高灵敏度空间光学载荷在轨微振动隔振系统设计与验证

卫星在轨飞行由于有动量轮等活动部件导致有微振动。一般载荷对微振动不敏感,但是高灵敏度的空间光学载荷,比如说亚米分辨率相机、时间调制干涉光谱仪等对微振动非常敏感。微振动会造成性能下降,甚至任务失败,因此微振动隔振系统设计是在轨高灵敏度载荷的关键技术之一。文章以某型号干涉仪为研究背景,系统研究了微振动对敏感载荷的影响、微振动振源的特性分析、微振动的隔振设计、地面试验验证等一系列问题。微振动对干涉仪敏感载荷影响的研究表明,干涉仪能够承受的加速度量级为1.0×10~(–2)g_n。采用考虑卫星传递影响的全链路仿真方法对卫星微振动振源的幅值进行了分析,结果表明干涉仪安装位置的微振动幅值为2.4×10~(–2)g_n,超过了其承受能力,需要采用隔振系统保证干涉仪在轨工作环境。进一步的扰振源扰振特性测试明确了微振动的频率,并以此为依据开展了隔振系统的设计;最终的地面微振动试验结果表明,隔振系统有效地保证了干涉仪的星上振动环境,从而验证了隔振系统设计的正确性和有效性。     

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。     

大光程差高鲁棒性摆臂角镜干涉仪设计与实现

为满足GF-5卫星上太阳掩星大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪需求,研制了大光程差高鲁棒性摆臂角镜星载傅里叶变换干涉仪。该干涉仪在传统迈克尔逊干涉仪构型基础上增加了端镜进行干涉光路折叠,实现了八倍光程放大,最大光程差达到25cm。同时,由于端镜的应用使干涉仪角镜仅需保证干涉光束入射方向上的回复反射即可,而不要求其顶点在入射光束垂直面内的位置精度,因此消除了传统角镜干涉仪由于光程扫描过程中顶点失准跳动引入的光束剪切误差影响,具有很好的振动免疫能力。文章回顾了该干涉仪的设计、仿真、实现以及相关测试和试验情况,相关成果可为星载大光程差摆臂角镜傅里叶变换干涉仪的设计与实现提供参考。     

环境-1A超光谱成像仪相对辐射定标方法应用研究

介绍了环境-1A卫星上装载的新型有效载荷超光谱成像仪的工作原理。指出我国使用超光谱干涉仪尚处于试验阶段,对在轨数据处理方法还需要完善。文章针对干涉仪的数据立方体特性提出一种空间维的基于统计方法的在轨干涉数据相对辐射定标处理方法,并通过对卫星实际在轨数据的对比处理来验证其处理效果。结果表明,相对辐射定标处理可以修正CCD响应的不均匀性和入射光场的不均匀性,减小非线性相位偏移,提高复原光谱的精度。     

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...     

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。     

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。     

微振动对不同支撑形式扫描机构的扫描精度影响研究

针对有高扫描线性精度要求的扫描机构,研究了微振动环境对基于轴承和挠性枢轴两种不同支撑形式扫描机构的影响。用ADAMS与Matlab/Simulink软件联合建立两种支撑形式扫描机构多体动力学闭环控制模型,对扫描过程进行了仿真,扫描线性度误差满足指标要求,验证了模型的正确性。在相同控制要求及某卫星实测微振动激励下,用所建模型仿真分析了两类扫描机构的扫描线性度受微振动环境的影响。结果表明:在相同的控制策略和微振动激励条件下,微振动对基于轴承和挠性枢轴的扫描机构的扫描线性度影响分别最大可达1%,2.6%。其中基于挠性枢轴的扫描机构更易受微振动环境的影响,但在工程误差一定的条件下,该影响可通过提高角度检测反馈精度而被有效控制。综合视轴标定精度和图像配准精度等指标要求,建议感应同步器精度需提升至1″以便于工程实现。研究对相机及卫星工程研制有一定的参考价值。     

