龐世偉,郭倩蕊,賀 瑋,關(guān) 暉,潘 騰
(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)
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]。
微振動(dòng)具有微小性、固有性和難控性。1)微小性是指微振動(dòng)能量小。與發(fā)射段相比,微振動(dòng)導(dǎo)致的應(yīng)變至少小1個(gè)量級,不會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞。這是很多航天器設(shè)計(jì)忽略其影響的原因。2)固有性是指微振動(dòng)是由微振動(dòng)源正常工作引起的,是微振動(dòng)源的固有特性。除非不使用該類微振動(dòng)源,否則微振動(dòng)影響始終存在。3)難控性是指微振動(dòng)幅值小、頻帶寬,姿態(tài)控制系統(tǒng)難以測量,無法通過單一手段進(jìn)行全頻段控制,通常需要多種手段組合,必要時(shí)還要引入地面處理。
隨著分辨率等性能指標(biāo)要求越來越高,光學(xué)相機(jī)等敏感設(shè)備對微振動(dòng)的敏感度也不斷增加。微振動(dòng)對成像質(zhì)量的影響漸已成為制約高分辨率遙感衛(wèi)星等高性能航天器成敗的關(guān)鍵因素[2-7]。
如果以1 m分辨率作為判定是否為高分辨率的界限,某型號衛(wèi)星是我國第一顆民用高分辨率對地觀測傳輸型遙感衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載的光學(xué)相機(jī)焦距達(dá)7.8 m,星下點(diǎn)地面像元分辨率優(yōu)于1 m。長焦距和高分辨率決定了該相機(jī)對衛(wèi)星微振動(dòng)環(huán)境更加敏感,必須通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證手段確定微振動(dòng)對圖像質(zhì)量的影響程度,決定是否采取必要措施以保證型號任務(wù)圓滿完成。
根據(jù)衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案,星上存在的微振動(dòng)源主要為動(dòng)量輪(RW)、控制力矩陀螺(CMG)、太陽電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(SADA)和數(shù)傳天線。
該衛(wèi)星上裝有4個(gè)RW和3個(gè)CMG,均位于動(dòng)量輪安裝板上,安裝板則位于衛(wèi)星中心承力筒內(nèi)底部端框上。該衛(wèi)星共有2個(gè)太陽電池陣,2個(gè)SADA分別安裝在服務(wù)艙+Y和-Y頂板上,在衛(wèi)星飛行過程中驅(qū)動(dòng)太陽電池陣?yán)@星體y軸旋轉(zhuǎn),以有效實(shí)現(xiàn)太陽電池陣對日定向。該衛(wèi)星共有2個(gè)數(shù)傳天線組件,都安裝在載荷艙+Y艙頂板上,每個(gè)天線均可分別繞星體x軸和y軸雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)對地傳輸。
根據(jù)前期地面試驗(yàn)結(jié)果,上述微振動(dòng)源能量較小。如圖1所示,在目前工作轉(zhuǎn)速下,RW對其安裝面的最大擾動(dòng)力<5 N,擾動(dòng)力矩<0.5 N·m;CMG由于轉(zhuǎn)速高,擾動(dòng)相對較大,對其安裝面的最大擾動(dòng)力可達(dá)25 N,最大擾動(dòng)力矩可達(dá)3.5 N·m。SADA和數(shù)傳天線在有無負(fù)載情況下微振動(dòng)差別很大,由于地面試驗(yàn)條件限制,對這兩類微振動(dòng)源現(xiàn)在還沒有比較可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù),但從一些模擬負(fù)載試驗(yàn)情況看,因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于RW和CMG,所以其擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩明顯小于RW和CMG的。上述微振動(dòng)源的覆蓋頻率范圍均很寬,在目前工作轉(zhuǎn)速下:RW主要擾動(dòng)頻率包括33、67、100、140和220 Hz等,還有較強(qiáng)的寬帶噪聲;CMG主要擾動(dòng)頻率包括100、120、180、200、300 Hz等;SADA 和數(shù)傳天線的微振動(dòng)能量主要集中在0.2~20 Hz低頻段內(nèi)。由于微振動(dòng)幅值小、頻率范圍寬,所以控制系統(tǒng)難以測量和控制,僅能對其控制帶寬(<0.1 Hz)內(nèi)的微振動(dòng)成分有一定抑制作用,無法覆蓋其他頻段。根據(jù)目前認(rèn)識水平,微振動(dòng)及其通過結(jié)構(gòu)傳遞主要影響該衛(wèi)星上相對敏感的光學(xué)設(shè)備,對其他設(shè)備工作無影響[8-10]。
