某型號(hào)衛(wèi)星微振動(dòng)試驗(yàn)研究及驗(yàn)證

龐世偉，潘 騰，毛一嵐，李曉云，張 媚，劉紅雨，王澤宇，朱衛(wèi)紅

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某型號(hào)衛(wèi)星微振動(dòng)試驗(yàn)研究及驗(yàn)證

龐世偉，潘 騰，毛一嵐，李曉云，張 媚，劉紅雨，王澤宇，朱衛(wèi)紅

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

某型號(hào)衛(wèi)星地面像元分辨率優(yōu)于1m，對(duì)成像質(zhì)量要求很高。微振動(dòng)成為制約該型號(hào)成像質(zhì)量提升的關(guān)鍵因素之一。在完成微振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響的仿真分析后，對(duì)仿真分析的有效性和正確性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。該衛(wèi)星微振動(dòng)試驗(yàn)按照單機(jī)、分系統(tǒng)、系統(tǒng)和大系統(tǒng)4個(gè)層次展開：?jiǎn)螜C(jī)級(jí)試驗(yàn)主要通過六分量力測(cè)量微振動(dòng)源的動(dòng)態(tài)特性；分系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)主要通過結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)測(cè)量解決微振動(dòng)傳遞特性是否正確的問題；系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)主要通過成像質(zhì)量來驗(yàn)證微振動(dòng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)影響的分析方法；大系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)主要通過在軌圖像分析驗(yàn)證相關(guān)結(jié)論。上述試驗(yàn)對(duì)微振動(dòng)從產(chǎn)生、傳遞到影響的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。最終試驗(yàn)結(jié)果表明微振動(dòng)相關(guān)工作達(dá)到預(yù)期目的，圖像質(zhì)量得到保證。

微振動(dòng)；地面試驗(yàn)；在軌測(cè)試；成像質(zhì)量；遙感衛(wèi)星

0 引言

微振動(dòng)是指航天器在軌運(yùn)行期間，由于其上設(shè)備（如動(dòng)量輪等高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件、太陽電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等步進(jìn)部件、紅外相機(jī)擺鏡等擺動(dòng)部件等）正常工作時(shí)造成的航天器頻帶較寬、幅度較小的往復(fù)運(yùn)動(dòng)[1]。隨著遙感衛(wèi)星地面像元分辨率等性能指標(biāo)越來越高，微振動(dòng)漸已成為制約高分辨率遙感衛(wèi)星系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵因素之一。

某型號(hào)衛(wèi)星地面像元分辨率優(yōu)于1m，定位精度等其他與光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)的指標(biāo)也有較大幅度提升。為研究微振動(dòng)對(duì)該衛(wèi)星成像質(zhì)量的影響，基于集成建模技術(shù)開展了相關(guān)的建模、仿真和評(píng)估工作。為保證微振動(dòng)源、微振動(dòng)傳遞和微振動(dòng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)影響的數(shù)學(xué)模型的有效性、可靠性和準(zhǔn)確性，仍需開展必要的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

國外在微振動(dòng)試驗(yàn)領(lǐng)域開展了很多嘗試[2-4]，

我國主要是針對(duì)微振動(dòng)源或微振動(dòng)結(jié)構(gòu)傳遞開展了相關(guān)試驗(yàn)[5-6]，尚未系統(tǒng)全面地開展微振動(dòng)試驗(yàn)，而分散凌亂的試驗(yàn)無法滿足型號(hào)的最終應(yīng)用需求。

因此，本文在國內(nèi)外研究成果基礎(chǔ)上，針對(duì)該型號(hào)具體需求，系統(tǒng)提出了地面微振動(dòng)試驗(yàn)的基本思路和方案，通過分層次、分階段開展針對(duì)不同目的的試驗(yàn)，并給出具體試驗(yàn)方案和試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)，再結(jié)合仿真分析給出最終在軌性能評(píng)估及在軌測(cè)試結(jié)果。

1 總體方案

微振動(dòng)研究工作大體上可分為仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真分析需要回答微振動(dòng)是否對(duì)成像質(zhì)量有影響，試驗(yàn)驗(yàn)證需要回答仿真分析結(jié)果是否可靠。

