一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法技术

一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法，先通过实测动量轮产生的扰动力建立扰动力的谐波叠加数学模型；然后分别建立卫星在轨状态和多种地面扰振试验状态下的卫星有限元模型，采用频响分析方法计算各种卫星状态下，各阶谐波对敏感设备的扰振总响应，并选择与卫星在轨状态的分析结果差异最小的地面试验状态开展动量轮扰振试验，实测动量轮对敏感设备的扰振环境；最后通过对测量结果后处理来修正在轨状态的分析结果，以评估及验证卫星抗动量轮扰振设计的正确性和有效性。本发明专利技术通过仿真分析指导试验方案设计和结果判读，可评估动量轮扰动力的各阶谐波分量分别对敏感设备的影响，计算量小，便于工程实施。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法
本专利技术涉及一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法。
技术介绍
作为卫星重要的控制执行机构，动量轮、反作用轮或控制力矩陀螺是实现卫星三轴稳定姿态控制必不可少的星上设备。然而，由于动量轮机械加工误差会导致飞轮质量分布不均、动量轮轴承缺陷等因素存在，每一个动量轮在正常工作时均会产生不同程度的扰动力和扰动力矩，从而使卫星整体或舱板局部产生频率较宽、振幅较小的往复运动，称为微振动。动量轮也是卫星最主要的微振动扰动源。动量轮导致的微振动现象是卫星在轨工作时的固有属性，不能被彻底消灭或消除，只能通过提高动量轮的加工精度或开展整星级的抗微振动设计予以减小或抑制。由于动量轮导致的微振动量级很小，通常仅为10-4～10-1g，远小于卫星发射时恶劣的动力学环境，因此通常不会造成卫星结构的破坏。但是，对于安装光学敏感设备的卫星，微振动的存在往往会造成光学敏感设备的精度下降，不容忽视，需开展专门的抗微振动设计、仿真分析与地面试验验证工作。目前，我国已意识到动量轮等星上微振动扰动源对光学敏感设备的影响，并开始借鉴国外相关文献资料，对卫星微振动仿真分析方法和试验技术进行研究。但是，国外有关卫星微振动仿真分析的公开文献多针对空间望远镜这类科学观测卫星，文献技术细节模糊，适用卫星种类单一；其建模技术主要为基于卫星结构模型、控制模型和光学设备的光学模型高度耦合的“一体化集成建模技术”，建模和仿真分析过程则完全依赖于对中国禁运的各种专用软件，如MIT开发的DOCS软件(Disturbances-Optics-Controls-Structures)等，不能直接应用于国内相关卫星的工程研制。而在我国目前的工程应用中，普遍使用的仿真分析方法则主要是利用MSC.Nastran软件建立卫星的有限元模型后，直接将实测的动量轮扰动力加载到卫星模型上，然后采取时程响应分析方法进行仿真分析。此方法有两项缺点：一、时程响应所需的计算量大；二、不能逐一评估动量轮扰动力的各阶谐波分量分别对敏感设备的影响。此外，对于如何开展卫星的动量轮扰振试验，如何进行试验方案设计、确定卫星技术状态并对试验结果进行判读，我国目前也缺乏相应的规范标准和技术指南。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法，适用于在仿真分析动量轮高速转动对卫星敏感设备产生的扰振响应基础上，合理设计试验方案，开展整星级动量轮扰振试验，以实测动量轮在星上产生的加速度环境，并对数据测量结果分析评估，可用于验证卫星抗动量轮扰振设计的正确性和有效性。本专利技术的技术解决方案是：一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法，包括如下步骤：步骤一、将卫星的动量轮依次安装在六分量测力平台上，测量动量轮转速从0升至最高转速Ωmax的过程中在动量轮局部坐标系中沿x、y、z轴方向的扰动力Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)和扰动力矩Mx(t)、My(t)、Mz(t)：其中，t表示时间，mj(t)表示扰动力或扰动力矩，j为扰动力或扰动力矩的自由度编号；j＝1,…,6；动量轮局部坐标系的原点在动量轮质心处，z轴沿动量轮转轴，xy平面与z轴垂直，满足右手定则；将升速时间历程离散为N个时间点t0，t1，t2，......