基于載荷共基準(zhǔn)的高分七號(hào)衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

盧清榮 徐慶鶴 殷亞州 羅文波 錢(qián)志英 白剛

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

高分七號(hào)(GF-7)衛(wèi)星是我國(guó)首顆民用亞米級(jí)高分辨率光學(xué)傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星，衛(wèi)星兼有測(cè)繪和資源調(diào)查功能，用于1∶10 000比例尺立體測(cè)圖及更大比例尺基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新，以及開(kāi)展國(guó)土資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)。高分七號(hào)衛(wèi)星包含2種有效載荷：雙線陣相機(jī)和激光測(cè)高儀。衛(wèi)星載荷質(zhì)量大、數(shù)量多，在軌工作環(huán)境要求高，總裝時(shí)間短的特點(diǎn)對(duì)整星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)提出了新的需求，也給衛(wèi)星的總裝設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1-2]。

本文針對(duì)高分七號(hào)衛(wèi)星的特殊需求，在傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究了衛(wèi)星構(gòu)型特點(diǎn)，提出了適應(yīng)衛(wèi)星載荷高精度的構(gòu)型設(shè)計(jì)方案，可為我國(guó)未來(lái)衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)提供參考。

1 衛(wèi)星構(gòu)型布局需求分析

1.1 高精度測(cè)繪要求

高分七號(hào)衛(wèi)星采用雙線陣測(cè)繪體制，測(cè)繪工作方式如圖1所示。衛(wèi)星可連續(xù)觀測(cè)獲取地面重疊影像，可實(shí)現(xiàn)條帶成像，用于獲得立體影像。激光測(cè)高儀在1景影像內(nèi)可獲取18個(gè)激光測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，用于對(duì)地理?xiàng)l件惡劣的地區(qū)，在少控制點(diǎn)情況下，進(jìn)一步提高衛(wèi)星的高程定位精度。

圖1 高分七號(hào)衛(wèi)星測(cè)繪工作原理示意圖Fig.1 Sketch map of the operating principle of the GF-7 satellite

高分七號(hào)衛(wèi)星的測(cè)圖精度由資源三號(hào)(ZY-3)衛(wèi)星的1:50 000提升到1:10 000，無(wú)控制點(diǎn)定位精度由100 m提升到20 m，有控制點(diǎn)定位精度平面由25 m提高到5 m，高程精度由5 m提升到1.5 m，由此對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)在ZY-3的基礎(chǔ)上又提出了更高的要求，具體見(jiàn)表1。

表1 高分七號(hào)與資源三號(hào)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of technical indicators between ZY-3 and GF-7

針對(duì)1:10 000比例尺測(cè)繪精度要求提升導(dǎo)致的衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)要求變化，需要將一體化支架為整星成像測(cè)繪任務(wù)基準(zhǔn)，雙線陣相機(jī)、激光測(cè)高儀、陀螺均安裝在一體化支架上。選擇星敏感器作為姿態(tài)測(cè)量部件，為提高相機(jī)在軌光軸指向確定精度，縮短相機(jī)與星敏感器間的結(jié)構(gòu)連接路徑，將星敏感器與雙線陣相機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

1.2 ZY1000B平臺(tái)強(qiáng)適應(yīng)要求

高分七號(hào)衛(wèi)星構(gòu)型基于資源三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)狀態(tài)，衛(wèi)星由星本體和太陽(yáng)翼兩部分組成(見(jiàn)圖2)。星本體采用分艙設(shè)計(jì)，包括載荷艙和服務(wù)艙兩部分，在總裝期間為整星測(cè)試。根據(jù)雙線陣相機(jī)和激光測(cè)高儀技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計(jì)，因后續(xù)多顆衛(wèi)星均采用高分七號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)品基線，在構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)需考慮平臺(tái)對(duì)后續(xù)衛(wèi)星的繼承性及適應(yīng)性[3-4]。

圖2 GF-7衛(wèi)星構(gòu)型示意Fig.2 Configuration of GF-7 satellite

2 衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)

2.1 載荷共基準(zhǔn)構(gòu)型設(shè)計(jì)

為保證1:10 000測(cè)繪精度，根據(jù)雙線陣相機(jī)(單臺(tái)305 kg，共2臺(tái))和激光測(cè)高儀(295 kg)技術(shù)狀態(tài)，同時(shí)考慮測(cè)繪衛(wèi)星對(duì)穩(wěn)定性的要求，在載荷艙頂部設(shè)置一體化支架。以一體化支架為整星成像測(cè)繪任務(wù)基準(zhǔn)[5]，將雙線陣相機(jī)安裝在一體化支架+X面，激光測(cè)高儀吊裝在一體化支架-X面，確保雙線陣相機(jī)和激光測(cè)高儀共基準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 載荷共基準(zhǔn)構(gòu)型示意Fig.3 Configuration of common reference payload

