高分多模衛(wèi)星微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

高行素 王光遠(yuǎn) 管帥 楊文濤 張國斌 范立佳 趙煜 羅文波

(1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094) (2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

高分多模衛(wèi)星(GFDM-1)是在中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)(ZY2000 Remote Sensing Satellite Platform)基礎(chǔ)上研制的光學(xué)遙感衛(wèi)星，具有分辨率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成像模式多等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)敏捷機(jī)動(dòng)功能，高分多模衛(wèi)星配置了5臺(tái)大力矩控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope ，CMG)。衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，CMG和太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Solar Array Drive Assembly，SADA)、天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件會(huì)引起微振動(dòng)，光學(xué)相機(jī)成像質(zhì)量對(duì)微振動(dòng)非常敏感[1-3]。為了滿足衛(wèi)星任務(wù)需求，必須對(duì)星上微振動(dòng)進(jìn)行抑制。

針對(duì)衛(wèi)星微振動(dòng)抑制需求，國內(nèi)外都開展過大量研究與衛(wèi)星應(yīng)用。目前國外先進(jìn)遙感衛(wèi)星平臺(tái)基本都應(yīng)用了隔振技術(shù)，用于改善有效載荷工作環(huán)境。以世界觀測(cè)(Worldview)系列高分辨率觀察衛(wèi)星為代表的美國高分辨率遙感衛(wèi)星平臺(tái)，應(yīng)用了Honeywell公司的微振動(dòng)隔離系統(tǒng)(Micro Vibration Isolation System，MVIS)隔振系統(tǒng)，用于提高對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的成像精度。NASA的蘭利研究中心、戈達(dá)德航天中心的載荷隔離等微振動(dòng)抑制技術(shù)，已成功應(yīng)用于相關(guān)衛(wèi)星，并取得了較好的減振效果。我國的高分七號(hào)衛(wèi)星，采用CMG隔振裝置對(duì)微振動(dòng)進(jìn)行抑制，有效保障了亞米級(jí)分辨率的實(shí)現(xiàn)[4]。以上各項(xiàng)微振動(dòng)抑制研究與應(yīng)用，均對(duì)敏捷型遙感衛(wèi)星的微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)與驗(yàn)證有一定借鑒意義。

本文針對(duì)高分多模衛(wèi)星微振動(dòng)抑制需求，提出了“CMG群整體隔振+有效載荷隔振”兩級(jí)隔振的微振動(dòng)抑制方案，重點(diǎn)開展了擾動(dòng)源、星體結(jié)構(gòu)、敏感載荷等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，并通過在軌微振動(dòng)對(duì)微振動(dòng)抑制方案進(jìn)行了在軌驗(yàn)證。

1 微振動(dòng)抑制技術(shù)路線

高分多模衛(wèi)星微振動(dòng)抑制技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 微振動(dòng)抑制技術(shù)路線Fig.1 Micro-vibration attenuation technology roadmap

基于衛(wèi)星平臺(tái)和典型光學(xué)載荷微振動(dòng)抑制需求，提出“CMG群整體隔振+有效載荷隔振”兩級(jí)隔振的微振動(dòng)抑制方案；分解得到了微振動(dòng)傳遞全鏈路各環(huán)節(jié)的微振動(dòng)指標(biāo)；系統(tǒng)梳理了平臺(tái)各類活動(dòng)部件的擾動(dòng)特性，通過CMG擾動(dòng)測(cè)試獲取了CMG擾動(dòng)特性；完成了并聯(lián)隔振裝置設(shè)計(jì)和并聯(lián)隔振裝置微振動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其隔振性能；開展了系統(tǒng)級(jí)微振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)衛(wèi)星微振動(dòng)抑制能力進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)的評(píng)估與驗(yàn)證；建立了系統(tǒng)級(jí)微振動(dòng)分析模型，開展了在軌微振動(dòng)響應(yīng)及成像質(zhì)量預(yù)示。

