超静平台在卫星高精度高稳定度指向控制中的应用研究

文章对超静平台在卫星高精度高稳定度指向控制中的应用进行了研究,针对不同频率振源下平台的动力学模型,设计了超静平台分层控制器。通过控制算法仿真表明,采用超静平台能充分消除星上振源对有效载荷的干扰,保持对观测目标精确指向。     

Stewart平台动力学建模及鲁棒主动隔振控制

未来复杂航天器低频模态密集,其敏感载荷要求很高的指向精度和稳定度,只对航天器本体姿态控制很难满足要求.本文采用Stewart超静平台对敏感载荷进行6自由度主动隔振,建立了非线性动力学模型,并根据线性模型设计了多变量鲁棒控制器,采用DK迭代算法求解.频域分析可得Stewart平台对3～800Hz的扰动主动隔振大于25dB,仿真证明Stewart平台对10Hz谐波扰动隔振性能优于40dB,对白噪声随机扰动隔振性能优于30dB,有效抑制了微小扰动,起到了6自由度超静隔振平台作用.     

基于主被动一体隔振指向平台的柔性航天器高精高稳指向方法

面向天文卫星、遥感卫星越来越高的指向精度和稳定度需求,解决指向控制和振动抑制相互制约的矛盾,文章提出了采用同时具备振动隔离和指向调节能力的Stewart平台以实现柔性航天器高精高稳指向的方法。建立了整星柔性动力学模型,设计了主被动一体隔振指向控制器,并基于该模型对传递率进行仿真,验证了理论分析结果。通过数字仿真验证了主被动一体隔振指向平台的振动抑制性能和指向控制性能,结果表明:能同时满足振动隔离和指向调节需求,可为具有高精度指向航天器的发展提供参考。     

FY-4卫星微振动抑制技术研究

根据装载干涉式大气垂直探测仪对微振动抑制的要求,对风云四号(FY-4)卫星的微振动抑制技术进行了研究。通过统计星上振源,规划整星级频谱,研究微振动传播机理,设计了振源隔离和载荷隔振的双级隔振系统。给出了动量轮的隔振设计,将动量轮的安装支架由刚性变为基于六角架(Hexapod)构型的非线性变刚度柔性支架,隔离动量轮传递至卫星平台的振动干扰,从源头控制振动。分析了发射段幅频特性和在轨段隔振性能,结果表明试验结果与理论分析一致。在此基础上,采用隔振组件和解锁组件并联使用方式,实现干涉式大气垂直探测仪的二次隔振设计,以进一步抑制卫星平台传递至探测仪的微振动干扰。地面微振动试验和在轨微振动实测结果表明:隔振系统能使卫星平台传递至载荷安装面的微振动量级控制在0.1×10-3g以下,满足指标要求。FY-4卫星微振动抑制技术可为其他卫星的微振动抑制提供参考。     

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。     

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。     

敏捷SAR卫星平台载荷一体化控制方法研究

面向具备波束指向捷变能力的小型化敏捷合成孔径雷达(SAR)卫星成像需求,提出了通过平台姿态敏捷机动和载荷波束捷变扫描一体化控制实现条带成像、多条带拼接成像、滑动聚束成像等传统成像模式的方法。针对配合成像过程提出的大角度机动和高精度高稳定度连续指向跟踪控制要求,采用5个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成的"五面锥"构形控制力矩陀螺群作为执行机构,设计了基于姿态四元数和角速度反馈的改进型递阶饱和控制器,实现了平台的敏捷机动和对目标的稳定跟踪指向。数学仿真结果表明:该控制系统有效可行。     

超静超稳卫星碰振动力学建模

针对分离式卫星载荷模块(PM)受到扰动时可能与服务模块(SM)发生碰撞的问题，综合音圈电机反电动势(back-EMF)和柔性线缆动力学的效应，基于牛顿欧拉法建立了分离式卫星(DFP)载荷模块动力学模型。基于Hertz接触理论，推导了分离式卫星碰撞过程中连续接触力模型，并分析了碰撞过程中产生的接触力对载荷模块指向精度和指向稳定度的影响。数值仿真结果表明，碰撞使得载荷模块指向精度和指向稳定度下降5个数量级，碰撞后载荷模块可再次恢复到超静超稳工作状态，恢复时间超过1400 s。本文建立的碰撞模型对研究分离式卫星碰撞规避和碰撞控制具有重要意义。     

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。     

一种超静卫星动力学建模及控制方法

针对Stewart超静卫星载荷和星体平台在姿态控制时存在平动和转动耦合问题,提出一种基于广义动量定理,反映载荷质心相对整星质心平动和转动耦合因素的动力学建模方法。由于载荷质心存在平动位移,极易造成Stewart平台支杆行程饱和,甚至发生碰撞。为避免支杆行程饱和,设计了具有平动前馈补偿控制的载荷控制器和具有支杆去饱和控制的星体平台控制器。通过3种姿态控制模式验证了控制器的正确性。仿真结果表明,在星体平台姿态实现10″控制精度的基础上,通过Stewart平台高精度指向控制,实现载荷0.1″指向控制。星体平台和载荷控制器在3种姿态控制模式下都能够有效实现支杆去饱和控制,避免发生机械碰撞。