微振動(dòng)試驗(yàn)的總體方案和流程如圖1所示。微振動(dòng)試驗(yàn)分為單機(jī)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和大系統(tǒng)級(jí)4個(gè)層次。

圖1 微振動(dòng)試驗(yàn)總體方案

單機(jī)級(jí)試驗(yàn)主要包括星上的4種微振動(dòng)源和微振動(dòng)隔振器的試驗(yàn)。微振動(dòng)源的試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^試驗(yàn)了解微振動(dòng)源動(dòng)態(tài)特性，包括微振動(dòng)源產(chǎn)生力和力矩的幅值大小和頻率分布，對(duì)仿真分析使用的微振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保微振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響的仿真分析在輸入端是正確的。微振動(dòng)隔振器的試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證其設(shè)計(jì)以確保滿足相關(guān)指標(biāo)要求，能夠?qū)ξ⒄駝?dòng)源產(chǎn)生的力和力矩進(jìn)行衰減，確保傳遞到結(jié)構(gòu)上的力和力矩滿足需求。

分系統(tǒng)級(jí)微振動(dòng)試驗(yàn)包括兩個(gè)方面。一是針對(duì)微振動(dòng)源主要安裝位置——?jiǎng)恿枯啺宓木植總鬟f特性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真分析模型中動(dòng)量輪的局部有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，以確保該部分傳遞特性符合真實(shí)情況。二是利用結(jié)構(gòu)星進(jìn)行針對(duì)整個(gè)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的傳遞特性試驗(yàn)。該試驗(yàn)包含了微振動(dòng)傳遞路徑上的絕大部分真實(shí)結(jié)構(gòu)（相機(jī)為結(jié)構(gòu)相機(jī)）。通過該試驗(yàn)可對(duì)微振動(dòng)通過振源安裝位置經(jīng)過動(dòng)量輪安裝板、承力筒、服務(wù)艙結(jié)構(gòu)、相機(jī)轉(zhuǎn)接板、相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)到相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的整個(gè)傳遞路徑進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果用于整星有限元模型的驗(yàn)證和修正，以確保微振動(dòng)的全部結(jié)構(gòu)傳遞特性符合真實(shí)情況。

系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)與分系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)的主要差別在于增加了光學(xué)相機(jī)，可開展微振動(dòng)源到光學(xué)最終成像的全鏈路微振動(dòng)試驗(yàn)。通過景物模擬器可產(chǎn)生理想靶標(biāo)，通過開閉微振動(dòng)源情況下的相機(jī)成像對(duì)比可直接了解微振動(dòng)對(duì)最終成像質(zhì)量的影響情況。

大系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)是在衛(wèi)星發(fā)射成功后，利用在軌測(cè)量的方法開展的微振動(dòng)試驗(yàn)。其中，在微振動(dòng)源、微振動(dòng)隔振器、相機(jī)安裝位置等關(guān)心位置安裝微振動(dòng)傳感器，將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過數(shù)傳分系統(tǒng)傳遞到地面站。地面分析這些數(shù)據(jù)即可了解衛(wèi)星真實(shí)工作情況下的微振動(dòng)源、微振動(dòng)隔振器和微振動(dòng)傳遞的基本特性。通過對(duì)衛(wèi)星相機(jī)所獲取的真實(shí)圖像進(jìn)行分析，即可了解微振動(dòng)對(duì)圖像質(zhì)量的影響情況。

通過上述4個(gè)層次的微振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)該型號(hào)衛(wèi)星的微振動(dòng)源、微振動(dòng)隔振器、微振動(dòng)結(jié)構(gòu)傳遞以及最終的成像質(zhì)量進(jìn)行全面系統(tǒng)的測(cè)試，以有效驗(yàn)證相關(guān)仿真、分析和設(shè)計(jì)的結(jié)果，保障型號(hào)圖像質(zhì)量清晰、準(zhǔn)確和可靠。

2 微振動(dòng)試驗(yàn)方法

2.1 單機(jī)級(jí)微振動(dòng)源動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

微振動(dòng)源試驗(yàn)的關(guān)鍵有兩個(gè)：一是測(cè)量設(shè)備，主要解決同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量微振動(dòng)源對(duì)安裝界面的力和力矩問題；二是邊界條件（工作模式），需要解決如何準(zhǔn)確模擬其在軌工作狀態(tài)的問題。微振動(dòng)源試驗(yàn)方法如圖2所示。平臺(tái)擾動(dòng)源和載荷擾動(dòng)源部件密封在近似真空環(huán)境中，重力和空氣影響很小，地面試驗(yàn)結(jié)果與在軌工作情況差別很小。