2 微振動(dòng)抑制總體方案

2.1 敏感載荷需求分析

對(duì)于光學(xué)相機(jī)，微振動(dòng)傳遞至相機(jī)結(jié)構(gòu)后，引起相機(jī)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，其響應(yīng)的形態(tài)和幅度，與自身的力學(xué)特性直接相關(guān)[5]。通過動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析或試驗(yàn)，可獲得特定頻率下相機(jī)的響應(yīng)模式，進(jìn)而得到該模式下各光學(xué)元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[6]。在給定激勵(lì)頻率和激勵(lì)幅值后，即可得到各光學(xué)元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的完整規(guī)律。光學(xué)元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的像移分析，相對(duì)于相機(jī)整體運(yùn)動(dòng)而言，更為復(fù)雜。這與相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接相關(guān)。對(duì)于復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，像移量對(duì)不同鏡面的運(yùn)動(dòng)量敏感度有較大差異。因此，在通過力學(xué)分析或試驗(yàn)獲得各光學(xué)元件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，還須將其代入光學(xué)模型分析光路的變化情況，進(jìn)而確定像移量，定量分析成像質(zhì)量的退化程度。在對(duì)微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)進(jìn)行分析或試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，需要通過光機(jī)耦合分析才能最終定量確定成像質(zhì)量受影響的程度[7-9]。

一般根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)焦距、地面像元分辨率、像元尺寸、積分時(shí)間等主要參數(shù)，對(duì)微振動(dòng)抑制需求進(jìn)行分析，主要集中在以下三個(gè)方面。

(1)微振動(dòng)造成光學(xué)相機(jī)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的視軸指向(Line of Sight，LOS)晃動(dòng)；

(2)微振動(dòng)造成光學(xué)相機(jī)內(nèi)部光學(xué)器件相對(duì)運(yùn)動(dòng)照成的LOS晃動(dòng)；

(3)微振動(dòng)造成的圖像畸變。

其中第(1)項(xiàng)相機(jī)整體運(yùn)動(dòng)引起的LOS晃動(dòng)造成的像移，可由相機(jī)的基本參數(shù)直接計(jì)算得到。而對(duì)于后兩項(xiàng)相機(jī)內(nèi)部各光學(xué)元件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的像移，則需要開展相機(jī)結(jié)構(gòu)特性、光學(xué)系統(tǒng)特性的耦合分析。

經(jīng)分析高分多模衛(wèi)星有效載荷對(duì)微振動(dòng)抑制的指標(biāo)要求如下：①當(dāng)采取微振動(dòng)抑制措施時(shí)，相較于不采取微振動(dòng)抑制措施時(shí)，傳遞至有效載荷安裝界面的微振動(dòng)響應(yīng)衰減80%以上；②在成像積分時(shí)間內(nèi)，微振動(dòng)引起的相機(jī)視軸指向抖動(dòng)不超過0.1像元。

2.2 微振動(dòng)傳遞路徑

微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)是通過對(duì)傳遞路徑的調(diào)整和適配，使擾動(dòng)能量耗散或重新分配，從而降低由擾動(dòng)源激勵(lì)產(chǎn)生的有效載荷振動(dòng)響應(yīng)幅值[10]。衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)或變形導(dǎo)致的像移主要包括兩種模式，衛(wèi)星的姿態(tài)擾動(dòng)，導(dǎo)致星體的低頻晃動(dòng)，從而使相機(jī)的指向發(fā)生變化，形成像移。星上活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)形成擾動(dòng)力，導(dǎo)致衛(wèi)星結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而引起相機(jī)的整體抖動(dòng)，導(dǎo)致光軸指向變化，或相機(jī)內(nèi)部光學(xué)元件局部抖動(dòng)導(dǎo)致光路變化，都會(huì)引起像移。航天器姿態(tài)變化帶來的視軸指向晃動(dòng)，可利用控制系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定度指標(biāo)對(duì)其約束。由此得到衛(wèi)星微振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響鏈路如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星微振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響鏈路Fig.2 Satellite impact link of micro-vibration to imaging quality

根據(jù)高分多模衛(wèi)星構(gòu)形布局和結(jié)構(gòu)形式，重點(diǎn)考慮CMG擾動(dòng)，微動(dòng)傳遞鏈路如圖3所示。

