遙感系列衛(wèi)星在軌微振動測量與分析

周東強，曹 瑞，趙 煜

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

衛(wèi)星入軌后隨著各類活動部件開啟以及不斷進出陰影區(qū)，星上出現(xiàn)微振動環(huán)境。在軌微振動環(huán)境是影響遙感衛(wèi)星有效載荷敏感器指向穩(wěn)定性能、成像質(zhì)量的重要因素之一。遙感衛(wèi)星在軌微振動源主要來自于星上高速轉(zhuǎn)動部件和大型部件驅(qū)動機構(gòu)，如工作時的反作用輪、SADA、有效載荷驅(qū)動電機、推力器以及冷熱交變時的大型柔性構(gòu)件的顫振。

為了深入了解和認識衛(wèi)星在軌微振動環(huán)境并實施有效的主動控制措施，國內(nèi)外開展了許多研究工作，包括理論基礎研究、地面微振動試驗測試研究和建模仿真計算研究等。但是地面微振動試驗中在軌微重力環(huán)境較難模擬，衛(wèi)星在軌微振動各項理論研究和數(shù)字仿真模型均缺乏測量數(shù)據(jù)進行修正，研究與計算結(jié)果難以驗證，而衛(wèi)星在軌微振動環(huán)境測量可以為相關(guān)研究及修正提供數(shù)據(jù)支持。NASA和德國航天局合作曾于1996年、1997年在ASTROSPAS小衛(wèi)星上進行兩次微振動環(huán)境測量。我國在遙感衛(wèi)星上開展了在軌微振動環(huán)境研究，即在4顆遙感衛(wèi)星上裝載力學環(huán)境測量系統(tǒng)，以采集在軌微振動環(huán)境數(shù)據(jù)。

本文主要介紹遙感系列衛(wèi)星在軌微振動測量實施情況與測量結(jié)果，分析該系列衛(wèi)星在軌微振動特性，為今后在軌微振動研究與減振/隔振實施奠定基礎。

1 遙感系列衛(wèi)星微振動測量情況

力學環(huán)境測量系統(tǒng)具備衛(wèi)星在軌微振動力學環(huán)境參數(shù)采集、編碼、存儲功能，并能夠利用數(shù)傳通道下傳測量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)有18路測量通道；攜帶6支三向高精度微振動測量傳感器，其測量頻率范圍為0.1～150 Hz，量程為0.001 g～0.1 g；系統(tǒng)測量精度優(yōu)于±10%；采用4倍頻率采樣、12位量化采集微振動數(shù)據(jù)。

1.1 測點選擇

為了方便地測量星上微振動源位置處及光學敏感設備處的微振動，對星上測點進行了系統(tǒng)規(guī)劃與布置，其基本思路是：選擇在微振動源、光學敏感設備安裝位置以及傳遞路徑上布置測點。共布置了21個微振動測點，各測點布置情況見表1。

表1 遙感系列衛(wèi)星微振動環(huán)境測點布置Table 1 Micro-vibration environment measuring points in remote sensing satellites

1.2 測量情況

先后進行了10次在軌微振動測量：1#衛(wèi)星測量 2次，分別為反作用輪啟動時和在軌穩(wěn)定運行時；2#衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行后測量1次；3#衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行后測量3次；4#衛(wèi)星測量4次，分別在反作用輪工作、天線展開、成像時進行測量。

2 測量結(jié)果分析

2.1 微振動源的測量結(jié)果

圖1(a)所示為4#衛(wèi)星反作用輪正常工作（轉(zhuǎn)速約為1500 r/min）時的微振動加速度，圖1(b)為其局部放大圖。在反作用輪處出現(xiàn)有規(guī)律的節(jié)拍現(xiàn)象，其原因有待進一步討論與研究。

圖1 4#衛(wèi)星反作用輪的微振動加速度Fig. 1 Micro-vibration acceleration measurement of reaction momentum wheel on 4# sensing satellite

表2列出了4顆衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行時主要活動部件的微振動加速度。

測量結(jié)果表明：輻射計/散射計天線轉(zhuǎn)動機構(gòu)的微振動加速度最大，其次是反作用輪。下面對測量結(jié)果逐一進行討論與說明：

1）反作用輪

4顆衛(wèi)星反作用輪的轉(zhuǎn)速均為1500 r/min。測量結(jié)果顯示，4顆衛(wèi)星反作用輪的微振動加速度值相當，最大值為23.5 mg。由于4#衛(wèi)星的反作用輪工作數(shù)量約為其他3顆衛(wèi)星的一半，所以加速度值略小，為14.2 mg。