SADA產(chǎn)生微振動(dòng)的主要原因有兩個(gè):一是在SADA驅(qū)動(dòng)太陽電池陣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于太陽電池陣的質(zhì)心不在其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上,導(dǎo)致擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩的產(chǎn)生;二是SADA的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī),在步進(jìn)過程中引入類似脈沖的激勵(lì),激勵(lì)太陽電池陣振動(dòng)從而給整星帶來影響。
數(shù)傳天線的微振動(dòng)產(chǎn)生原理與SADA的類似,主要差別在于:SADA是單軸單自由度轉(zhuǎn)動(dòng),數(shù)傳天線是雙軸雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng)??偟膩碇v,太陽電池陣基頻較低,因此其微振動(dòng)主要頻率分量的低頻部分多些,而數(shù)傳天線的高頻部分相對多些。
在后面微振動(dòng)對圖像質(zhì)量的影響分析中:RW和CMG微振動(dòng)使用地面實(shí)測結(jié)果;而由于SADA和數(shù)傳天線微振動(dòng)的地面實(shí)測很困難,故以數(shù)值仿真結(jié)果代替。
圖1 RW和CMG的擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩Fig.1 The force and moment of disturbance of a RW and a CMG
采用有限元分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。有限元法描述的衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型[11]為
式中:qs為狀態(tài)空間模型的狀態(tài)向量;I為單位陣;Ω和Z分別為以式(2)中的λr(r=1,··,n)和?r(r=1,··,n)為對角元素的固有頻率矩陣和阻尼矩陣;y為和姿態(tài)相關(guān)的響應(yīng)輸出;z為敏感載荷的性能輸出;βu和βw分別為控制和微振動(dòng)輸入的參與因子;Cyx和分別為和姿態(tài)相關(guān)的位移和速度的輸出參與因子;Czx和分別為和敏感載荷相關(guān)的位移和速度的輸出參與因子;u為結(jié)構(gòu)傳遞模型中的控制輸入;w為結(jié)構(gòu)傳遞模型中的微振動(dòng)輸入;As、Bu、Bw、Cy、Dyu、Dyw、Cz、Dzu、Dzw分別為各對應(yīng)矩陣的簡化表示。有限元方法無法直接模擬結(jié)構(gòu)阻尼特性,因此使用模態(tài)阻尼比的經(jīng)驗(yàn)值:將結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比取0.004,用于隔振的桁架處模態(tài)阻尼比取0.05。
建立整星的有限元模型如圖2所示,其中共有約20 000個(gè)節(jié)點(diǎn)和20 000個(gè)單元。模型中將承力筒、太陽電池陣及其他蜂窩板簡化為復(fù)合材料板單元,動(dòng)量輪安裝板等金屬結(jié)構(gòu)簡化為板單元,加強(qiáng)筋和對接框等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡化為梁單元。整星有限元模型的邊界條件定義為自由-自由,模擬衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)。
圖2 整星有限元模型Fig.2 FE model of the satellite
控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)傳遞特性上增加了閉環(huán)回路,限制了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的剛體自由度,其作用相當(dāng)于增加了一個(gè)高通濾波器??刂葡到y(tǒng)作用下,擾動(dòng)低頻段的能量將受到限制,結(jié)構(gòu)中高頻段響應(yīng)成為影響系統(tǒng)性能的主要因素。因此,研究微振動(dòng)對相機(jī)視軸的影響,必須考慮控制系統(tǒng)的作用。在仿真分析中姿態(tài)控制近似為3個(gè)平行的PD二階濾波器,其模型[12]可表述為
式中:Kp和Kd分別為微分和比例增益;ξl和ωl分別為濾波器的阻尼比和轉(zhuǎn)折頻率,ωl在基頻的1個(gè)倍頻程之下。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后可獲取整星機(jī)械坐標(biāo)系下的控制系統(tǒng)模型。上述模型基本可全面反映控制系統(tǒng)對整星指向的影響。