圖3 高分多模衛(wèi)星微振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響鏈路Fig.3 GFDM-1 satellite impact link of micro-vibration to imaging quality

微振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響鏈路，主要包括擾動(dòng)源、傳遞路徑、有效載荷3個(gè)方面的因素。其中，傳遞路徑又包括CMG隔振裝置、主結(jié)構(gòu)和相機(jī)隔振裝置3個(gè)部分。根據(jù)高分多模衛(wèi)星的微振動(dòng)抑制任務(wù)需求和構(gòu)形布局特點(diǎn)，同時(shí)采取CMG隔振裝置和相機(jī)隔振裝置降低傳遞至相機(jī)的微振動(dòng)幅值，CMG隔振裝置、星體結(jié)構(gòu)、相機(jī)隔振裝置共同構(gòu)成二級(jí)柔性浮筏式減振系統(tǒng)。

2.3 擾動(dòng)源特性研究

衛(wèi)星在軌微振動(dòng)主要是由于活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)引起的，主要包括CMG、SADA、數(shù)傳天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、中繼天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和三浮陀螺等。根據(jù)在軌測(cè)量數(shù)據(jù)，CMG是擾動(dòng)能量最高的設(shè)備。數(shù)傳天線雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、SADA、三浮陀螺、太陽翼等活動(dòng)部件引起的擾動(dòng)，相對(duì)CMG引起的擾動(dòng)均為小量，影響可忽略，因此衛(wèi)星微振動(dòng)抑制重點(diǎn)考慮CMG引起的擾動(dòng)。

CMG擾動(dòng)特性一般通過六分量測(cè)力平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試狀態(tài)如圖4所示。六分量測(cè)量平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間正交的三個(gè)力和三個(gè)力矩的動(dòng)態(tài)測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)剛度高、測(cè)量靈敏度高、標(biāo)定精度高、可實(shí)現(xiàn)低頻/超低頻微振動(dòng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)量輪、CMG、制冷機(jī)等多種活動(dòng)部件擾動(dòng)特性的測(cè)量。

圖4 CMG單機(jī)擾動(dòng)特性測(cè)試Fig.4 Disturbance characteristic test of CMG

125 Nms CMG的典型頻譜如圖5所示，其中Fx、Mx分別為垂直CMG安裝面方向的力和力矩。CMG在穩(wěn)速、機(jī)動(dòng)狀態(tài)下，各臺(tái)CMG的擾振力、力矩頻譜圖呈現(xiàn)出一致性特征，均在0.4倍頻、基頻和二倍頻出現(xiàn)峰值，其中基頻峰值最大，二倍頻峰值次之，0.4倍頻峰值較小。

圖5 125 Nms CMG典型頻譜圖Fig.5 Typical spectrogram of 125Nms CMG

2.4 微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)

1)擾動(dòng)源隔振

為適應(yīng)小慣量布局要求，CMG群統(tǒng)一安裝在CMG支架上，采用“并聯(lián)隔振裝置”整體隔振。CMG模塊在整星中的位置如圖6所示。8根含微動(dòng)隔振器的隔振桿組成桁架結(jié)構(gòu)，對(duì)CMG和CMG支架提供支撐功能，同時(shí)，隔振器的阻尼輸出能夠起到降低CMG共振峰值響應(yīng)的作用。在軌工作時(shí)，由CMG傳出的6個(gè)自由度微振動(dòng)，被分解為8根隔振桿的軸向微振動(dòng)載荷，通過隔振桿內(nèi)微動(dòng)隔振器的阻尼和剛度作用，對(duì)微振動(dòng)進(jìn)行衰減和隔離。

圖6 CMG模塊在整星中的位置Fig.6 Position of CMG module in whole satellite

這種整體隔振可以使平臺(tái)設(shè)計(jì)質(zhì)量、空間代價(jià)最小，提高隔振系統(tǒng)使用效能和隔振效果；有利于保證CMG群連接剛度和連接強(qiáng)度，保證CMG模塊安裝剛度和整星剛度，保證活動(dòng)部件高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的方位和指向要求；可以通過桿系設(shè)計(jì)，保證對(duì)CMG群的6自由度有效隔振，同時(shí)與整星結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，可有效防止引入隔振裝置對(duì)整星結(jié)構(gòu)頻率造成不利影響。