一體化支架采用M55J高模量碳纖維復(fù)合材料模壓工藝制成，具有良好的熱穩(wěn)定性，有助于保持3臺(tái)主載荷相互之間以及與姿態(tài)敏感器之間的在軌夾角穩(wěn)定性。支架設(shè)計(jì)成截面工字梁、厚度4 mm的框架結(jié)構(gòu)，材料選用M55J/BS-4，外形尺寸1780 mm×1980 mm×842 mm。一體化支架-X面與載荷艙結(jié)構(gòu)板連接，從底面向上100 mm高的基準(zhǔn)面上設(shè)計(jì)4處凸臺(tái)，形成兩臺(tái)相機(jī)俯仰角關(guān)系，如圖4所示。

2.2 星敏感器與雙線陣相機(jī)一體化構(gòu)型布局設(shè)計(jì)

為保證衛(wèi)星相機(jī)在軌光軸指向的確定精度，除要求相機(jī)與星敏感器實(shí)施在軌標(biāo)定外，還需要從總體構(gòu)型布局設(shè)計(jì)方面進(jìn)行保障。為最大限度減小有效載荷與星敏感器在發(fā)射段及在軌飛行期間的熱變形，以及在軌期間結(jié)構(gòu)熱變形的同步性，必須將有效載荷與星敏感器安裝于同一主結(jié)構(gòu)；同時(shí)，需保證主結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，以此來(lái)降低二者之間的相對(duì)形變；此外，結(jié)構(gòu)要滿足一定的精度要求，提供結(jié)構(gòu)精度基準(zhǔn)，保證有效載荷與星敏感器安裝所需要的特殊安裝精度；為進(jìn)一步提高星敏感器相對(duì)雙線陣相機(jī)的連接剛度，實(shí)現(xiàn)共基準(zhǔn)安裝，星敏感器支架采用碳纖維復(fù)合材料，在保證連接剛度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。衛(wèi)星共配置4臺(tái)星敏感器，星敏感器與雙線陣相機(jī)一體化安裝布局，其中其中：兩臺(tái)進(jìn)口星敏布局在后視相機(jī)-Z面，兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)星敏布局在前視相機(jī)-Z面，如圖5所示。

圖5 星敏感器與相機(jī)一體化安裝布局Fig.5 Integrated installation of star sensor and camera

2.3 ZY1000B平臺(tái)模塊化構(gòu)型設(shè)計(jì)

根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)強(qiáng)適應(yīng)的需求，整星構(gòu)型采提出“π”平臺(tái)方案，通過(guò)數(shù)傳下移、模塊化布局等方式實(shí)現(xiàn)兩艙對(duì)接面以下π弧度空間內(nèi)集成所有平臺(tái)產(chǎn)品[6]。

衛(wèi)星采用模塊化的“π”平臺(tái)分艙段構(gòu)型設(shè)計(jì)，即利于服務(wù)艙在后續(xù)星的繼承使用，也有利于有高分七號(hào)衛(wèi)星將載荷艙空間得到釋放，大幅增加載荷可布局空間，實(shí)現(xiàn)3臺(tái)大型載荷，4個(gè)星敏感器，3個(gè)陀螺的一體化、集成式布局。載荷艙的獨(dú)立設(shè)計(jì)，可以使后續(xù)型號(hào)有效載荷更靈活地根據(jù)用戶的需求而進(jìn)行定制、改變，且易于實(shí)現(xiàn)載荷艙的布局、總裝和測(cè)試。

衛(wèi)星整星發(fā)射質(zhì)量2699.5 kg，衛(wèi)星本體為立方體構(gòu)型，橫截面尺寸為1980 mm×1780 mm。服務(wù)艙高度為1.6 m，載荷艙高度為1 m。衛(wèi)星±Y面均安裝太陽(yáng)翼，發(fā)射時(shí)，太陽(yáng)翼折疊收攏壓緊在衛(wèi)星兩側(cè),發(fā)射狀態(tài)衛(wèi)星的輪廓尺寸為Φ2.9 m×5.1 m，衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)構(gòu)型如圖6所示；入軌后，衛(wèi)星太陽(yáng)翼展開(kāi)狀態(tài)的橫向尺寸為11 m，衛(wèi)星入軌太陽(yáng)翼展開(kāi)狀態(tài)構(gòu)型如圖7所示。

