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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某型號衛(wèi)星微振動試驗研究及驗證

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)計部，北京 100094）

某型號衛(wèi)星地面像元分辨率優(yōu)于1m，對成像質(zhì)量要求很高。微振動成為制約該型號成像質(zhì)量提升的關(guān)鍵因素之一。在完成微振動對成像質(zhì)量影響的仿真分析后，對仿真分析的有效性和正確性進行了試驗驗證。該衛(wèi)星微振動試驗按照單機、分系統(tǒng)、系統(tǒng)和大系統(tǒng)4個層次展開：單機級試驗主要通過六分量力測量微振動源的動態(tài)特性；分系統(tǒng)級試驗主要通過結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)測量解決微振動傳遞特性是否正確的問題；系統(tǒng)級試驗主要通過成像質(zhì)量來驗證微振動對光學(xué)系統(tǒng)影響的分析方法；大系統(tǒng)級試驗主要通過在軌圖像分析驗證相關(guān)結(jié)論。上述試驗對微振動從產(chǎn)生、傳遞到影響的各個環(huán)節(jié)進行了測試和驗證。最終試驗結(jié)果表明微振動相關(guān)工作達到預(yù)期目的，圖像質(zhì)量得到保證。

微振動；地面試驗；在軌測試；成像質(zhì)量；遙感衛(wèi)星

0 引言

微振動是指航天器在軌運行期間，由于其上設(shè)備（如動量輪等高速轉(zhuǎn)動部件、太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)等步進部件、紅外相機擺鏡等擺動部件等）正常工作時造成的航天器頻帶較寬、幅度較小的往復(fù)運動[1]。隨著遙感衛(wèi)星地面像元分辨率等性能指標越來越高，微振動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)的指標也有較大幅度提升。為研究微振動對該衛(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、仿真和評估工作。為保證微振動源、微振動傳遞和微振動對光學(xué)系統(tǒng)影響的數(shù)學(xué)模型的有效性、可靠性和準確性，仍需開展必要的試驗進行驗證。

國外在微振動試驗領(lǐng)域開展了很多嘗試[2-4]，

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

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

1 總體方案

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

微振動試驗的總體方案和流程如圖1所示。微振動試驗分為單機級、分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級和大系統(tǒng)級4個層次。

圖1 微振動試驗總體方案

單機級試驗主要包括星上的4種微振動源和微振動隔振器的試驗。微振動源的試驗?zāi)康氖峭ㄟ^試驗了解微振動源動態(tài)特性，包括微振動源產(chǎn)生力和力矩的幅值大小和頻率分布，對仿真分析使用的微振動激勵進行驗證，以確保微振動對成像質(zhì)量影響的仿真分析在輸入端是正確的。微振動隔振器的試驗?zāi)康氖球炞C其設(shè)計以確保滿足相關(guān)指標要求，能夠?qū)ξ⒄駝釉串a(chǎn)生的力和力矩進行衰減，確保傳遞到結(jié)構(gòu)上的力和力矩滿足需求。

分系統(tǒng)級微振動試驗包括兩個方面。一是針對微振動源主要安裝位置——動量輪板的局部傳遞特性進行試驗驗證，根據(jù)試驗結(jié)果對仿真分析模型中動量輪的局部有限元模型進行驗證和修正，以確保該部分傳遞特性符合真實情況。二是利用結(jié)構(gòu)星進行針對整個衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的傳遞特性試驗。該試驗包含了微振動傳遞路徑上的絕大部分真實結(jié)構(gòu)（相機為結(jié)構(gòu)相機）。通過該試驗可對微振動通過振源安裝位置經(jīng)過動量輪安裝板、承力筒、服務(wù)艙結(jié)構(gòu)、相機轉(zhuǎn)接板、相機支撐結(jié)構(gòu)到相機主承力結(jié)構(gòu)的整個傳遞路徑進行測試。測試結(jié)果用于整星有限元模型的驗證和修正，以確保微振動的全部結(jié)構(gòu)傳遞特性符合真實情況。

