高分多模卫星微振动抑制设计与验证

敏捷型遥感卫星在轨运行期间,星上控制力矩陀螺等扰动源会引起微振动,微振动传递到高分辨率相机等敏感载荷会影响载荷性能,进而影响卫星成像质量,因此需对传递到敏感载荷的微振动进行抑制,以保证卫星高分辨率指标的实现。以高分多模卫星(GFDM-1)的微振动抑制需求为背景,确定了整星微振动抑制技术路线与微振动抑制总体方案,开展了扰动源特性研究,完成了扰动源、星体结构和敏感载荷的减隔振设计与验证,并通过星载微振动测量设备对相机等关键位置的在轨微振动响应进行了测量,对卫星微振动抑制方案进行了飞行验证。在轨微振动测量数据表明:高分多模卫星微振动抑制方案可有效满足敏感载荷相机的微振动抑制需求,可为我国后续敏捷遥感卫星的微振动抑制设计与验证提供参考。     

高分多模卫星高分相机优化设计

针对敏捷卫星机动过程中,卫星平台的姿态实时变化及平台微振动对高分辨率相机成像质量的影响,文章提出了适用于敏捷遥感卫星高分相机的3项优化设计技术:一是通过相机与星敏感器一体化设计提高相机的光轴指向精度;二是增加柔性适配装置设计,减少卫星微振动及载荷适配结构的热变形到相机的传递;三是提出了积分时间同速/异速设置及插值/不插值设置策略。经高分多模卫星高分相机在轨多模式成像的验证,结果表明:提出的优化设计技术可以减小或消除卫星敏捷成像机动过程中卫星的微振动及姿态指向精度及积分时间设置精度对高分辨率相机像质的影响,能适应敏捷卫星成像,并获得高质量图像,可为后续敏捷卫星的高分辨率相机设计提供参考。     

高分七号卫星控制力矩陀螺隔振装置设计

高分七号卫星是我国首颗亚米级高分辨率立体测绘卫星,为保证高分辨率光学遥感载荷定位精度要求,采用了隔振装置抑制控制力矩陀螺(CMG)在轨正常工作过程中产生的微振动干扰。文章建立了CMG隔振系统的动力学解析模型,提出了多频率约束下隔振装置的优化设计方法。基于高分七号CMG扰振频率和整星结构频率分布分析,对CMG隔振装置进行了优化设计,进而开展了系统模态仿真分析以及系统固有频率测试和整星隔振试验。仿真分析和试验结果表明:CMG隔振装置前三阶固有频率设计值与试验测试值误差不大于4 Hz,且CMG隔振装置在CMG主要扰动主方向具有94%以上的隔振效果。研究结果可为高分辨率遥感卫星隔振装置的优化设计和分析验证提供理论参考。     

高分多模卫星敏捷遥感技术研究及应用

敏捷机动技术是提升高分辨率遥感卫星成像能力的一项核心技术。文章分析了高分辨率遥感卫星发展趋势,提出了基于多种敏捷成像模式的新型观测需求,进而提出卫星平台敏捷机动技术的系统要求。结合中型敏捷遥感卫星公用平台(ZY2000 Remote Sensing Satellite Platform)研制,定义敏捷成像模式,分析平台机动能力,提出了卫星敏捷机动指标要求。针对敏捷机动技术的实现,系统性开展了工作,设计了小惯量的星体结构,开发了基于控制力矩陀螺(CMG)的控制系统和控制算法,采用了敏捷任务规划和管理方案,研制了高刚度太阳翼、大量程陀螺、125 Nms控制力矩陀螺等核心产品,开展了数学和半物理仿真验证。高分多模卫星(GFDM-1)作为中型敏捷遥感卫星公用平台的首发星,实现了敏捷机动技术的应用,验证了多种敏捷成像模式下成像质量满足需求。在轨结果表明:高分多模卫星的敏捷机动能力和成像质量满足设计要求,达到国际先进水平。     

敏捷光学卫星多模式推扫成像时的偏流角研究

对运行于太阳同步轨道的以时间延迟积分CCD(TDI-CCD)相机为成像有效载荷的敏捷光学卫星姿态对地指向变化的多模式推扫成像,研究了基于运动学和卫星自身姿态信息的偏流角解算方法。基于线阵TDI-CCD推扫点目标瞬时成像、区域扫描成像和立体成像模式,分析了动态成像过程中的偏流原理。综合运动学和速度矢量方法,推导出了星下点速度矢量在敏感器坐标系中的表达式。数值仿真表明:当相机推扫方向与航迹方向平行时,偏流源于地球自转;当相机推扫方向与航迹方向不平行时,偏流角主要受地表的牵连速度影响。采用姿态偏航控制对偏流角进行调整,可实现敏捷光学卫星执行多模式推扫成像技术。     