，tN，对每个时间间隔[ti-1,ti]内的扰动力/力矩进行傅里叶变换，获得频域扰动力/力矩：其中，[ti-1,ti]为第i个时间间隔；Ωi为第i个时间间隔内中心时刻的转速；f为频率；N为正整数；i＝1,…,N；步骤二、根据步骤一中测量获得的扰动力/力矩数据，建立动量轮的谐波叠加扰动力数学模型：其中，k为谐波数，k＝1,2,…,n；n为建模保留的谐波总数；Cjk为第k阶谐波对第j个扰动力/力矩的幅值系数；fΩ亦为动量轮的转速，其与动量轮转速Ω的关系为Ω＝2πfΩ，动量轮的最高转速hk为扰动力的第k阶谐波系数；为动量轮的第j个扰动力/力矩的第k阶谐波的相位角；步骤三、建立卫星在轨状态有限元模型，其中包括建立动量轮及其支架组合体的有限元模型、敏感设备及其支架组合体的有限元模型；卫星上天线、太阳翼均处于展开状态；步骤四、利用步骤三建立的有限元模型，对步骤二建立的动量轮谐波叠加模型六个扰动力/力矩的每一阶谐波hk依次进行频响分析，获得动量轮六个扰动力/力矩的每一阶谐波hk对敏感设备的扰振位移响应uk(ω)和加速度响应ak(ω)；其中，圆频率ω＝2πhkfΩ；对各阶谐波的扰振位移响应uk(ω)和加速度响应ak(ω)进行叠加，获得动量轮全部n阶谐波的扰振位移总响应u(fΩ)和加速度总响应a(fΩ)：步骤五、从步骤四求解出的卫星在轨状态下加速度总响应a(fΩ)中，选择出对应于敏感设备安装处的加速度分量a(D)(fΩ)，上标(D)表示敏感设备安装处对应的自由度集合；对a(D)(fΩ)进行评估：若对于动量轮转速范围内的全部转速，均有a(D)(fΩ)小于规定的设计值ASPEC，进行步骤六；若存在转速集合使得在集合{fΩ}A内的转速下，a(D)(fΩ)大于规定的设计值ASPEC，则需按下列三种方法的一种或组合更改卫星的结构，重复步骤三至步骤五，直至对于动量轮转速范围内的全体转速，均有a(D)(fΩ)小于规定的设计值ASPEC：i、增大动量轮与敏感设备之间距离；ii、增加敏感设备安装处的卫星舱板厚度；iii、在敏感设备与卫星舱板之间加装减隔振装置；步骤六、建立不同卫星试验状态的有限元模型，根据步骤二中的建立动量轮的谐波叠加扰动力数学模型，重复步骤四的计算，获得不同卫星试验状态下动量轮全部谐波的加速度总响应选择敏感设备安装处的响应差最小的卫星试验状态为最终的卫星动量轮扰振试验状态；步骤七、根据步骤六中确定的卫星动量轮扰振试验状态，在卫星内部的动量轮支架上端、动量轮支架底端、动量轮所在卫星舱板上、敏感设备安装处布置微振动加速度传感器；步骤八、在步骤六中确定的卫星动量轮扰振试验状态下，对动量轮进行升速工况的扰振试验：将动量轮转速从零升至最高转速测量升速过程中各微振动加速度传感器的时域数据A(t)，通过数字滤波获得分析截止频率fend内的时域数据Aend(t)，进而得到升速工况下各微振动加速度传感器的时域数据A(t)、Aend(t)随动量轮转速fΩ变化的函数关系A(fΩ)和Aend(fΩ)，并绘制A(fΩ)和Aend(fΩ)随动量轮转速fΩ变化的曲线图；步骤九、计算卫星动量轮扰振试验状态下，敏感设备安装处的加速度分量的误差函数为步骤八获得的滤波后扰振响应Aend(fΩ)在敏感设备安装处的加速度分量；再利用误差函数ε(D)(fΩ)，将步骤四得到的敏感设备安装处的扰振响应a(D)(fΩ)修正为绘制修正后的响应随动量轮转速fΩ变化曲线图并进行评估：若对于动量轮转速范围内的全部转速，均有小于规定的设计值ASPEC，说明经试验验证，动量轮在敏感设备安装处产生的扰振响应满足敏感设备的工作要求；若存在转速集合使得在集合{fΩ}B内的转速下，大于规定的设计值ASPEC，则需按步骤五的方法i～iii中一种或组合对卫星结构进行修改，重复步骤三至步骤九，直至对于动量轮转速范围内的全体转速，均有a(D)(fΩ)小于规定的设计值ASPEC。所述步骤四对动量轮六个扰动力/力矩的每一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将卫星的动量轮依次安装在六分量测力平台上，测量动量轮转速从0升至最高转速Ω

