的综合性能。
     

石英挠性加速度计测量航天器微振动的方法

利用高精度石英挠性加速度计可以测量航天器低频微振动,同时也可实现航天器在轨微角振动的间接测量。针对航天器特点,结合石英挠性加速度计工作特性,提出用高精度石英挠性加速度计测量航天器微振动的方法,给出微振动加速度、角加速度、角速度和角位移的不确定度分析,根据测量原理给出了各影响因素对测量合成不确定度的计算方法和分析结果。针对卫星敏感载荷的刚体平面测试环境,设计8个加速度计测点布局,开展了整星试验。试验数据分析表明:石英挠性加速度计可准确测量航天器的低频微振动(200 Hz以内),其直接测量和间接测量结果满足测量应用需求,线加速度测量分辨率为5μg,角位移测量分辨率为0.015″。     

基于PID的卫星发射主动段遥测接收系统

本文重点针对卫星发射主动段存在遥测盲区问题，开展卫星发射主动段遥测数据接收方法的研究，突破发射场通信建立、地面测控天线指向控制、卫星发射主动段遥测接收系统搭建等关键技术，提出了一种基于PID的卫星发射主动段遥测接收系统，进而高质量实现卫星发射主动段遥测数据全时段接收与监测。提出的方法在大气环境监测卫星发射任务中得到了试验验证，结果表明卫星发射主动段遥测数据接收完整且有效。     

一种海洋测高卫星质心在轨估计算法

为了满足海洋测高卫星在轨质心位置精度的要求,提出了一种使用陀螺仪测量数据在轨估算卫星质心位置的算法。该算法利用推力器工作产生外力矩,采用总体最小二乘法,综合考虑了实际推力器推力的误差及陀螺仪的测量误差,由卫星的姿态动力学方程估算得到卫星质心位置。数值仿真证明了该算法的有效性,结果表明质心位置的估计精度在毫米量级,可以满足海洋测高卫星对质心位置精度的需求。     

航天器微振动力学参数测量单元设计与验证

针对某新型气象卫星的在轨微振动测量需求,分析微振动对于卫星及其精密载荷的影响,提出一种具有可切换量程和较高故障容错能力的卫星微振动测量单元设计方案。通过地面试验数据与在轨数据的对比,证明该系统能够准确辨识整星及高精度载荷在不同工况下的微振动力学数据。该系统功能的成功实现为进一步优化星体结构、改善高精度载荷工作环境提拱了大量真实可靠的数据,也可为后续我国卫星的微振动技术研究和微振动抑制提供参考。     

一种重力测量卫星静电加速度计在轨标定算法

静电加速度计是低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星的关键载荷之一,其性能直接影响地球重力场空间变化率的测定结果。为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合扩展卡尔曼滤波估计算法,提出了一种应用动力学方法确定静电加速度计校准参数的算法。首先建立静电加速度计及K频段测距(KBR)系统的量测模型;然后将高精度地球重力场模型和静电加速度计观测数据代入扩展卡尔曼滤波算法的状态方程中,将KBR系统观测数据代入观测方程中,建立静电加速度计在轨标定模型。数学仿真结果表明:静电加速度计的标度因子和零偏估计误差均在0.2%以内,实现了卫星静电加速度计较为精确的标定。     

某卫星微振动建模与仿真

针对某卫星微振动力学环境,参考IME颤振分析建模方法,建立了一种卫星刚柔耦合多体动力学微振动仿真模型,并通过地面试验验证了利用微振动仿真模型预测卫星在轨微振动响应的有效性,阐述了卫星在轨微振动响应仿真计算预测方法。利用该微振动仿真模型能较准确地预测卫星在轨微振动响应以及微振动传递特性。     

气压对MEMS梳状线振动陀螺仪影响的研究

MEMS梳状线振动陀螺仪阻尼包括结构阻尼和流体(空气)阻尼,而对于此种结构而言,空气黏性阻尼比结构阻尼大的多.由于气压的变化会引起空气黏性系数的变化,因而会引起MEMS梳状线振动陀螺仪谐振频率、阻尼系数、零偏等参数的变化.因此,研究气压变化对MEMS梳状线振动陀螺仪的影响是非常必要的.根据MEMS梳状线振动陀螺仪的结构特点,建立了压膜阻尼和库埃特流阻尼模型及气压与阻尼的关系模型,研究了气压对两种阻尼的影响以及对MEMS梳状线振动陀螺仪输出电压的影响.通过研究分析可知,气压在小于一个大气压时对压膜阻尼系数的影响很大,进而对MEMS梳状线振动陀螺仪输出的幅值影响也较大.气压在接近或者大于一个大气压时,MEMS梳状线振动陀螺仪随着气压的变化不大,因此将此种陀螺仪的气压控制在一个大气压.     

基于全柔性卫星模型的控制闭环微振动建模与仿真

针对高分辨率遥感卫星的微振动分析,给出了一种整星结构运动与姿态控制系统闭环的建模方法。该方法基于全柔性卫星模型,通过考虑姿态控制系统的控制律和硬件特性建立集成仿真模型,进而预测卫星在轨微振动的微振动响应和结构传递特性。文章以某遥感卫星为例,分别从开环和闭环角度给出了微振动的微振动响应和结构传递特性的结果,并进行对比分析。分析结果表明：提出的方法能够实现全柔性卫星模型的控制闭环微振动分析,相对于传统的开环仿真更接近在轨实际情况。     

光纤陀螺测量卫星结构角振动的地面试验验证

针对结构角振动对卫星光学载荷成像影响大,且在轨微振动实时测量较困难的问题,文章对比了国内外角振动测量方法,提出利用光纤陀螺实时测量角振动方法,利用角振动激励台对光纤陀螺测量结果进行了标定,其测量精度满足要求,并测量了动量轮组合工作模式下的卫星载荷安装板的角振动特性。地面试验结果表明:此测量方法合理可行,可为增强卫星在轨的抗振性、提高有效载荷指向精度和稳定度提供参考。     

某型号卫星微振动试验研究及验证

某型号卫星地面像元分辨率优于1 m,对成像质量要求很高。微振动成为制约该型号成像质量提升的关键因素之一。在完成微振动对成像质量影响的仿真分析后,对仿真分析的有效性和正确性进行了试验验证。该卫星微振动试验按照单机、分系统、系统和大系统4个层次展开:单机级试验主要通过六分量力测量微振动源的动态特性;分系统级试验主要通过结构加速度响应测量解决微振动传递特性是否正确的问题;系统级试验主要通过成像质量来验证微振动对光学系统影响的分析方法;大系统级试验主要通过在轨图像分析验证相关结论。上述试验对微振动从产生、传递到影响的各个环节进行了测试和验证。最终试验结果表明微振动相关工作达到预期目的,图像质量得到保证。     

一箭多星发射的卫星振动环境分析与验证

某卫星采用一箭多星方式直接发射入轨,在星箭耦合分析中发现星箭界面部分频点振动环境明显高于原设计要求,导致卫星可能需要采取改进设计以满足该变化。为进一步明确卫星的环境适应性,文章首先针对超限频点开展刚度匹配分析和响应分析,识别可能存在的风险,并对识别出的服务舱+Y板采取改进措施;其次,开展整星动力学分析、星箭耦合分析,分析验证卫星及其组件的适应性,并提出了改进的地面试验条件,结果表明地面试验能够包络星箭耦合分析结果,试验是充分的;最后,通过飞行试验验证,证明地面试验能够包络在轨飞行振动环境,采取的分析验证和试验验证是可行的。该研究方法及所取得的结论可为解决后续卫星研制过程中类似问题提供参考。