微動(dòng)隔振器(如圖7所示)是并聯(lián)隔振裝置中的核心單機(jī)，通過在隔振彈簧內(nèi)部并聯(lián)流體阻尼器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)剛度匹配和阻尼輸出功能。這種隔振器具有很高的阻尼系數(shù)，由于是通過自身的彈性變形來驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，因此能夠在很小的變形位移行程上實(shí)現(xiàn)阻尼效果。

圖7 微振動(dòng)隔振器Fig.7 Micro-vibration isolators

為驗(yàn)證并聯(lián)隔振裝置的減隔振特性，開展了并聯(lián)隔振裝置微振動(dòng)試驗(yàn)，如圖8所示。試驗(yàn)件安裝在地面工裝上，分別測(cè)試CMG工作時(shí)隔振桿和剛性桿兩種狀態(tài)下CMG模塊的輸出特性。測(cè)試結(jié)果表明，并聯(lián)隔振裝置能夠?qū)MG群輸出的微振動(dòng)干擾力衰減80%以上。

圖8 并聯(lián)隔振裝置微振動(dòng)試驗(yàn)Fig.8 Micro-vibration test of parallel isolators

2)星體結(jié)構(gòu)減振

由擾源產(chǎn)生擾動(dòng)，至有效載荷形成微振動(dòng)響應(yīng)，其間擾動(dòng)能量經(jīng)星體結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞。傳遞特性受到衛(wèi)星各環(huán)節(jié)力學(xué)特性的影響，表現(xiàn)出極為復(fù)雜的規(guī)律，隔振裝置必須與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的匹配性設(shè)計(jì)，才能夠?qū)崿F(xiàn)較好的性能指標(biāo)。擾動(dòng)源經(jīng)結(jié)構(gòu)傳遞后至有效載荷的微振動(dòng)響應(yīng)是評(píng)價(jià)減振能力的依據(jù)，因此結(jié)構(gòu)傳遞是決定能否滿足微振動(dòng)抑制能力需求的必要環(huán)節(jié)。

星體結(jié)構(gòu)微振動(dòng)抑制能力的設(shè)計(jì)手段目前較為有限，主要是對(duì)主傳力路徑和關(guān)鍵局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的頻率分配，避免結(jié)構(gòu)引起共振放大。影響動(dòng)力學(xué)傳遞特性的三個(gè)主要參數(shù)為剛度、質(zhì)量、阻尼。降低結(jié)構(gòu)傳遞本質(zhì)上是對(duì)結(jié)構(gòu)傳遞路徑中的剛度、質(zhì)量和阻尼進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要通過剛度匹配改變傳遞率的頻率特性，通過阻尼匹配改變傳遞率的幅值特性，通過質(zhì)量匹配改變傳遞率的能量分配。星體結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)重點(diǎn)針對(duì)四個(gè)方面：擾動(dòng)源部件局部支撐結(jié)構(gòu)頻率設(shè)計(jì)、隔振裝置局部連接結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)、有效載荷連接結(jié)構(gòu)頻率設(shè)計(jì)、衛(wèi)星本體自由邊界低階模態(tài)設(shè)計(jì)。

CMG支架為星體結(jié)構(gòu)傳遞中的重要環(huán)節(jié)，為避免結(jié)構(gòu)引起共振放大，通過并聯(lián)隔振裝置力學(xué)試驗(yàn)，驗(yàn)證了CMG支架在擾動(dòng)源特征頻點(diǎn)附近不存在局部模態(tài)，能夠保證良好的減振性能。

3)敏感載荷隔振

對(duì)于有效載荷隔振，在相機(jī)與星體結(jié)構(gòu)之間加入相機(jī)柔性適配裝置，使相機(jī)懸浮安裝，在起到隔振作用的同時(shí)，還可釋放相機(jī)與星體結(jié)構(gòu)之間熱變形不協(xié)調(diào)形成的熱應(yīng)力，改善載荷視軸與姿態(tài)敏感軸之間的夾角穩(wěn)定度。