敏捷卫星像移补偿残差计算及对成像影响分析

通过分析敏捷卫星相机像移模糊机理,计算了对偏流角和行频像移补偿后的残差,并对其引起调制传递函数(MTF)的下降进行了仿真计算。结果表明,敏捷光学成像卫星相机设计中行频控制残差对成像质量的影响不容忽视,宜选用像元数少的时间延迟积分电荷耦合器件(TDIC-CD)予以解决。文章的研究结果对敏捷卫星的总体指标设计具有参考价值。     

动量轮微振动扰振频谱对三反同轴相机的影响

随着遥感卫星分辨率的不断提高,动量轮扰振对遥感成像的影响逐渐成为卫星总体设计时需要关注的问题。目前对动量轮微振动的研究多侧重于时域分析,经常把卫星平台和载荷分立开来单独研究。鉴于平台和相机之间具有耦合作用,分立研究会带来较大误差。动量轮的输出响应并不是一个单一频率的时域信号,不同频谱对相机的影响不同,频谱分析往往更能反映问题。文章联合卫星平台和相机进行整星建模,分析了微振动扰振从动量轮处传递到相机光学元件的频谱特征,得到动量轮扰振不同频谱对相机造成的具体影响。分析结果显示,低于相机基频的动量轮扰振频谱造成相机光轴晃动,相机特征频率区间的扰振频谱不仅会放大光轴晃动,还会造成相机内部的光学元件光轴不一致。最后文章定量计算比较了这两种影响带来的MTF下降。     

某遥感卫星微振动对成像质量影响分析

微振动对成像质量影响问题成为制约某型号任务成败的关键因素。为预示微振动对成像质量的影响,首先对微振动源进行分析,然后针对性建立微振动传递路径数学模型,包括结构传递和姿控回路补偿,再根据光学系统设计建立光学元件运动与视轴晃动关系的数学模型,最后进行微振动对相机视轴影响的仿真分析。同时,为演示微振动对成像质量的影响,进行了图像质量仿真。分析结果表明,CMG的微振动对成像质量的影响无法忽略,需采取必要的控制措施。     

一种影响空间相机成像的制冷机微振动分析方法

针对空间制冷机微振动对光学遥感器成像质量难以准确评估的问题,提出一种制冷机-空间相机的集成建模分析与试验验证方法。该方法建立了系统的集成分析模型,实现了微振源-相机结构传递-光路模型的分析过程。首先,利用一种制冷机的刚性安装测试和自由悬吊测试获取制冷机的扰动载荷。然后,采用一种力过滤方法改进传统的扰动分析过程。最后,通过集成有限元分析计算光学系统调制传递函数,得出制冷机微振动对空间相机成像的影响。分析结果表明,这种方法能更精确辨识制冷机微振动及其传递特性,从而能准确分析空间相机光学载荷的稳定性。     

微振动对高分辨率空间相机成像影响的集成分析

文章应用集成建模思想对某型高分辨率空间相机进行了微振动影响的结构-光学集成分析。首先分别建立了该空间相机的微振动载荷模型、结构有限元模型和光学系统模型。然后对微振动载荷作用下的结构有限元模型进行动力学分析,获得空间相机各光学元件的响应位移,并输入到Code V光学模型中做光学系统仿真分析,得出MTF下降和像移情况。通过结果数据的对比分析表明,空间相机对沿坐标轴平动和转动的6种微振动载荷具有不同的响应敏感性,为改进设计、隔振抑振提供了参考。     

国外高分辨率相机与卫星平台连接方式综述

文章通过对比分析高分辨率相机与卫星平台之间的结构一体化程度,总结出三种不同类型的连接方式,并对它们的受力形式以及传力特点进行了详细的列表对比和分析总结,给出了中国敏捷成像相机与卫星平台一体化设计的建议。     