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

大系統(tǒng)級試驗是在衛(wèi)星發(fā)射成功后，利用在軌測量的方法開展的微振動試驗。其中，在微振動源、微振動隔振器、相機安裝位置等關(guān)心位置安裝微振動傳感器，將測量得到的數(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)星真實工作情況下的微振動源、微振動隔振器和微振動傳遞的基本特性。通過對衛(wèi)星相機所獲取的真實圖像進行分析，即可了解微振動對圖像質(zhì)量的影響情況。

通過上述4個層次的微振動試驗，對該型號衛(wèi)星的微振動源、微振動隔振器、微振動結(jié)構(gòu)傳遞以及最終的成像質(zhì)量進行全面系統(tǒng)的測試，以有效驗證相關(guān)仿真、分析和設(shè)計的結(jié)果，保障型號圖像質(zhì)量清晰、準確和可靠。

2 微振動試驗方法

2.1 單機級微振動源動態(tài)特性試驗

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

圖2 微振動源試驗方法

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

對于太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)和天線驅(qū)動機構(gòu)的微振動試驗，除利用六分量測力平臺進行微振動源安裝面的力和力矩測量外，還應(yīng)設(shè)計合理的重力卸載工裝，同時驅(qū)動機構(gòu)應(yīng)連接合理的驅(qū)動部件（如太陽電池陣）的模擬件，以模擬驅(qū)動機構(gòu)和驅(qū)動部件動態(tài)特性之間的耦合特性。

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

2.2 分系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)傳遞動態(tài)特性試驗

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

圖3 動量輪板試驗示意圖

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

整星微振動試驗如圖4所示。微振動試驗的關(guān)鍵技術(shù)之一是對邊界條件的模擬。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)星底部安裝一個支撐剛度較低的支撐結(jié)構(gòu)用于抵消重力的影響，同時支撐結(jié)構(gòu)的一階頻率足夠低（低于關(guān)心最低頻率的1/5，一般要求達到1/10）；此外除6個低階支撐頻率外，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)星試驗選用了懸吊的方式。實測結(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，可以認為其一階頻率低于動量輪微振動頻率（24Hz左右）的1/5，基本滿足工程要求。

圖4 整星微振動試驗示意圖

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

2.3 系統(tǒng)級微振動對光學(xué)系統(tǒng)影響特性試驗

系統(tǒng)級微振動光學(xué)系統(tǒng)影響試驗是一個系統(tǒng)級的涉及微振動源、結(jié)構(gòu)傳遞和光學(xué)成像的微振動試驗。試驗系統(tǒng)原理如圖5所示，此時采用地面彈性支撐工裝，其頻率為8Hz左右。

試驗系統(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)相機內(nèi)。為支撐反射鏡還需使用反射鏡支架。

圖5 系統(tǒng)級微振動試驗示意圖

2.4 大系統(tǒng)級微振動在軌試驗

該衛(wèi)星搭載了力學(xué)參數(shù)測量子系統(tǒng)，通過加速度傳感器可對星上關(guān)心位置的加速度響應(yīng)進行測量。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進行儲存，在合適時機通過數(shù)傳系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳回地面。為對微振動進行在軌測量，星上共布置了6個高精度加速度傳感器，分別位于CMG安裝界面、微振動隔振器安裝界面、動量輪支架安裝界面、太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)支架安裝界面、數(shù)傳天線安裝界面和相機安裝界面。衛(wèi)星在軌飛行期間，通過地面指令使力學(xué)參數(shù)測量子系統(tǒng)工作，采集并存儲加速度傳感器的信號。在具有數(shù)傳通道時下傳所有測量數(shù)據(jù)。利用該數(shù)據(jù)可得到：CMG在軌工作情況下微振動造成的安裝界面加速度響應(yīng)；微振動隔振器工作狀態(tài)時其上、下的加速度響應(yīng)；動量輪在軌工作情況下微振動造成的安裝界面加速度響應(yīng)；太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)工作造成的安裝界面加速度響應(yīng)；數(shù)傳天線驅(qū)動機構(gòu)工作造成的安裝界面加速度響應(yīng)；各種微振動源工作造成的相機安裝界面加速度響應(yīng)。

3 微振動試驗結(jié)果分析

3.1 單機級微振動源動態(tài)特性試驗

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

表1 CMG時域試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對時域數(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結(jié)果（圖6）看，CMG各個方向擾動的諧波十分明顯，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 典型微振動源（CMG）動態(tài)特性測試的功率譜密度