寫成狀態(tài)空間的形式:
其中:qc是狀態(tài)變量;u是控制模型輸出的控制力矩;Ac是系統(tǒng)矩陣;Bc是輸入矩陣;Cc是輸出矩陣;Dc是與輸入相關(guān)的輸出矩陣。
對該衛(wèi)星,微振動(dòng)主要影響2臺(tái)光學(xué)相機(jī)的成像質(zhì)量,具體為:
1)微振動(dòng)造成光學(xué)相機(jī)內(nèi)部光學(xué)器件(主鏡、二鏡、折鏡等)間相對運(yùn)動(dòng),主要表現(xiàn)為視軸(line-of-sight, LOS)晃動(dòng)以及不同視場LOS相對晃動(dòng);
2)微振動(dòng)導(dǎo)致航天器姿態(tài)小幅變化,也表現(xiàn)為LOS晃動(dòng);
3)微振動(dòng)造成光學(xué)相機(jī)主鏡等光學(xué)元件鏡面振動(dòng),主要表現(xiàn)為面型的波像差增大。
從目前研究成果看,LOS晃動(dòng)主要影響圖像質(zhì)量,不同視場的LOS相對晃動(dòng)會(huì)造成圖像畸變。微振動(dòng)能量很小,光學(xué)相機(jī)主鏡等光學(xué)元件剛度很大,且與承力結(jié)構(gòu)相連,并有應(yīng)力卸載環(huán)節(jié),因此微振動(dòng)對鏡面面型的影響十分微小,可不予考慮。此外,航天器姿態(tài)變化帶來的LOS晃動(dòng),可利用控制系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行約束,因此,本文重點(diǎn)分析微振動(dòng)造成光學(xué)相機(jī)內(nèi)部光學(xué)器件相對運(yùn)動(dòng)帶來的LOS晃動(dòng),主要分析由于中心視場LOS晃動(dòng)造成的圖像質(zhì)量下降以及不同視場LOS相對晃動(dòng)造成的圖像畸變。
本文中,LOS定義為:將主鏡、折鏡等光學(xué)組件等效為一個(gè)透鏡,在某視場上一理想物點(diǎn)通過該透鏡在焦平面上成像,物點(diǎn)與像點(diǎn)的參考球球心之間的連線即LOS;LOS晃動(dòng)定義為:微振動(dòng)令光學(xué)組件在其理想位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng),造成像點(diǎn)隨著光學(xué)組件運(yùn)動(dòng)而在焦平面上運(yùn)動(dòng),相機(jī)照相期間,所有積分時(shí)間內(nèi)任意時(shí)刻的LOS與理想狀態(tài)下LOS之間夾角的最大值與最小值之差(峰-峰值)即LOS晃動(dòng)指標(biāo)。
根據(jù)線性光學(xué)理論可推出如下將光學(xué)元件振動(dòng)與光學(xué)系統(tǒng)LOS晃動(dòng)聯(lián)系起來的數(shù)學(xué)模型[13-14]:
式中:LOSx和LOSy分別為視軸在焦面x和y方向晃動(dòng)角度;δ為平動(dòng);α為轉(zhuǎn)動(dòng);下標(biāo)P、S和T分別表示主鏡、輔鏡和三鏡;f1和M分別為光學(xué)系統(tǒng)的焦距和放大倍數(shù)。光學(xué)系統(tǒng)中的主鏡、輔鏡和三鏡及坐標(biāo)系定義如圖3所示。
圖3 光學(xué)系統(tǒng)模型Fig.3 Optical system model
由式(6)確定式(3)中與z相關(guān)的矩陣。
將式(3)寫成狀態(tài)空間形式:
將結(jié)構(gòu)傳遞模型和光學(xué)系統(tǒng)模型集成在一起,形成結(jié)構(gòu)-光學(xué)模型;再通過公式
將控制系統(tǒng)模型與結(jié)構(gòu)-光學(xué)模型集成在一起,形成結(jié)構(gòu)-光學(xué)-控制模型。該模型的輸入是微振動(dòng)源產(chǎn)生的力和力矩,w;輸出是光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能,z。
結(jié)合衛(wèi)星成像工作模式及微振動(dòng)源起作用的狀況,確定分析工況。RW和SADA在成像期間始終工作;數(shù)傳天線在實(shí)時(shí)成像實(shí)時(shí)數(shù)傳的模式下是成像期間工作,否則成像期間不工作;CMG僅在衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)過程中工作,而該衛(wèi)星沒有實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)實(shí)時(shí)成像工作模式,故成像期間CMG為待工作狀態(tài)。CMG待工作狀態(tài)下高速轉(zhuǎn)子繞高速軸轉(zhuǎn)動(dòng),低速軸鎖定。
綜上,該衛(wèi)星需要考慮的組合工作模式如表1所示。
表1 微振動(dòng)源組合模式Table 1 Modal analysis of micro-vibration