圖2 微振動(dòng)源試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)的關(guān)鍵測(cè)量設(shè)備是六分量測(cè)力平臺(tái)，用于測(cè)量微振動(dòng)源對(duì)其產(chǎn)生的擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩。微振動(dòng)源和剛性轉(zhuǎn)接板（起理想固支安裝的作用）連接，再安裝到六分量測(cè)力平臺(tái)。六分量測(cè)力平臺(tái)需要固支邊界條件才能滿足測(cè)試要求。試驗(yàn)實(shí)施過程中將六分量測(cè)力平臺(tái)安裝在一大質(zhì)量剛性臺(tái)體（基頻高于700Hz、重量大于8t）上，臺(tái)體再與地面通過氣浮彈簧隔離，以降低地面振動(dòng)產(chǎn)生的影響。

對(duì)于太陽電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的微振動(dòng)試驗(yàn)，除利用六分量測(cè)力平臺(tái)進(jìn)行微振動(dòng)源安裝面的力和力矩測(cè)量外，還應(yīng)設(shè)計(jì)合理的重力卸載工裝，同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)連接合理的驅(qū)動(dòng)部件（如太陽電池陣）的模擬件，以模擬驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)部件動(dòng)態(tài)特性之間的耦合特性。

微振動(dòng)隔振器試驗(yàn)方案與微振動(dòng)源試驗(yàn)方案基本一致，區(qū)別在于剛性轉(zhuǎn)接板與微振動(dòng)源之間增加微振動(dòng)隔振器。微振動(dòng)源產(chǎn)生的力和力矩通過微振動(dòng)隔振器會(huì)衰減，通過六分量測(cè)力平臺(tái)測(cè)量到力和力矩，與沒有增加隔振器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以得到微振動(dòng)隔振器的功能和性能。此外，也可在微振動(dòng)隔振器設(shè)備安裝面和隔振器安裝面上安裝加速度傳感器，通過力錘或微振動(dòng)源直接工作施加激勵(lì)，測(cè)量激勵(lì)經(jīng)過隔振器前后的加速度響應(yīng)，以確定微振動(dòng)隔振器的傳遞特性。

2.2 分系統(tǒng)級(jí)結(jié)構(gòu)傳遞動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

動(dòng)量輪板試驗(yàn)是一個(gè)局部的微振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)原理如圖3所示。為顯示方便，圖中沒有給出CMG及微振動(dòng)隔振器。通過將動(dòng)量輪、CMG和CMG隔振器統(tǒng)一安裝在動(dòng)量輪板上，可對(duì)動(dòng)量輪、CMG、微振動(dòng)隔振器以及動(dòng)量輪的耦合特性繼續(xù)試驗(yàn)，從而對(duì)局部模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正。

圖3 動(dòng)量輪板試驗(yàn)示意圖

在動(dòng)量輪板上關(guān)心位置安裝加速度傳感器，測(cè)量該位置的加速度響應(yīng)，由此獲得動(dòng)量輪板分系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

整星微振動(dòng)試驗(yàn)如圖4所示。微振動(dòng)試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一是對(duì)邊界條件的模擬。為模擬整星自由的邊界條件，工程上主要采用柔性支撐或彈性懸吊的方法。柔性支撐是通過在衛(wèi)星底部安裝一個(gè)支撐剛度較低的支撐結(jié)構(gòu)用于抵消重力的影響，同時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的一階頻率足夠低（低于關(guān)心最低頻率的1/5，一般要求達(dá)到1/10）；此外除6個(gè)低階支撐頻率外，其他的高階頻率要足夠高，最好高于關(guān)心頻率的10倍以上。彈性懸掛的原理和要求與柔性支撐基本相同，區(qū)別在于利用懸掛方式抵消重力的影響。該衛(wèi)星試驗(yàn)選用了懸吊的方式。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，裝置的橫向懸掛頻率不大于2Hz，縱向懸掛頻率不超過5Hz，可以認(rèn)為其一階頻率低于動(dòng)量輪微振動(dòng)頻率（24Hz左右）的1/5，基本滿足工程要求。