高分辨率卫星结构-控制-光学一体化建模与微振动响应分析

文章针对高分辨率遥感卫星的微振动分析,给出了一种结构-控制-光学一体化建模方法:将微振动干扰源模型、整星结构模型、控制系统模型和光学系统模型按照实际的物理联系连接为一个整体,进而预测空间相机在轨微振动的像移响应和干扰源到像移的传递特性。以某遥感卫星为例,将其微振动下的像移响应和传递特性与工程中的其他处理方法的计算结果进行了对比分析。研究结果表明:一体化建模分析方法从原理上更接近卫星在轨实际工作情况,能够给出较为合理的微振动分析结果;其他工程处理方法的分析结果均与一体化建模分析方法有差异,使用时应根据设计和分析的具体目的与条件恰当选择。     

敏捷型卫星的相机外热流变化及其抑制措施效果分析

文章根据空间外热流理论建立了敏捷型遥感卫星的空间相机外热流计算模型,针对相机的外热流变化情况,选择典型计算工况并对其外热流特性进行了仿真分析,得出了工作模式及卫星姿态变化对相机主要部件热流的影响。为解决外热流分布不均和波动剧烈问题,提出了加长相机遮光罩和加装热防护门2种抑制方案,并对方案的效果进行了分析评价。     

一种基于空间相机热特性的高精度控温方法

为提高空间相机的控温精度以保证成像品质,文章提出了一种基于空间相机热特性的高精度控温方法。该方法从相机控温回路所控区域的能量平衡方程出发,根据控温区域自身的热特性参数,综合考虑其它控温区域对其传热影响以及外热流变化等因素,最终确定本控温周期内的主动控温功耗或加热占空比。通过建立某相机热模型,分别施加上述控温方法与开关比例控制算法,对控温效果进行了仿真对比。结果表明,该方法的控温精度显著优于常用的开关比例控制。     

某遥感卫星平台的微振动试验研究

为了研究动量轮/控制力矩陀螺造成的微小振动在卫星结构内的传递规律,文章利用某遥感卫星平台在国内首次开展了气浮和悬吊两种状态下的卫星微振动对比研究试验。分别在两种边界下进行了背景噪声测试及模态试验,分析了两种边界条件对试验结果的影响;测量了动量轮/控制力矩陀螺工作造成的微振动响应。通过对试验结果的分析,总结了典型微振动源的主要扰动成分及其传播规律。研究表明:两种边界引入的噪声对试验结果的影响均较小,微振动响应在传播过程中会大幅衰减;动量轮及控制力矩陀螺工作时引起的扰动响应从总体上看受边界的影响不大。     

摄影测量卫星绕飞编队设计及其三维定位研究

在现代卫星摄影测量中，由多颗小卫星组成的卫星编队具有比单颗卫星更优越的性能，能提供更高的空间分辨率和时间分辨率。通过对绕飞编队特性的研究，提出了一种适于摄影测量的卫星绕飞编队构形。该卫星编队具有空间构形不变、覆盖范围大，图像比例尺一致等优点。对地三维定位仿真的实验结果表明：基于卫星编．队拍摄的具有航向和旁向充分重叠的区域网图像，在摄像机光心坐标精确确定的条件下，利用光束法区域网平差就可以确定地面目标点坐标，即用空中控制完全代替地面控制是可行的。     

敏捷卫星偏流角计算模型研究

TDICCD相机成像时为保证图像品质,要求对偏流角进行修正。文章针对敏捷卫星任意姿态角建立了在星下点成像、俯仰姿态机动后成像、滚动姿态机动后成像,以及滚动加俯仰姿态机动后成像几种情况下偏流角计算模型,并对模型进行了仿真计算。结果表明,敏捷卫星姿态目标计算当中,有必要考虑姿态机动带来的偏流角控制目标变化,以保证姿态控制精度。文章对敏捷卫星的偏流角控制设计、计算和测试验证工作有参考价值。     

姿态对地指向不断变化成像时的偏流角分析

 针对敏捷卫星在三轴姿态机动过程中同时进行推扫成像的偏流角问题,基于线阵TDICCD推扫成像原理,分析了动态成像过程中的偏流原理,通过速度矢量法推导出动态成像方式下的偏流角数学解析表达式。数值仿真分析表明：当相机推扫速度方向与星下点速度方向的夹角η为0°（沿航迹方向推扫成像）或180°（沿航迹反方向推扫成像）,偏流是由地球自转产生的,数值较小;当夹角为0°＜η＜180°时,偏流是地球自转和轨道运动共同产生的,偏流角数值较大;当夹角η=90°（垂直于航迹方向推扫成像）时,偏流角随地理纬度的增大而增大。基于以上结论,采用姿态偏航控制对偏流角进行调整,可以实现在三轴姿态机动过程中开启光学有效载荷进行推扫成像的动态成像技术。