高分多模衛(wèi)星兼顧熱穩(wěn)定和減隔振需求，設(shè)計(jì)了相機(jī)柔性適配裝置(如圖9所示)，安裝于平臺(tái)與相機(jī)之間。相機(jī)柔性適配裝置主要包括支撐環(huán)框、柔性組件、解鎖組件三部分。其中，柔性器由隔振彈簧和特定頻率阻尼增強(qiáng)的磁阻尼器組成，是實(shí)現(xiàn)減隔振功能的主要部件。

圖9 相機(jī)柔性適配裝置Fig.9 Flexible adapter of camera

通過柔性器動(dòng)靜剛度測(cè)試和單機(jī)阻尼測(cè)試，獲取了柔性器的剛度、阻尼特性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真分析得到，相機(jī)柔性適配裝置在10～500 Hz范圍內(nèi)，插入損失總均方根值不低于80%；在0.4倍頻、基頻處的插入損失不低于90%。

3 系統(tǒng)級(jí)微振動(dòng)抑制驗(yàn)證

3.1 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更準(zhǔn)確地測(cè)量加入減隔振措施前后，星上活動(dòng)部件擾動(dòng)下的微振動(dòng)響應(yīng)，以驗(yàn)證微振動(dòng)抑制措施的有效性；同時(shí)獲取微振動(dòng)經(jīng)過平臺(tái)結(jié)構(gòu)傳遞的動(dòng)態(tài)特性，為修正平臺(tái)結(jié)構(gòu)微振動(dòng)傳遞模型提供依據(jù)，需要在衛(wèi)星研制的不同階段，根據(jù)需求設(shè)計(jì)并開展整星微振動(dòng)試驗(yàn)。

高分多模衛(wèi)星開展了安裝并聯(lián)隔振裝置與不安裝并聯(lián)隔振裝置兩種狀態(tài)的整星微振動(dòng)試驗(yàn)，如圖10所示。衛(wèi)星采用支撐式自由邊界條件模擬工裝模擬衛(wèi)星在軌時(shí)的自由-自由邊界。試驗(yàn)過程中，在擾動(dòng)源、有效載荷等關(guān)鍵部位布置了高靈敏度加速度計(jì)，獲取了各關(guān)鍵部位的加速度響應(yīng)，同時(shí)采用激光陀螺作為角位移傳感器來獲取了相機(jī)的角位移響應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)對(duì)微振動(dòng)具有良好的衰減作用，各關(guān)鍵設(shè)備均未發(fā)生與CMG特征頻率耦合共振現(xiàn)象；CMG擾動(dòng)主要集中在CMG工頻的0.4倍頻和基頻兩個(gè)頻點(diǎn)，基頻處幅值最高；相機(jī)典型積分時(shí)間內(nèi)CMG擾動(dòng)引起的相機(jī)主框角位移未超過0.1像元；并聯(lián)隔振裝置、相機(jī)柔性適配結(jié)構(gòu)分別能夠?qū)⑽⒄駝?dòng)響應(yīng)衰減83%、91%以上，以上結(jié)果均滿足指標(biāo)要求。

圖10 整星微振動(dòng)試驗(yàn)Fig.10 Micro-vibration test of the whole satellite

為獲取正樣設(shè)計(jì)狀態(tài)下載荷適配結(jié)構(gòu)和星敏感器、CMG等關(guān)鍵設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的局部頻率特性，以及CMG模塊與服務(wù)艙立柱連接點(diǎn)到各關(guān)鍵設(shè)備在關(guān)鍵頻點(diǎn)和關(guān)注頻率范圍內(nèi)的傳遞特性，并為修正微振動(dòng)分析模型提供依據(jù)，高分多模衛(wèi)星在正樣階段開展了微振動(dòng)局部耦合特性測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明星敏感器、CMG等關(guān)鍵設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的局部頻率均未與CMG特征頻率發(fā)生耦合。

