微波成像儀掃描轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響分析和控制實(shí)現(xiàn)

呂利清,翁藝航,史耀強(qiáng)

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

0 引言

微波成像儀是一種具有固定視角的機(jī)械圓錐掃描全功率型微波輻射計(jì),可在多個(gè)特定頻率上接收來自地球表面和大氣的水平及垂直兩個(gè)極化的電磁輻射,進(jìn)行數(shù)字化處理后通過衛(wèi)星傳輸?shù)降孛嫘纬蓚尾噬珗D像,并反演出降雨、云和大氣中水汽含量、土壤濕度、海溫、海冰、雪覆蓋及海面油污等分布,對(duì)提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性,特別是預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害,減少損失,保證航空、航海安全有重大作用。我國(guó)首次研制的微波成像儀是機(jī)電熱一體的衛(wèi)星有效載荷,系統(tǒng)功能復(fù)雜,轉(zhuǎn)體質(zhì)量大,高度大,掃描轉(zhuǎn)動(dòng)極易對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生干擾。為確保衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定性,研制時(shí)在地面必須對(duì)轉(zhuǎn)體的穩(wěn)定性和平衡性進(jìn)行預(yù)先控制。但衛(wèi)星入軌后,由于重力效應(yīng)和風(fēng)阻環(huán)境的變化,轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、干擾效應(yīng)相對(duì)地面狀態(tài)發(fā)生變化,對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)控制產(chǎn)生干擾。這些干擾會(huì)影響衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)。因此,須按更復(fù)雜的空間動(dòng)力學(xué)環(huán)境進(jìn)行分析設(shè)計(jì)和控制,確保衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度[1]。

本文介紹了微波成像儀掃描運(yùn)動(dòng)方式,分析了微波成像儀掃描運(yùn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定性的影響,提出了微波成像儀掃描運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性控制方法,給出了過程控制方法及在軌驗(yàn)證效果。

1 微波成像儀結(jié)構(gòu)和掃描運(yùn)動(dòng)方式

微波成像儀由探測(cè)頭部、冷空反射鏡、配電單元、中央處理器、火工品控制器和掃描驅(qū)動(dòng)控制器等組成。在衛(wèi)星入軌發(fā)射時(shí),微波成像儀處于收攏狀態(tài)(如圖1所示),固定安裝于衛(wèi)星頭部,外包絡(luò)滿足火箭整流罩要求。衛(wèi)星入軌后,微波成像儀天線展開機(jī)構(gòu)展開,熱反射鏡抬升,掃描啟動(dòng),進(jìn)入在軌工作模式。微波成像儀的在軌展開工作狀態(tài)如圖2所示。

圖1 微波成像儀收攏發(fā)射狀態(tài)Fig.1 MWRI folded status for launch

圖2 微波成像儀展開工作狀態(tài)Fig.2 MWRI deployed status in work

為實(shí)現(xiàn)天線波束對(duì)地圓錐掃描和極化信息觀測(cè),微波成像儀采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)體掃描的運(yùn)動(dòng)方式。轉(zhuǎn)動(dòng)體安裝有天線及展開機(jī)構(gòu)、輻射測(cè)量通道、數(shù)據(jù)采編測(cè)量裝置和工作電源等,轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)量約60 kg。為補(bǔ)償轉(zhuǎn)動(dòng)體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)量矩,在微波成像儀的底部設(shè)計(jì)了補(bǔ)償飛輪。另外,為滿足衛(wèi)星發(fā)射需要,微波成像儀設(shè)有天線展開機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)體鎖緊裝置。衛(wèi)星入軌后,根據(jù)指令,天線展開、轉(zhuǎn)動(dòng)體解鎖并與電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸相連,建立在軌工作狀態(tài)[2]。

2 微波成像儀掃描運(yùn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定性的影響

2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)心偏移(靜不平衡)

理想狀態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)心(設(shè)計(jì)目標(biāo))應(yīng)在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。若轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)心不在轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上,則當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其偏心質(zhì)量就會(huì)產(chǎn)生離心慣性力,從而在運(yùn)動(dòng)副中引起附加動(dòng)壓力,稱為靜不平衡。實(shí)際工程研制中,有多種原因會(huì)引起轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)軸。其中：一類為可控因素,包括電單機(jī)元器件質(zhì)量分布不均的影響,零部件加工精度和轉(zhuǎn)動(dòng)體集成安裝精度的影響等,該類影響可在轉(zhuǎn)動(dòng)體狀態(tài)建立后,通過試驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行調(diào)整控制;另一類因素具隨機(jī)性,包括天線展開到位精度、轉(zhuǎn)動(dòng)體解鎖后軸系精度等,此類影響發(fā)生在衛(wèi)星入軌后,引起轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)軸,產(chǎn)生相對(duì)衛(wèi)星的偏心力矩