【技术特征摘要】
1.一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将卫星的动量轮依次安装在六分量测力平台上，测量动量轮转速从0升至最高转速Ωmax的过程中在动量轮局部坐标系中沿x、y、z轴方向的扰动力Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)和扰动力矩Mx(t)、My(t)、Mz(t)：其中，t表示时间，mj(t)表示扰动力或扰动力矩，j为扰动力或扰动力矩的自由度编号；j＝1,…,6；动量轮局部坐标系的原点在动量轮质心处，z轴沿动量轮转轴，xy平面与z轴垂直，满足右手定则；将升速时间历程离散为N个时间点t0，t1，t2，……，tN，对每个时间间隔[ti-1,ti]内的扰动力/力矩进行傅里叶变换，获得频域扰动力/力矩：其中，[ti-1,ti]为第i个时间间隔；Ωi为第i个时间间隔内中心时刻的转速；f为频率；N为正整数；i＝1,…,N；步骤二、根据步骤一中测量获得的扰动力/力矩数据，建立动量轮的谐波叠加扰动力数学模型：其中，k为谐波数，k＝1,2,…,n；n为建模保留的谐波总数；Cjk为第k阶谐波对第j个扰动力/力矩的幅值系数；fΩ亦为动量轮的转速，其与动量轮转速Ω的关系为Ω＝2πfΩ，动量轮的最高转速hk为扰动力的第k阶谐波系数；为动量轮的第j个扰动力/力矩的第k阶谐波的相位角；步骤三、建立卫星在轨状态有限元模型，其中包括建立动量轮及其支架组合体的有限元模型、敏感设备及其支架组合体的有限元模型；卫星上天线、太阳翼均处于展开状态；步骤四、利用步骤三建立的有限元模型，对步骤二建立的动量轮谐波叠加模型六个扰动力/力矩的每一阶谐波hk依次进行频响分析，获得动量轮六个扰动力/力矩的每一阶谐波hk对敏感设备的扰振位移响应uk(ω)和加速度响应ak(ω)；其中，圆频率ω＝2πhkfΩ；对各阶谐波的扰振位移响应uk(ω)和加速度响应ak(ω)进行叠加，获得动量轮全部n阶谐波的扰振位移总响应u(fΩ)和加速度总响应a(fΩ)：步骤五、从步骤四求解出的卫星在轨状态下加速度总响应a(fΩ)中，选择出对应于敏感设备安装处的加速度分量a(D)(fΩ)，上标(D)表示敏感设备安装处对应的自由度集合；对a(D)(fΩ)进行评估：若对于动量轮转速范围内的全部转速，均有a(D)(fΩ)小于规定的设计值ASPEC，进行步骤六；若存在转速集合使得在集合{fΩ}A内的转速下，a(D)(fΩ)大于规定的设计值ASPEC，则需按下列三种方法的一种或组合更改卫星的结构，重复步骤三至步骤五，直至对于动量轮转速范围内的全体转速，均有a(D)(fΩ)小于规定的设计值ASPEC：i、增大动量轮与敏感设备之间距离；ii、增加敏感设备安装处的卫星舱板厚度；iii、在敏感设备与卫星舱板之间加装减隔振装置；步骤六、建立不同卫星试验状态的有限元模型，根据步骤二中的建立动量轮的谐波叠加扰动力数学模型，重复步骤四的计算，获得不同卫星试验状态下动量轮全部谐波的加速度总响应选择敏感设备安装处的响应差最小的卫星试验状态为最终的卫星动量轮扰振试验状态；步骤七、根据步骤六中确定的卫星动量轮扰振试验状态，在卫星内部的动量轮支架上端、动量轮支架底端、动量轮所在卫星舱板上、敏感设备安装处...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹家聪，李正举，崔颖慧，谢伟华，陈曦，刘刚，刘波，林勇文，李友遐，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11