圖4 整星微振動(dòng)試驗(yàn)示意圖

整星微振動(dòng)試驗(yàn)在關(guān)心部位（如動(dòng)量輪、CMG以及隔振器的安裝界面，承力筒關(guān)鍵位置，相機(jī)安裝界面和相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)等位置）安裝了高精度加速度傳感器，以測(cè)量所關(guān)心位置的加速度響應(yīng)。激勵(lì)方式有兩種：一是利用力錘作為激勵(lì)，二是通過令動(dòng)量輪和CMG兩類微振動(dòng)源按照工作模式進(jìn)行工作作為激勵(lì)。

2.3 系統(tǒng)級(jí)微振動(dòng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)影響特性試驗(yàn)

系統(tǒng)級(jí)微振動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)影響試驗(yàn)是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的涉及微振動(dòng)源、結(jié)構(gòu)傳遞和光學(xué)成像的微振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖5所示，此時(shí)采用地面彈性支撐工裝，其頻率為8Hz左右。

試驗(yàn)系統(tǒng)與之前相比更加復(fù)雜，增加了光管支

架、平行光管、反射鏡和反射鏡支架。其中平行光管用于模擬地面景物對(duì)光學(xué)系統(tǒng)入射的平行光；反射鏡將該平行光反射到光學(xué)相機(jī)內(nèi)。為支撐反射鏡還需使用反射鏡支架。

圖5 系統(tǒng)級(jí)微振動(dòng)試驗(yàn)示意圖

2.4 大系統(tǒng)級(jí)微振動(dòng)在軌試驗(yàn)

該衛(wèi)星搭載了力學(xué)參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)，通過加速度傳感器可對(duì)星上關(guān)心位置的加速度響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。該子系統(tǒng)主要功能是根據(jù)要求將加速度傳感器的信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存，在合適時(shí)機(jī)通過數(shù)傳系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳回地面。為對(duì)微振動(dòng)進(jìn)行在軌測(cè)量，星上共布置了6個(gè)高精度加速度傳感器，分別位于CMG安裝界面、微振動(dòng)隔振器安裝界面、動(dòng)量輪支架安裝界面、太陽電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架安裝界面、數(shù)傳天線安裝界面和相機(jī)安裝界面。衛(wèi)星在軌飛行期間，通過地面指令使力學(xué)參數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)工作，采集并存儲(chǔ)加速度傳感器的信號(hào)。在具有數(shù)傳通道時(shí)下傳所有測(cè)量數(shù)據(jù)。利用該數(shù)據(jù)可得到：CMG在軌工作情況下微振動(dòng)造成的安裝界面加速度響應(yīng)；微振動(dòng)隔振器工作狀態(tài)時(shí)其上、下的加速度響應(yīng)；動(dòng)量輪在軌工作情況下微振動(dòng)造成的安裝界面加速度響應(yīng)；太陽電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作造成的安裝界面加速度響應(yīng)；數(shù)傳天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作造成的安裝界面加速度響應(yīng)；各種微振動(dòng)源工作造成的相機(jī)安裝界面加速度響應(yīng)。

3 微振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單機(jī)級(jí)微振動(dòng)源動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

從表1的時(shí)域?qū)崪y(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)可看出，CMG的,,方向擾動(dòng)力分別在±22N之間、±16N之間、±11N之間，,,方向的擾動(dòng)力矩分別在±1.9N·m之間、±2.8N·m之間、±3.3N·m之間。

表1 CMG時(shí)域試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)處理后得到功率譜密度（PSD）函數(shù)。直接從頻域?qū)崪y(cè)結(jié)果（圖6）看，CMG各個(gè)方向擾動(dòng)的諧波十分明顯，都明顯存在100Hz（1倍頻）、200Hz（2倍頻）和300Hz（3倍頻）的分量。從單一頻率的能量看，這些諧波影響較大。除明顯諧波，還存在很多類似次波的頻率分量，比較明顯的是60Hz左右、120Hz左右和180Hz左右。

圖6 典型微振動(dòng)源（CMG）動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的功率譜密度