式中：Ur為靜不平衡量;m為轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)量;r為轉(zhuǎn)動(dòng)體等效質(zhì)心偏移即轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)軸的距離。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)體動(dòng)平衡(偶不平衡)

轉(zhuǎn)動(dòng)體質(zhì)心調(diào)整到轉(zhuǎn)動(dòng)軸上時(shí),其偏心合力為零。但由于各偏心質(zhì)量在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的離心慣性力不在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi),所形成的慣性力偶仍使轉(zhuǎn)動(dòng)體處于不平衡狀態(tài)。此種不平衡僅在轉(zhuǎn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)時(shí)才可顯示,成為偶不平衡,即r=0,Jxz≠0,Jyz≠0,Jxz,Jyz為主矩(繞z軸的慣性積),偏心力產(chǎn)生的力偶矩同樣會(huì)對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)產(chǎn)生影響[3]。

轉(zhuǎn)動(dòng)體常為靜偶混合不平衡,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)偏心力合成為一個(gè)合力和一個(gè)力偶(力矩),即構(gòu)成靜不平衡量Ur和偶不平衡量Pr,它們產(chǎn)生的力矩不在同一軸向平面內(nèi),故需在2個(gè)或2個(gè)以上平面進(jìn)行配平。

2.3 微波成像儀掃描運(yùn)動(dòng)不平衡對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定性的影響

2.3.1 分析方法

微波成像儀安裝于衛(wèi)星平臺(tái)上,如圖3所示。

圖3 微波成像儀及衛(wèi)星平臺(tái)Fig.3 MWRI and satellite

根據(jù)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論,用ADAMS軟件分析微波成像儀掃描運(yùn)動(dòng)不平衡對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定性的影響。根據(jù)衛(wèi)星在軌工作狀態(tài),模擬衛(wèi)星工作環(huán)境。另外,將整個(gè)衛(wèi)星視為多剛體系統(tǒng),分為部件、約束和力三部分。在ADAMS軟件中建模并添加合適的約束,輸入衛(wèi)星與微波成像儀的質(zhì)量與慣量,將微波成像儀的運(yùn)動(dòng)作為衛(wèi)星平臺(tái)的載荷(激勵(lì))。ADAMS軟件根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)模型,自動(dòng)建立系統(tǒng)的拉格朗日方程,對(duì)每個(gè)剛體,列出6個(gè)廣義坐標(biāo)帶乘子的拉格朗日方程即相應(yīng)的約束方程為

式中：qj為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo);Fj為廣義坐標(biāo)方向的廣義力;Ψi為系統(tǒng)的約束方程;λi為m×1維的拉格朗日乘子列陣;i=1,2,…,m;K為動(dòng)能,包括平動(dòng)動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能,對(duì)本系統(tǒng)而言,只有微波成像儀轉(zhuǎn)動(dòng)形成的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能,

此處：ωx,ωy,ωz分別為微波成像儀繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度(其中ωx,ωy為0);Jxx,Jxy,Jyy,Jxz,Jyz,Jzz分別為微波成像儀轉(zhuǎn)動(dòng)部分繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積。

ADAMS求解該動(dòng)力學(xué)方程時(shí)采用變系數(shù)的向后微分公式(BDF)剛性積分程序,它屬于自動(dòng)變階、變步長(zhǎng)的預(yù)估校正法(PECE),積分的每步采用了修正的Newton-Raphson迭代算法[4]。

2.3.2 微波成像儀掃描不平衡控制要求(目標(biāo))確認(rèn)

衛(wèi)星總體根據(jù)姿態(tài)穩(wěn)定度控制目標(biāo),提出了微波成像儀掃描殘余不平衡控制要求：靜、偶不平衡量分別不大于0.017 kg?m,0.015 kg?m2。用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析,在目標(biāo)狀態(tài)下微波成像儀掃描轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星的干擾力矩為0.43 N?m,衛(wèi)星姿態(tài)角速度最大為0.001 5(°)/s。能滿足衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定度要求。

3 微波成像儀掃描平衡狀態(tài)控制

根據(jù)控制目標(biāo),以及合微波成像儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研制流程,設(shè)計(jì)了微波成像儀掃描平衡狀態(tài)的控制流程為天線靜平衡控制→天線展開精度控制→轉(zhuǎn)動(dòng)體動(dòng)平衡控制→整機(jī)動(dòng)平衡控制。