根據(jù)第2節(jié)方法分別建立仿真分析的數(shù)學(xué)模型。其中:公式(4)中濾波器的阻尼比和轉(zhuǎn)折頻率分別取0.707和0.04 Hz,微分和比例增益分別為6.27 N/(m·s)和1.78 N/m;光學(xué)模型中焦距為7.8 m,放大倍數(shù)為21.3。將有限元模型得到的頻率和振型矩陣導(dǎo)入MATLAB,然后根據(jù)上述參數(shù)和公式建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,利用MATLAB線性系統(tǒng)求解函數(shù)求解。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)給出的指標(biāo)要求,相機(jī)LOS晃動(dòng)不超過0.035″。
3.2.1 不同微振動(dòng)源單獨(dú)作用時(shí)的影響
假設(shè)僅有一種微振動(dòng)源工作,研究不同微振動(dòng)源單獨(dú)作用時(shí)對LOS晃動(dòng)的影響,計(jì)算結(jié)果如表2所示,其中:LOS1和LOS2分別表示第1臺(tái)和第2臺(tái)相機(jī)的LOS晃動(dòng);下標(biāo)x和y表示相機(jī)焦平面的方向,對圖像而言,x和y分別為整星機(jī)械坐標(biāo)系x向和y向。
表2 不同微振動(dòng)源對 LOS 晃動(dòng)的影響Table 2 Influence of different micro-vibration sources on LOS jitter
從表2可見,4種微振動(dòng)源單獨(dú)作用時(shí),CMG對LOS的影響最大,其次為RW,再次為數(shù)傳天線,最后為SADA。從分析結(jié)果看,SADA、數(shù)傳天線和RW正常工作均不影響成像質(zhì)量,而CMG正常工作時(shí)會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量。
3.2.2 微振動(dòng)結(jié)構(gòu)傳遞特性
微振動(dòng)結(jié)構(gòu)傳遞特性從兩方面考慮:一是不同微振動(dòng)源安裝位置對LOS的影響;二是微振動(dòng)經(jīng)過結(jié)構(gòu)傳遞,在不同位置的響應(yīng)變化。
首先僅使用1個(gè)CMG作為微振動(dòng)源,將其分別放在動(dòng)量輪安裝板和相機(jī)安裝板(鑄鎂底板)上,對應(yīng)遠(yuǎn)離相機(jī)和接近相機(jī)兩種情況,研究這兩種情況下的LOS晃動(dòng),結(jié)果如表3所示??梢?,微振動(dòng)源越靠近相機(jī),其對LOS影響越大。因此在構(gòu)型布局上應(yīng)盡量使微振動(dòng)源遠(yuǎn)離相機(jī),以增加中間傳遞路徑對微振動(dòng)的衰減作用。
表3 不同部位微振動(dòng)對 LOS 晃動(dòng)的影響Table 3 Influence of micro-vibration in different places on LOS jitter
其次,研究相同微振動(dòng)源作用下,衛(wèi)星不同部位的響應(yīng)。分別考慮了主鏡中心點(diǎn)、相機(jī)主結(jié)構(gòu)、承力筒頂部和動(dòng)量輪安裝板,結(jié)果如表4所示。可見,該衛(wèi)星目前的構(gòu)型較有效地降低了傳遞到相機(jī)的微振動(dòng)響應(yīng),其中:動(dòng)量輪安裝板處加速度響應(yīng)最大,最大約0.09g;經(jīng)過承力筒傳遞后,微振動(dòng)衰減,在承力筒頂部僅為0.009g,降低1個(gè)量級;再傳遞到相機(jī)主結(jié)構(gòu),響應(yīng)又下降約1個(gè)量級,最大為0.001 5g。由于相機(jī)主結(jié)構(gòu)和主鏡剛度很大,主鏡直接連接在主結(jié)構(gòu)上,所以主鏡中心的響應(yīng)與相機(jī)主結(jié)構(gòu)的響應(yīng)非常接近,最大為0.001 4g。
表4 微振動(dòng)造成的結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度方差Table 4 Responses of different parts of the structure
3.2.3 微振動(dòng)對LOS影響的時(shí)域分析
根據(jù)表1中的4種工作模式分別進(jìn)行微振動(dòng)對LOS晃動(dòng)影響的時(shí)域仿真分析,結(jié)果如表5所示。
表5 微振動(dòng)對LOS晃動(dòng)影響的時(shí)域仿真結(jié)果Table 5 Time domain simulation results of micro-vibration influence on LOS jitter in different modes