圖6 衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)構(gòu)型Fig.6 Configuration of launch

圖7 衛(wèi)星飛行狀態(tài)構(gòu)型Fig.7 Configuration of flight

3 衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.1 整星剛度分析與驗(yàn)證

高分七號(hào)衛(wèi)星整星采用服務(wù)艙+服務(wù)艙的構(gòu)型形式，其中服務(wù)艙基本結(jié)構(gòu)布局基于資源三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)狀態(tài)并根據(jù)產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行適應(yīng)性更改；載荷艙結(jié)構(gòu)和服務(wù)艙結(jié)構(gòu)通過(guò)載荷艙底板與服務(wù)艙承力筒上端框進(jìn)行連接。整星傳力路徑為相機(jī)通過(guò)一體化支架傳遞到載荷艙隔板及載荷艙外板上，載荷艙隔板通過(guò)主承力接頭及承力筒加強(qiáng)角盒，傳遞到承力筒上，整個(gè)一體化支架、載荷艙隔板、載荷艙底板、承力筒、對(duì)接段為主傳力路徑，部分載荷通過(guò)載荷艙外板傳遞到隔板、載荷艙底板傳至到承力筒上(見(jiàn)圖8)。衛(wèi)星經(jīng)歷了力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，整星縱向基頻為45.31 Hz，橫向基頻為10.2 Hz和10.5 Hz，均滿足運(yùn)載火箭的基頻要求。同時(shí)衛(wèi)星的成功發(fā)射亦驗(yàn)證了整星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)的合理性。

圖8 整星一階振型Fig.8 First order modal pattern of satellite

3.2 運(yùn)載相容性分析與驗(yàn)證

長(zhǎng)征-4B(CZ-4B)Y38火箭用于執(zhí)行GF-7衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，同時(shí)采用支承艙側(cè)壁搭載的方式搭載3顆小衛(wèi)星。高分七號(hào)衛(wèi)星加注后整星質(zhì)量為2699.5 kg，輪廓尺寸為Φ2.9 m×5.1 m，衛(wèi)星滿足運(yùn)載火箭的質(zhì)量約束和整流罩內(nèi)包絡(luò)尺寸約束。衛(wèi)星與整流罩許用包絡(luò)最近距離為9 mm，與進(jìn)入星箭共用區(qū)的搭載星最近距離為182 mm，距搭載星最近距離為263 mm，如圖9所示。衛(wèi)星與運(yùn)載火箭在上海順利對(duì)接、太原衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射成功驗(yàn)證了整星構(gòu)型尺寸及布局設(shè)計(jì)的合理性。

圖9 衛(wèi)星在整流罩內(nèi)的發(fā)射狀態(tài)Fig.9 Launch state in fairing

3.3 載荷共基準(zhǔn)穩(wěn)定性分析與驗(yàn)證

高分七號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)以一體化支架為整星成像測(cè)繪任務(wù)基準(zhǔn)，雙線陣相機(jī)、激光測(cè)高儀均安裝在一體化支架上實(shí)現(xiàn)共基準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)一體化支架進(jìn)行整個(gè)結(jié)構(gòu)的高精度溫控，減少熱變形對(duì)設(shè)備間夾角穩(wěn)定性的影響。

研制過(guò)程中一體化支架、載荷艙聯(lián)合相機(jī)共同開(kāi)展了熱穩(wěn)定試驗(yàn)，如圖10所示，通過(guò)在試驗(yàn)對(duì)象上制造溫度拉偏，測(cè)量各種溫度工況下載荷艙結(jié)構(gòu)和一體化支架變形信息，獲得相機(jī)安裝面及相機(jī)夾角變化情況。依據(jù)載荷艙(含一體化支架)與相機(jī)組合體熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果、正樣一體化支架設(shè)計(jì)驗(yàn)收結(jié)果，修正有限元分析模型，開(kāi)展了正樣一體化支架前視相機(jī)和后視相機(jī)安裝面的穩(wěn)定性分析[7-8]。

圖10 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)Fig.10 Thermal stability test

根據(jù)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果和仿真分析結(jié)果綜合計(jì)算可知，成像期間前后視相機(jī)視軸夾角穩(wěn)定性為0.58″，可滿足成像期間前后視相機(jī)視軸夾角穩(wěn)定性優(yōu)于1″的指標(biāo)要求，一個(gè)標(biāo)定周期內(nèi)前后視相機(jī)視軸穩(wěn)定性預(yù)估為1.08″(見(jiàn)表2)。

表2 前后視相機(jī)視軸夾角穩(wěn)定性Table 2 Stability of the angle between the payloads (″)