3.1 天線靜平衡控制

天線是一個(gè)偏置拋物面,存在固有的質(zhì)心偏移。天線安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)體的頂部,對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡影響較大,故對(duì)其實(shí)行靜平衡控制。控制方法為：在靜平衡機(jī)上測(cè)量天線的質(zhì)心位置,通過在特定位置上的質(zhì)量調(diào)配,將天線的質(zhì)心偏移量調(diào)整到許可范圍,減少天線對(duì)展開機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)體的影響,完成轉(zhuǎn)動(dòng)體最高平面的配平。

3.2 天線展開到位精度控制

天線展開動(dòng)作發(fā)生在衛(wèi)星入軌后,天線展開到位精度關(guān)系機(jī)構(gòu)的角度位置,影響轉(zhuǎn)動(dòng)體動(dòng)平衡狀態(tài)。研制時(shí)須確保天線展開到位精度。天線展開到位精度由設(shè)計(jì)、制造和裝調(diào)保證,天線展開到位精度控制確認(rèn)方法為：微波成像儀總裝完成后對(duì)天線進(jìn)行多次展開到位后的形位精度測(cè)量,控制展開到位后的形位精度在許可范圍內(nèi)。

3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)體動(dòng)平衡控制

微波成像儀轉(zhuǎn)動(dòng)體動(dòng)平衡控制在轉(zhuǎn)動(dòng)體總成狀態(tài)確定后進(jìn)行。控制方法為：在動(dòng)平衡機(jī)上測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)體動(dòng)平衡狀態(tài),通過在特定位置上的質(zhì)量調(diào)配,消除由加工誤差和轉(zhuǎn)動(dòng)體集成過程偏差造成的動(dòng)不平衡,將轉(zhuǎn)動(dòng)體靜不平衡量、偶不平衡量調(diào)整到控制目標(biāo)范圍內(nèi)。

3.4 整機(jī)動(dòng)平衡狀態(tài)控制

在完成轉(zhuǎn)動(dòng)體動(dòng)平衡控制后,將轉(zhuǎn)動(dòng)體安裝至微波成像儀整機(jī),進(jìn)行整機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)控制方法為：將微波成像儀安裝于動(dòng)平衡機(jī)上,模擬在軌工作過程,展開天線,解鎖轉(zhuǎn)動(dòng)體,啟動(dòng)掃描,測(cè)量掃描動(dòng)平衡狀態(tài)。需要時(shí)可進(jìn)行調(diào)配,將整機(jī)靜不平衡量和偶不平衡量控制在目標(biāo)范圍內(nèi)[5]。

3.5 微波成像儀掃描平衡狀態(tài)控制效果

經(jīng)過上述控制流程,發(fā)射前的微波成像儀整機(jī)動(dòng)平衡狀態(tài)見表1。

表1 微波成像儀整機(jī)動(dòng)平衡狀態(tài)(掃描周期1.7 s)Tab.1 Dynamic balance status of MWRI(scan period 1.7 s)

根據(jù)微波成像儀整機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果,用ADAMS軟件分析了微波成像儀對(duì)整星的擾動(dòng)力矩以及姿態(tài)控制的影響,結(jié)果為掃描轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星的干擾力矩0.35 N?m,衛(wèi)星姿態(tài)角速度0.001 3(°)/s,滿足整星姿態(tài)穩(wěn)定度的要求。

4 在軌驗(yàn)證

衛(wèi)星發(fā)射入軌,微波成像儀開機(jī),衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果見表2。由表可知：在各掃描模式下均滿足姿態(tài)穩(wěn)定度0.008(°)/s的控制目標(biāo)。

另由表2可知：在軌測(cè)試數(shù)據(jù)與發(fā)射前的分析結(jié)果相符,但局部區(qū)域存在較大差異。分析后認(rèn)為這是在特定區(qū)域微波成像儀的掃描頻率與衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣撓性耦合振動(dòng)引起的,可通過提高太陽(yáng)電池陣的固有頻率避開微波成像儀的掃描頻率。

表2 衛(wèi)星在軌姿態(tài)穩(wěn)定度Tab.2 Satellite attitudestability on orbit

5 結(jié)束語

本文對(duì)微波成像儀掃描轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響進(jìn)行了分析,并對(duì)其掃描平衡狀態(tài)的控制進(jìn)行了研究。在軌測(cè)試數(shù)據(jù)表明：微波成像儀動(dòng)平衡控制有效,達(dá)到了預(yù)期的姿態(tài)穩(wěn)定度控制要求。

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