將模式1與模式4相比可知,數(shù)傳天線對LOS晃動(dòng)的影響很小,實(shí)照實(shí)傳模式與正常照相模式相比差距不大,如果正常照相模式能滿足成像要求,實(shí)照實(shí)傳模式也能滿足。從模式2的3種不同低速框架角位置情況對比可知,框架角為45°時(shí)LOS晃動(dòng)最大??梢娫谛l(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)到不同位置時(shí),CMG微振動(dòng)的影響不盡相同,最大可達(dá)0.35″以上,這是在姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)須注意的一個(gè)問題。從模式1和模式3對比可見,太陽電池陣停轉(zhuǎn)前后,衛(wèi)星LOS晃動(dòng)變化很小,對成像質(zhì)量的影響微乎其微,僅靠照相期間停轉(zhuǎn)太陽電池陣并不能顯著改善微振動(dòng)對成像質(zhì)量的影響。綜上,在衛(wèi)星實(shí)際飛行各工作模式下,微振動(dòng)對成像質(zhì)量的影響主要是由CMG和RW引起。
3.2.4 微振動(dòng)對LOS影響的頻域分析
微振動(dòng)對LOS影響頻域分析的主要目的是分析微振動(dòng)對LOS影響較大的頻率,為微振動(dòng)源減隔振和結(jié)構(gòu)傳遞設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù),分析結(jié)果如圖4所示。從CMG分析結(jié)果可知,CMG對LOS影響的主要頻率為100 Hz。從RW分析結(jié)果可知,主要頻率分量是斜裝RW基頻的50 Hz、正裝RW的33 Hz以及100 Hz左右的諧波。因此在進(jìn)行微振動(dòng)源減隔振設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該主要針對上述幾個(gè)頻率開展。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度應(yīng)該盡量避免相機(jī)的固有頻率處于50 Hz和100 Hz附近,以免造成局部響應(yīng)過大而影響成像質(zhì)量。
圖4 RW和CMG單獨(dú)作用下LOS響應(yīng)的頻譜Fig.4 Frequency response spectrum of RW and CMG working seperately
3.2.5 微振動(dòng)對畸變的影響
該衛(wèi)星相機(jī)采用TDI CCD,因此僅考慮在線陣方向上的畸變。假設(shè)所有微振動(dòng)源工作,分別計(jì)算2臺(tái)相機(jī)中心視場的LOS和邊緣視場的LOS,通過二者之差評估微振動(dòng)造成的畸變大小。分析結(jié)果如表6所示。
表6 微振動(dòng)引起的畸變Table 6 Aberration resulted from micro-vibration
從表6可見,不同視場的LOS相對變化很小,因此,圖像畸變相對也很小,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜態(tài)情況下畸變設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求,可忽略不計(jì)。
根據(jù)仿真得到的LOS時(shí)域歷程,結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)仿真手段可進(jìn)行微振動(dòng)對成像質(zhì)量影響的圖像仿真演示。仿真中給CMG增加了25 Hz基頻的隔振器,以對比有無隔振器情況下的成像質(zhì)量,結(jié)果如圖5所示。兩個(gè)場景中,上面一行圖像均為無隔振效果,下面一行圖像均為有隔振效果。可見在初始設(shè)計(jì)沒有CMG隔振器的情況下,LOS晃動(dòng)超出指標(biāo)要求,圖像出現(xiàn)模糊的現(xiàn)象;增加了CMG隔振器后,LOS晃動(dòng)在指標(biāo)要求范圍之內(nèi),成像清晰,質(zhì)量較好。
圖5 微振動(dòng)對成像質(zhì)量影響的仿真演示Fig.5 Simulation of influence of micro-vibration on image quality
依照衛(wèi)星設(shè)計(jì)狀態(tài),分析結(jié)果表明:
1)微振動(dòng)單獨(dú)作用下,RW、SADA和數(shù)傳天線的微振動(dòng)對相機(jī)視軸的影響最大不超過0.020″,小于0.035″的指標(biāo)要求,不影響光學(xué)相機(jī)成像質(zhì)量;CMG微振動(dòng)的影響達(dá)到0.345″,超過0.035″的指標(biāo)要求1個(gè)量級左右,影響光學(xué)相機(jī)成像質(zhì)量。
2)正常飛行各工作模式下,CMG、RW、SADA和數(shù)傳天線組件等微振動(dòng)源共同作用下,相機(jī)LOS晃動(dòng)超過0.035″,會(huì)降低衛(wèi)星相機(jī)成像質(zhì)量,但對相機(jī)圖像畸變影響不超過0.001%,可忽略。
3)微振動(dòng)源中,影響最大的是CMG,必須采取隔振措施才能滿足相機(jī)成像要求。從目前仿真結(jié)果看,對CMG微振動(dòng)抑制至少要降低20 dB才可滿足要求。