通過初樣階段的整星微振動(dòng)試驗(yàn)和正樣階段的微振動(dòng)局部耦合特性測(cè)試，可充分證明星上星敏感器、CMG等關(guān)鍵設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的局部頻率均未與CMG特征頻率發(fā)生耦合，并聯(lián)隔振裝置、相機(jī)柔性適配結(jié)構(gòu)的微振動(dòng)響應(yīng)衰減率均滿足指標(biāo)要求，整星微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)可滿足相機(jī)成像需求。

3.2 仿真分析與在軌響應(yīng)預(yù)示

1)有限元建模

微振動(dòng)仿真分析是微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的重要手段之一。高分多模衛(wèi)星建立了在軌狀態(tài)有限元模型(如圖11所示)，并根據(jù)微動(dòng)隔振器特性測(cè)試、相機(jī)柔性適配裝置柔性器特性測(cè)試、整星微振動(dòng)試驗(yàn)、整星微振動(dòng)局部耦合特性測(cè)試等試驗(yàn)結(jié)果不斷進(jìn)行修正，指導(dǎo)微振動(dòng)方案驗(yàn)證、微振動(dòng)試驗(yàn)預(yù)示、在軌微振動(dòng)響應(yīng)及成像質(zhì)量預(yù)示等各個(gè)階段的微振動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作。

圖11 高分多模衛(wèi)星在軌狀態(tài)有限元模型Fig.11 Finite element model of GFDM-1 satellite on orbit

2)CMG到關(guān)鍵位置傳遞特性分析

利用有限元模型可計(jì)算得到CMG到相機(jī)、陀螺、星敏等關(guān)鍵位置的傳遞特性，具體方法為：在CMG安裝點(diǎn)施加單方向的單位擾動(dòng)力，計(jì)算相機(jī)等關(guān)鍵位置的頻域響應(yīng)，進(jìn)而得到CMG到各關(guān)鍵位置的傳遞特性。高分多模衛(wèi)星通過仿真分析得到CMG到相機(jī)主鏡、次鏡的傳函曲線如圖12所示。

圖12 CMG安裝點(diǎn)到相機(jī)傳遞函數(shù)Fig.12 Transfer function from CMG to camera

由圖12可以看出，由CMG安裝點(diǎn)至相機(jī)、陀螺和星敏的傳函在0.4倍頻、基頻處都具有一定的衰減效果；各關(guān)鍵設(shè)備均未發(fā)生與CMG特征頻率耦合共振現(xiàn)象。分析結(jié)果還表明，經(jīng)過并聯(lián)隔振裝置，響應(yīng)衰減優(yōu)于80%；經(jīng)過相機(jī)柔性適配裝置，響應(yīng)衰減約90%。

3)相機(jī)微振動(dòng)響應(yīng)分析

根據(jù)CMG擾動(dòng)特性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和CMG到相機(jī)主鏡、次鏡等關(guān)鍵位置的傳遞函數(shù)，采用基于模態(tài)疊加的時(shí)域響應(yīng)分析方法進(jìn)行計(jì)算，可得到相機(jī)主鏡、次鏡等關(guān)鍵位置的微振動(dòng)響應(yīng)。仿真得到高分多模衛(wèi)星相機(jī)主鏡的時(shí)程響應(yīng)曲線，以及在俯仰、滾轉(zhuǎn)兩個(gè)方向的角振動(dòng)曲線如圖13所示，主鏡角振動(dòng)峰峰值約為3×10-8rad，按照相機(jī)剛體假設(shè)，采用主鏡角位移近似代替相機(jī)抖動(dòng)，則相機(jī)角振動(dòng)量約為0.05像元，滿足指標(biāo)要求。

圖13 相機(jī)主鏡微振動(dòng)響應(yīng)Fig.13 Micro-vibration response of camera

4)像移分析

采用光學(xué)靈敏度方法進(jìn)行像移分析。由光學(xué)系統(tǒng)模型得到光學(xué)靈敏度矩陣，然后根據(jù)有限元響應(yīng)分析可得到的各光學(xué)元件6自由度時(shí)域響應(yīng)曲線計(jì)算像移時(shí)程曲線。計(jì)算結(jié)果表明，高分多模衛(wèi)星典型工況與曝光時(shí)間內(nèi)像移量最大值小于0.1像元，滿足指標(biāo)要求。