2）輻射計/散射計轉(zhuǎn)動機構(gòu)

1#衛(wèi)星輻射計/散射計天線轉(zhuǎn)動機構(gòu)工作時加速度達到57.5 mg，與其他活動部件相比，對衛(wèi)星在軌微振動環(huán)境影響較大。

3）天線驅(qū)動機構(gòu)

衛(wèi)星入軌后，天線相繼解鎖展開并鎖定，展開過程中由天線驅(qū)動機構(gòu)微振動引起的加速度達到100 mg；天線鎖定后且衛(wèi)星穩(wěn)定運行時的加速度小于3.4 mg。相比反作用輪，天線驅(qū)動機構(gòu)鎖定后的振動量級非常小。

4）太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)

3顆星進行了太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)的微振動測量。測量結(jié)果表明，太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)振動加速度量級較小，均小于2.1 mg。但是，由于太陽電池陣屬大型柔性部件，其微振動頻率成分較為豐富。

表2 遙感系列衛(wèi)星主要活動部件的最大微振動加速度值Table 2 The maximum amplitude of the micro-vibration acceleration of the main active parts

2.2 敏感設備處微振動測量結(jié)果

遙感系列衛(wèi)星的敏感設備主要有星敏感器、激光通信設備、相機等。測量系統(tǒng)測量了各敏感設備位置的微振動環(huán)境，分別為：1#衛(wèi)星的激光通信設備；2#、3#衛(wèi)星的星敏感器；2#、3#和 4#衛(wèi)星的相機。

1）激光通信設備

在輻射計/散射計天線轉(zhuǎn)動機構(gòu)和反作用輪同時作用下，測得激光通信設備位置處微振動環(huán)境約為10 mg。

2）星敏感器

衛(wèi)星穩(wěn)定運行時星上工作的活動部件主要有反作用輪、太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)以及其他含電機工作的組件。受結(jié)構(gòu)傳遞衰減的影響，活動部件的微振動加速度傳遞至星敏感器位置處其量級衰減非常明顯，星敏感器位置處微振動加速度約為1.9 mg。

3）相機組件

衛(wèi)星成像工作時，活動部件有反作用輪、太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)等。由于相機質(zhì)量及安裝位置的特殊性，活動部件的微振動加速度傳遞至相機處衰減明顯，最大值約為5 mg。

3 傳遞情況分析

衛(wèi)星在軌微振動傳遞特性非常復雜，與星上結(jié)構(gòu)布局和傳遞路徑等因素直接相關(guān)。遙感系列衛(wèi)星光學敏感設備與大功率活動部件之間有多層艙板相隔，增加了傳遞路徑的距離與復雜性。測量結(jié)果表明：活動部件位置處的微振動加速度經(jīng)過復雜結(jié)構(gòu)的反射與傳遞，到光學敏感設備處時衰減較大，衰減度約為15%。

從 4#衛(wèi)星反作用輪至相機的微振動信號傳遞圖（見圖 2）可以看出，受傳遞路徑和結(jié)構(gòu)局部頻率的影響，微振動信號的節(jié)拍特征或現(xiàn)象完全消失，相機微振動環(huán)境表現(xiàn)為隨機信號擾動。從4#衛(wèi)星反作用輪至相機的頻率傳遞圖（見圖 3）可以看出：低頻信號（＜120 Hz）基本上是完全傳遞的，頻率和頻率帶能量衰減不明顯；高頻信號（＞120 Hz）受結(jié)構(gòu)局部剛度影響較大，頻率衰減非常明顯，反作用輪處在 137.5 Hz頻率帶上的能量峰值傳遞到相機處幾乎完全消失，相應地在相機處被激發(fā)了新的頻率能量峰值。

圖2 4#衛(wèi)星反作用輪至相機組件微振動信號傳遞圖Fig. 2 Micro-vibration signal transition from reaction momentum wheel to the camera components on 4# sensing satellite

圖3 4#衛(wèi)星反作用輪至相機組件微振動頻率傳遞圖Fig. 3 Frequency-transition from reaction momentum wheel to the camera components on 4# sensing satellite

4 結(jié)束語

本文分析了遙感系列衛(wèi)星主要活動部件和敏感器件在軌運行時微振動環(huán)境測量結(jié)果以及微振動頻率傳遞和能量衰減情況。這些測量結(jié)果可為今后星上微振動研究和地面測試、模擬仿真研究提供有效的數(shù)據(jù)支持。

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