某型號衛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，朱衛紅

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某型號衛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，朱衛紅

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

某型號衛星地面像元分辨率優于1m，對成像質量要求很高。微振動成為制約該型號成像質量提升的關鍵因素之一。在完成微振動對成像質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。該衛星微振動試驗按照單機、分系統、系統和大系統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特性；分系統級試驗主要通過結構加速度響應測量解決微振動傳遞特性是否正確的問題；系統級試驗主要通過成像質量來驗證微振動對光學系統影響的分析方法；大系統級試驗主要通過在軌圖像分析驗證相關結論。上述試驗對微振動從產生、傳遞到影響的各個環節進行了測試和驗證。最終試驗結果表明微振動相關工作達到預期目的，圖像質量得到保證。

微振動；地面試驗；在軌測試；成像質量；遙感衛星

0 引言

微振動是指航天器在軌運行期間，由于其上設備（如動量輪等高速轉動部件、太陽電池陣驅動機構等步進部件、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、幅度較小的往復運動[1]。隨著遙感衛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星系統性能提升的關鍵因素之一。

某型號衛星地面像元分辨率優于1m，定位精度等其他與光學系統相關的指標也有較大幅度提升。為研究微振動對該衛星成像質量的影響，基于集成建模技術開展了相關的建模、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系統影響的數學模型的有效性、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構傳遞開展了相關試驗[5-6]，尚未系統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用需求。

因此，本文在國內外研究成果基礎上，針對該型號具體需求，系統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據總結，再結合仿真分析給出最終在軌性能評估及在軌測試結果。

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量有影響，試驗驗證需要回答仿真分析結果是否可靠。

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、分系統級、系統級和大系統級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。微振動源的試驗目的是通過試驗了解微振動源動態特性，包括微振動源產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目的是驗證其設計以確保滿足相關指標要求，能夠對微振動源產生的力和力矩進行衰減，確保傳遞到結構上的力和力矩滿足需求。

分系統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，根據試驗結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。二是利用結構星進行針對整個衛星結構的傳遞特性試驗。該試驗包含了微振動傳遞路徑上的絕大部分真實結構（相機為結構相機）。通過該試驗可對微振動通過振源安裝位置經過動量輪安裝板、承力筒、服務艙結構、相機轉接板、相機支撐結構到相機主承力結構的整個傳遞路徑進行測試。測試結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構傳遞特性符合真實情況。

系統級試驗與分系統級試驗的主要差別在于增加了光學相機，可開展微振動源到光學最終成像的全鏈路微振動試驗。通過景物模擬器可產生理想靶標，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量的影響情況。

大系統級試驗是在衛星發射成功后，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、相機安裝位置等關心位置安裝微振動傳感器，將測量得到的數據通過數傳分系統傳遞到地面站。地面分析這些數據即可了解衛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，對該型號衛星的微振動源、微振動隔振器、微振動結構傳遞以及最終的成像質量進行全面系統的測試，以有效驗證相關仿真、分析和設計的結果，保障型號圖像質量清晰、準確和可靠。

2 微振動試驗方法

2.1 單機級微振動源動態特性試驗

微振動源試驗的關鍵有兩個：一是測量設備，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境中，重力和空氣影響很小，地面試驗結果與在軌工作情況差別很小。

圖2 微振動源試驗方法

該試驗的關鍵測量設備是六分量測力平臺，用于測量微振動源對其產生的擾動力和擾動力矩。微振動源和剛性轉接板（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，以降低地面振動產生的影響。

對于太陽電池陣驅動機構和天線驅動機構的微振動試驗，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，還應設計合理的重力卸載工裝，同時驅動機構應連接合理的驅動部件（如太陽電池陣）的模擬件，以模擬驅動機構和驅動部件動態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，區別在于剛性轉接板與微振動源之間增加微振動隔振器。微振動源產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，測量激勵經過隔振器前后的加速度響應，以確定微振動隔振器的傳遞特性。

2.2 分系統級結構傳遞動態特性試驗

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

在動量輪板上關心位置安裝加速度傳感器，測量該位置的加速度響應，由此獲得動量輪板分系統的動態特性。

整星微振動試驗如圖4所示。微振動試驗的關鍵技術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星底部安裝一個支撐剛度較低的支撐結構用于抵消重力的影響，同時支撐結構的一階頻率足夠低（低于關心最低頻率的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，區別在于利用懸掛方式抵消重力的影響。該衛星試驗選用了懸吊的方式。實測結果表明，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心部位（如動量輪、CMG以及隔振器的安裝界面，承力筒關鍵位置，相機安裝界面和相機主承力結構等位置）安裝了高精度加速度傳感器，以測量所關心位置的加速度響應。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 系統級微振動對光學系統影響特性試驗

系統級微振動光學系統影響試驗是一個系統級的涉及微振動源、結構傳遞和光學成像的微振動試驗。試驗系統原理如圖5所示，此時采用地面彈性支撐工裝，其頻率為8Hz左右。

試驗系統與之前相比更加復雜，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系統入射的平行光；反射鏡將該平行光反射到光學相機內。為支撐反射鏡還需使用反射鏡支架。

圖5 系統級微振動試驗示意圖

2.4 大系統級微振動在軌試驗

該衛星搭載了力學參數測量子系統，通過加速度傳感器可對星上關心位置的加速度響應進行測量。該子系統主要功能是根據要求將加速度傳感器的信號進行儲存，在合適時機通過數傳系統將數據傳回地面。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、太陽電池陣驅動機構支架安裝界面、數傳天線安裝界面和相機安裝界面。衛星在軌飛行期間，通過地面指令使力學參數測量子系統工作，采集并存儲加速度傳感器的信號。在具有數傳通道時下傳所有測量數據。利用該數據可得到：CMG在軌工作情況下微振動造成的安裝界面加速度響應；微振動隔振器工作狀態時其上、下的加速度響應；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；太陽電池陣驅動機構工作造成的安裝界面加速度響應；數傳天線驅動機構工作造成的安裝界面加速度響應；各種微振動源工作造成的相機安裝界面加速度響應。

3 微振動試驗結果分析

3.1 單機級微振動源動態特性試驗

從表1的時域實測結果統計可看出，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時域試驗數據統計

對時域數據處理后得到功率譜密度（PSD）函數。直接從頻域實測結果（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）動態特性測試的功率譜密度