3.3 飛行驗(yàn)證

采用仿真分析和地面試驗(yàn)進(jìn)行整星在軌微振動(dòng)預(yù)示存在一定的誤差與局限性，采用星載測(cè)量設(shè)備對(duì)衛(wèi)星在軌運(yùn)行階段的微振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，是獲取在軌微振動(dòng)響應(yīng)最直接、最準(zhǔn)確的手段[11-12]。綜合考慮關(guān)鍵載荷布局、微振動(dòng)傳遞路徑與微振動(dòng)響應(yīng)特性，在CMG安裝點(diǎn)、CMG隔振桿與立柱連接點(diǎn)、陀螺組件、相機(jī)柔性適配裝置、相機(jī)主鏡、相機(jī)次鏡等關(guān)鍵位置布置了13個(gè)微振動(dòng)傳感器，對(duì)衛(wèi)星平飛、機(jī)動(dòng)2種工況下的微振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量，采樣頻率為4800 Hz。某平飛時(shí)段在軌測(cè)量得到的CMG安裝點(diǎn)、相機(jī)主鏡的時(shí)域、頻域微振動(dòng)響應(yīng)曲線如圖14所示。

圖14 在軌測(cè)量微振動(dòng)響應(yīng)曲線Fig.14 Micro-vibration response curves measured on orbit

通過對(duì)高分多模衛(wèi)星在軌測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析可知：星上微振動(dòng)頻率特性與理論值一致，主要包含CMG工頻的0.4倍頻、基頻、二倍頻和三倍頻等幾個(gè)頻點(diǎn)，其中基頻、二倍頻處峰值較大，0.4倍頻、三倍頻處峰值較小；CMG擾動(dòng)經(jīng)過CMG支架、CMG并聯(lián)隔振裝置、立柱、載荷適配結(jié)構(gòu)、相機(jī)柔性適配裝置明顯逐級(jí)衰減，全路徑擾動(dòng)衰減率在90%以上，傳遞到相機(jī)的響應(yīng)已接近噪聲級(jí)。高分多模衛(wèi)星微振動(dòng)抑制方案效果顯著，成功滿足了敏感載荷的微振動(dòng)抑制需求。

高分多模衛(wèi)星在軌拍攝圖像輪廓清晰、無扭曲變形，進(jìn)一步表明高分多模衛(wèi)星微振動(dòng)抑制措施可有效保證成像質(zhì)量，圖15為其拍攝的迪拜機(jī)場(chǎng)。

圖15 拍攝的迪拜機(jī)場(chǎng)Fig.15 Dubai airport photographed

4 結(jié)論

為保證成像質(zhì)量，高分多模衛(wèi)星系統(tǒng)性地開展了衛(wèi)星微振動(dòng)抑制方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作，包括微振動(dòng)抑制總體方案設(shè)計(jì)、微振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響鏈路分析、微振動(dòng)抑制需求分析、減隔振裝置設(shè)計(jì)、微振動(dòng)仿真分析、地面試驗(yàn)驗(yàn)證與飛行驗(yàn)證等。

在軌測(cè)量數(shù)據(jù)表明，CMG擾動(dòng)經(jīng)過CMG支架、CMG并聯(lián)隔振裝置、立柱、載荷適配結(jié)構(gòu)、相機(jī)柔性適配裝置明顯逐級(jí)衰減，傳遞到相機(jī)的響應(yīng)已接近傳感器噪聲量級(jí)，表明高分多模衛(wèi)星微振動(dòng)抑制方案效果顯著，成功滿足了敏感載荷的微振動(dòng)抑制需求。

高分多模衛(wèi)星微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法，以及高分多模衛(wèi)星研制的并聯(lián)隔振裝置、相機(jī)柔性適配裝置等減隔振產(chǎn)品均具有較強(qiáng)的通用性，可為我國后續(xù)敏捷型遙感衛(wèi)星的微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供參考。