3.4 星敏載荷一體化設(shè)計(jì)穩(wěn)定性分析與驗(yàn)證

為保證星敏感器與相機(jī)之間的夾角穩(wěn)定性，通過(guò)星敏感器支架設(shè)計(jì)和高精度溫控，要求成像期間夾角穩(wěn)定性應(yīng)優(yōu)于0.5″，在軌長(zhǎng)期(一個(gè)標(biāo)定周期內(nèi)對(duì)同一區(qū)域成像)夾角穩(wěn)定性優(yōu)于2″。

為保證星敏感器指向降低外熱流對(duì)星敏感器支架的影響，設(shè)計(jì)了星敏感器支架外罩，正樣相機(jī)熱平衡試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，平衡態(tài)溫度穩(wěn)定度0.06 ℃。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正熱分析模型，分析得出成像期間星敏感器夾角最大變化量為0.21″，一個(gè)標(biāo)定周期內(nèi)過(guò)同一緯度星敏感器夾角最大變化量為0.63″，滿足穩(wěn)定度要求，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 星敏感器支架溫度Table 3 Temperature of the star sensor bracket ℃

表4 星敏感器指向變化情況分析結(jié)果Table 4 Variation of the star sensor axis

3.5 總裝與測(cè)量實(shí)施性分析與驗(yàn)證

高分七號(hào)衛(wèi)星有效載荷布局在載荷艙，數(shù)傳分系統(tǒng)布局在服務(wù)艙，有效載荷與數(shù)傳分系統(tǒng)連接的電纜使用2711型電纜，這種電纜不能使用過(guò)渡插頭，若每次分艙必須斷開(kāi)所有該種電纜插頭，拆下電纜位于載荷艙的部分，為總裝和電測(cè)帶來(lái)多余工作量，降低衛(wèi)星總裝測(cè)試效率。衛(wèi)星采用兩艙對(duì)接狀態(tài)下的總裝方式，即取消兩艙分解總裝狀態(tài)。

在總裝過(guò)程中，衛(wèi)星兩艙外板不安裝，先進(jìn)行有精度要求設(shè)備的安裝及調(diào)測(cè)，然后再進(jìn)行艙內(nèi)設(shè)備安裝。星上有精度要求的設(shè)備主要為控制、推進(jìn)、有效載荷分系統(tǒng)設(shè)備。艙內(nèi)精測(cè)設(shè)備通過(guò)在外板設(shè)置相應(yīng)精測(cè)通路及轉(zhuǎn)移基準(zhǔn)即可滿足總裝測(cè)量需求。

雙線陣相機(jī)與激光測(cè)高儀的安裝屬于大質(zhì)量、大尺寸、高精度、小空間的星上產(chǎn)品裝配，總裝提出了機(jī)器人結(jié)合柔性力控的解決方案，建立了重型機(jī)器人精密裝配系統(tǒng)，并對(duì)前后視相機(jī)及激光測(cè)高儀進(jìn)行了數(shù)次裝星操作，保證了雙線陣相機(jī)與激光測(cè)高儀安裝精度1′的要求。

衛(wèi)星整個(gè)衛(wèi)星總裝、集成和測(cè)試過(guò)程中均順利完成，驗(yàn)證了構(gòu)型布局設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)論

本文分析總結(jié)了高分七號(hào)衛(wèi)星構(gòu)型總裝特點(diǎn)，介紹了基于載荷共基準(zhǔn)的衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)方案，有效滿足了衛(wèi)星指標(biāo)及總裝需求。結(jié)果表明：①衛(wèi)星載荷共基準(zhǔn)構(gòu)型成像期間，前后視相機(jī)視軸夾角穩(wěn)定性為0.58″，可滿足成像期間前后視相機(jī)視軸夾角穩(wěn)定性優(yōu)于1″的指標(biāo)要求；成像期間星敏感器夾角最大變化量為0.21″，滿足星敏感器成像期間夾角穩(wěn)定性應(yīng)優(yōu)于0.5″的指標(biāo)要求；②衛(wèi)星采用模塊化的“π”平臺(tái)分艙段構(gòu)型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)艙在后續(xù)星的繼承使用，增強(qiáng)了平臺(tái)的強(qiáng)適應(yīng)性；③衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)的合理性與正確性，在衛(wèi)星總裝與測(cè)量、綜合測(cè)試、力/熱試驗(yàn)考核、衛(wèi)星發(fā)射與在軌運(yùn)行等各階段均得到了驗(yàn)證，亦為我國(guó)后續(xù)高精度測(cè)繪衛(wèi)星的構(gòu)型布局設(shè)計(jì)提供了參考。