基于改进型重复控制的光程扫描控制系统设计

为获取高分辨率、高准确度的精细光谱,在光谱探测系统中,需要实现大光程差,高平稳的往复扫描调制;扫描过程是由电机驱动。文章通过分析扫描特性,建立了永磁同步直线电机的数学模型,设计了速度反馈环和比例积分控制器的位置反馈环。鉴于电机机械轴承存在摩擦,会产生周期性干扰力矩,造成速度波动,文章提出改进型重复控制方法进行抑制。仿真结果表明,当角镜往复扫描时,与PI控制器相比,改进型重复控制器能够根据每个周期的误差值调整控制量,经过3个周期将速度波动降低了73%;当系统存在周期性外界扰动时,速度调整能力提高了40%。所提出的方法能够实现干涉光程差扫描的匀速性,对干扰力矩有较强的自适应能力,为伺服系统跟踪或抑制重复性外激励信号提供借鉴。     

空间光谱干涉仪在轨超静超稳平台的设计与地面验证

为了解决星上微振动引起的空间摆臂式傅里叶干涉仪（下文简称干涉仪）运动速度稳定度下降的问题，分析了干涉仪在轨减振任务的特点，提出了同时采用低刚度隔振与高灵敏度阻尼抑振的一体化设计方法，实现了干涉仪超静超稳平台的系统设计。平台采用被动隔振技术隔离卫星中、高频的机械振动，实现干涉仪在轨的“静”，采用电磁阻尼技术消除隔振过程引入的低频共振和晃动，保证干涉仪在轨的“稳”。地面微振动试验中，平台引入后，干涉仪安装位置加速度响应满足微振动环境要求，干涉仪性能稳定，载荷工作正常。     

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。     

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。     

一种星上微振动引起像移量的测量方法

基于多色CCD各谱段分时成像的特点,提出一种高分辨率光学遥感卫星星上微振动引起像移量的测量方法。该方法依据多色CCD不同时刻获取地面同一景物的不同谱段图像间的匹配像移量差异,确定星上微振动引起的像移量。研究实例证明了文章提出方法的可行性,结果表明,频率越低,微振动引起的像移量越大,因此,应对高分辨率光学遥感卫星的微振动,尤其是低频部分进行有效抑制。     

遥感系列卫星在轨微振动测量与分析

在遥感系列卫星上装载了微振动环境测量系统并进行了在轨微振动环境测量。文章介绍了4颗遥感卫星的在轨微振动环境参数获取与分析。结果表明:星上各活动部件中主要的扰振源为反作用轮和辐射计/散射计转动机构;卫星稳定运行时的最大微振动量级约为57 mg,传递到光学敏感设备衰减度约为15%。     

光学遥感卫星微振动抑制方法及关键技术

针对光学遥感卫星面临的微振动对成像质量影响的问题,对微振动抑制设计方法和关键技术进行了论述。首先对动量轮、控制力矩陀螺、扫摆机构等主要扰动源的机理和特征进行分析,然后从传递路径设计、微振动源抑制、降低有效载荷敏感性三个方面介绍了微振动抑制方法,最后结合遥感卫星的研制过程给出了微振动抑制设计的实例。     

多自由度微振动环境时域波形复现的数值仿真

为满足航天器微振动环境模拟的需要,开展了多自由度微振动时域波形复现控制方法研究。首先,介绍了基于时域波形复现的多自由度微振动环境模拟控制理论方法。其次,针对六自由度微振动激励系统,应用MATLAB软件建立了基于实测传递函数矩阵的多输入多输出微振动激励仿真系统,针对微振动时域波形复现闭环控制过程进行了算法编程,并给出了仿真的闭环控制流程图。最后,通过算例对多自由度微振动时域波形复现进行了数值仿真,以给定的白噪声为输入,模拟对实际存在的系统非线性、测量误差等影响因素的控制效果。仿真结果验证了多自由度微振动时域波形复现控制方法的可行性及有效性,所得结论可以为研究多自由度微振动时域波形复现控制系统提供参考。     

航天器微振动稳态时域响应分析方法

由于航天器在轨工作时处于无约束状态,采用传统的时程积分法分析微振动响应会受到刚体"漂移"和弹性体瞬态效应的影响,难以获得满足实际工程需要的分析结果。文章提出了基于复频理论的航天器稳态时域响应分析方法,介绍了该方法的实现途径,并应用于某航天器微振动问题。研究结果表明:该方法对于航天器在谐波形式干扰源作用下的微振动时域响应计算,可以完全消除刚体"漂移"和弹性体瞬态效应的影响,直接获得稳态时域响应。