微波成像儀掃描轉動對衛星姿態的影響分析和控制實現

呂利清,翁藝航,史耀強

(上海航天電子技術研究所,上海 201109)

0 引言

微波成像儀是一種具有固定視角的機械圓錐掃描全功率型微波輻射計,可在多個特定頻率上接收來自地球表面和大氣的水平及垂直兩個極化的電磁輻射,進行數字化處理后通過衛星傳輸到地面形成偽彩色圖像,并反演出降雨、云和大氣中水汽含量、土壤濕度、海溫、海冰、雪覆蓋及海面油污等分布,對提高天氣預報的準確性,特別是預報臺風、暴雨等自然災害,減少損失,保證航空、航海安全有重大作用。我國首次研制的微波成像儀是機電熱一體的衛星有效載荷,系統功能復雜,轉體質量大,高度大,掃描轉動極易對衛星姿態穩定性產生干擾。為確保衛星姿態穩定性,研制時在地面必須對轉體的穩定性和平衡性進行預先控制。但衛星入軌后,由于重力效應和風阻環境的變化,轉體運動穩定性、干擾效應相對地面狀態發生變化,對衛星的姿態控制產生干擾。這些干擾會影響衛星平臺的姿態。因此,須按更復雜的空間動力學環境進行分析設計和控制,確保衛星姿態穩定度[1]。

本文介紹了微波成像儀掃描運動方式,分析了微波成像儀掃描運動對衛星姿態穩定性的影響,提出了微波成像儀掃描運動穩定性控制方法,給出了過程控制方法及在軌驗證效果。

1 微波成像儀結構和掃描運動方式

微波成像儀由探測頭部、冷空反射鏡、配電單元、中央處理器、火工品控制器和掃描驅動控制器等組成。在衛星入軌發射時,微波成像儀處于收攏狀態(如圖1所示),固定安裝于衛星頭部,外包絡滿足火箭整流罩要求。衛星入軌后,微波成像儀天線展開機構展開,熱反射鏡抬升,掃描啟動,進入在軌工作模式。微波成像儀的在軌展開工作狀態如圖2所示。

圖1 微波成像儀收攏發射狀態Fig.1 MWRI folded status for launch

圖2 微波成像儀展開工作狀態Fig.2 MWRI deployed status in work

為實現天線波束對地圓錐掃描和極化信息觀測,微波成像儀采用了電機驅動轉動體掃描的運動方式。轉動體安裝有天線及展開機構、輻射測量通道、數據采編測量裝置和工作電源等,轉動體質量約60 kg。為補償轉動體旋轉產生的動量矩,在微波成像儀的底部設計了補償飛輪。另外,為滿足衛星發射需要,微波成像儀設有天線展開機構和轉動體鎖緊裝置。衛星入軌后,根據指令,天線展開、轉動體解鎖并與電機驅動軸相連,建立在軌工作狀態[2]。

2 微波成像儀掃描運動對衛星姿態穩定性的影響

2.1 轉動體質心偏移(靜不平衡)

理想狀態的轉動體質心(設計目標)應在轉動軸上。若轉動體質心不在轉動軸線上,則當其轉動時,其偏心質量就會產生離心慣性力,從而在運動副中引起附加動壓力,稱為靜不平衡。實際工程研制中,有多種原因會引起轉動體質心偏離轉軸。其中：一類為可控因素,包括電單機元器件質量分布不均的影響,零部件加工精度和轉動體集成安裝精度的影響等,該類影響可在轉動體狀態建立后,通過試驗測量進行調整控制;另一類因素具隨機性,包括天線展開到位精度、轉動體解鎖后軸系精度等,此類影響發生在衛星入軌后,引起轉動質心偏離轉軸,產生相對衛星的偏心力矩

式中：Ur為靜不平衡量;m為轉動體質量;r為轉動體等效質心偏移即轉動體質心偏離轉軸的距離。

2.2 轉動體動平衡(偶不平衡)

轉動體質心調整到轉動軸上時,其偏心合力為零。但由于各偏心質量在轉動時所產生的離心慣性力不在同一回轉平面內,所形成的慣性力偶仍使轉動體處于不平衡狀態。此種不平衡僅在轉動體運動時才可顯示,成為偶不平衡,即r=0,Jxz≠0,Jyz≠0,Jxz,Jyz為主矩(繞z軸的慣性積),偏心力產生的力偶矩同樣會對衛星的姿態產生影響[3]。

轉動體常為靜偶混合不平衡,轉動時偏心力合成為一個合力和一個力偶(力矩),即構成靜不平衡量Ur和偶不平衡量Pr,它們產生的力矩不在同一軸向平面內,故需在2個或2個以上平面進行配平。

2.3 微波成像儀掃描運動不平衡對衛星姿態穩定性的影響

2.3.1 分析方法

微波成像儀安裝于衛星平臺上,如圖3所示。

圖3 微波成像儀及衛星平臺Fig.3 MWRI and satellite

根據多體系統動力學理論,用ADAMS軟件分析微波成像儀掃描運動不平衡對衛星姿態穩定性的影響。根據衛星在軌工作狀態,模擬衛星工作環境。另外,將整個衛星視為多剛體系統,分為部件、約束和力三部分。在ADAMS軟件中建模并添加合適的約束,輸入衛星與微波成像儀的質量與慣量,將微波成像儀的運動作為衛星平臺的載荷(激勵)。ADAMS軟件根據機械系統模型,自動建立系統的拉格朗日方程,對每個剛體,列出6個廣義坐標帶乘子的拉格朗日方程即相應的約束方程為

式中：qj為系統的廣義坐標;Fj為廣義坐標方向的廣義力;Ψi為系統的約束方程;λi為m×1維的拉格朗日乘子列陣;i=1,2,…,m;K為動能,包括平動動能和轉動動能,對本系統而言,只有微波成像儀轉動形成的轉動動能,

此處：ωx,ωy,ωz分別為微波成像儀繞x、y、z軸轉動的角速度(其中ωx,ωy為0);Jxx,Jxy,Jyy,Jxz,Jyz,Jzz分別為微波成像儀轉動部分繞x、y、z軸的轉動慣量和慣性積。

ADAMS求解該動力學方程時采用變系數的向后微分公式(BDF)剛性積分程序,它屬于自動變階、變步長的預估校正法(PECE),積分的每步采用了修正的Newton-Raphson迭代算法[4]。

2.3.2 微波成像儀掃描不平衡控制要求(目標)確認

衛星總體根據姿態穩定度控制目標,提出了微波成像儀掃描殘余不平衡控制要求：靜、偶不平衡量分別不大于0.017 kg?m,0.015 kg?m2。用ADAMS軟件進行仿真分析,在目標狀態下微波成像儀掃描轉動對衛星的干擾力矩為0.43 N?m,衛星姿態角速度最大為0.001 5(°)/s。能滿足衛星的姿態穩定度要求。

3 微波成像儀掃描平衡狀態控制

根據控制目標,以及合微波成像儀結構特點和研制流程,設計了微波成像儀掃描平衡狀態的控制流程為天線靜平衡控制→天線展開精度控制→轉動體動平衡控制→整機動平衡控制。

3.1 天線靜平衡控制

天線是一個偏置拋物面,存在固有的質心偏移。天線安裝在轉動體的頂部,對轉動不平衡影響較大,故對其實行靜平衡控制?？刂品椒椋涸陟o平衡機上測量天線的質心位置,通過在特定位置上的質量調配,將天線的質心偏移量調整到許可范圍,減少天線對展開機構和轉動體的影響,完成轉動體最高平面的配平。

3.2 天線展開到位精度控制

天線展開動作發生在衛星入軌后,天線展開到位精度關系機構的角度位置,影響轉動體動平衡狀態。研制時須確保天線展開到位精度。天線展開到位精度由設計、制造和裝調保證,天線展開到位精度控制確認方法為：微波成像儀總裝完成后對天線進行多次展開到位后的形位精度測量,控制展開到位后的形位精度在許可范圍內。

3.3 轉動體動平衡控制

微波成像儀轉動體動平衡控制在轉動體總成狀態確定后進行?？刂品椒椋涸趧悠胶鈾C上測量轉動體動平衡狀態,通過在特定位置上的質量調配,消除由加工誤差和轉動體集成過程偏差造成的動不平衡,將轉動體靜不平衡量、偶不平衡量調整到控制目標范圍內。

3.4 整機動平衡狀態控制

在完成轉動體動平衡控制后,將轉動體安裝至微波成像儀整機,進行整機動平衡試驗。試驗控制方法為：將微波成像儀安裝于動平衡機上,模擬在軌工作過程,展開天線,解鎖轉動體,啟動掃描,測量掃描動平衡狀態。需要時可進行調配,將整機靜不平衡量和偶不平衡量控制在目標范圍內[5]。

3.5 微波成像儀掃描平衡狀態控制效果

經過上述控制流程,發射前的微波成像儀整機動平衡狀態見表1。

表1 微波成像儀整機動平衡狀態(掃描周期1.7 s)Tab.1 Dynamic balance status of MWRI(scan period 1.7 s)

根據微波成像儀整機動平衡試驗結果,用ADAMS軟件分析了微波成像儀對整星的擾動力矩以及姿態控制的影響,結果為掃描轉動對衛星的干擾力矩0.35 N?m,衛星姿態角速度0.001 3(°)/s,滿足整星姿態穩定度的要求。

4 在軌驗證

衛星發射入軌,微波成像儀開機,衛星姿態穩定度測試結果見表2。由表可知：在各掃描模式下均滿足姿態穩定度0.008(°)/s的控制目標。

另由表2可知：在軌測試數據與發射前的分析結果相符,但局部區域存在較大差異。分析后認為這是在特定區域微波成像儀的掃描頻率與衛星太陽電池陣撓性耦合振動引起的,可通過提高太陽電池陣的固有頻率避開微波成像儀的掃描頻率。

表2 衛星在軌姿態穩定度Tab.2 Satellite attitudestability on orbit

5 結束語

本文對微波成像儀掃描轉動時對衛星姿態的影響進行了分析,并對其掃描平衡狀態的控制進行了研究。在軌測試數據表明：微波成像儀動平衡控制有效,達到了預期的姿態穩定度控制要求。

[1]劉 蕊,王 平,呂振鐸.星上運動部件對氣象衛星姿態影響的研究[J].中國空間科學技術,2005,25(6)：1-7.

[2]呂利清.星載微波成像儀的掃描問題[J].上海航天,1994,11(6)：37-39.

[3]申永勝.機械原理教程[M].北京：清華大學出版社,2005.

[4]王國強,張進平,馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業大學出版社,2002.

[5]劉 軍,廖明夫,翁藝航.微波成像儀低速動平衡[J].噪聲與振動控制,2009,10(5)：90-92.