CN106896822B - 航天器活动部件干扰力矩标定方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天器活动部件干扰力矩标定方法，该方法包含：测定气浮台转动惯量；通过气浮台转动惯量求取补偿机构补偿系数需要调节量。本发明能准确地获取飞轮的补偿参数标定值，确保卫星业务运行时有效补偿活动部件运动产生的干扰，使得卫星平台达到载荷相机成像所需的姿态稳定度和指向精度需求。

Description

航天器活动部件干扰力矩标定方法和系统

技术领域

本发明涉及航天器活动部件的干扰力矩补偿技术，具体涉及一种基于单轴气浮台的航天器活动部件干扰力矩标定方法和系统。

背景技术

随着航天遥感技术的发展和应用水平地不断提升，在对地观测中为实现更高分辨率和更大观测视场，遥感相机往往采用大型的、可以往复运动的摆镜作为其成像部件。然而大型摆镜运动产生的干扰也给遥感卫星的姿态稳定度控制和指向控制带来了影响，往往超出了相机成像所必须的姿态稳定度和指向精度要求。对于此影响，为减少地面通过图像配准进行处理的压力，有些卫星会设计前馈补偿方案，采用飞轮等机构对活动部件运动干扰力矩进行实时补偿，抵消其在工作时对卫星姿态控制精度和稳定度的影响。其中，用于补偿干扰力矩的飞轮，其运动特性(这里主要为转速)的设计，决定于活动部件J载荷与飞轮J飞轮的惯量匹配关系。实际上，由于加工工艺或者装配原因，J载荷很难与设计值毫无差别，而且每批次产品也均有不同。因此，需要根据产品配套情况对补偿参数进行确定。因此，如何排除地面与在轨实际运行时的差异，对补偿参数进行高精度的地面标定，是需要解决的一个问题。

发明内容

本发明提供一种航天器活动部件干扰力矩标定方法和系统，能准确地获取飞轮的补偿参数标定值，确保卫星业务运行时有效补偿活动部件运动产生的干扰，使得卫星平台达到载荷相机成像所需的姿态稳定度和指向精度需求。

为实现上述目的，本发明公开了一种航天器活动部件干扰力矩标定方法，其特征在于，该方法包含：

测定气浮台转动惯量J_台；

通过气浮台转动惯量求取补偿机构补偿系数需要调节量。

上述气浮台转动惯量的测定方法包含：

使气浮台处于单摆运动的平衡位置；

多次对在平衡位置附近做单摆运动的气浮台，通过相同位置后，再经过相同时间的角速度增量进行测量；测量得到角速度增量，并取平均值Δω_J；

在气浮台对称位置增加相同质量的质量块，增加的惯量记为ΔJ，多次对在平衡位置附近做单摆运动的气浮台，通过相同位置后，再经过相同时间的角速度增量进行测量；测量得到角速度增量，并取平均值Δω_(J+ΔJ)；

从而求取气浮台转动惯量J_台。

上述使气浮台处于单摆运动的平衡位置包含：

气浮台配重平衡的情况下，在台面一侧增加适量质量块；

利用液压千斤顶将气浮台倾倾斜一定角度后，增加的质量块产生的力矩使台面可以做单摆运动；

最后让气浮台停止在平衡位置。

上述求取气浮台转动惯量包含：

设多次单摆运动的不平衡力矩M为相等，则有式(1)和(2)：

J_台Δω_J＝MΔt (1)

(J_台+ΔJ)Δω_(J+ΔJ)＝MΔt (2)

根据式(1)和(2)求取气浮台转动惯量J_台，如式(3)：

式(3)中，ΔJ为在气浮台对称位置增加相同质量的质量块所增加的惯量；Δω_J为气浮台多次通过相同位置后经过相同时间的角速度增量的平均值；Δω_(J+ΔJ)为气浮台在对称位置增加相同质量的质量块，多次通过相同位置后经过相同时间的角速度增量的平均值。

上述求取补偿机构补偿系数需要调节量包含：

气浮轴承摩擦力矩作用方向M_摩擦与气浮台转速方向相反，力矩为定值f，如式(4)：

M_摩擦＝f (4)

根据具有不规则外形，低速转动物体引起的空气阻力力矩与转速的关系，设K为空气阻力力矩系数，设载荷在加速度段做匀加速运动，则载荷相机摆动过程中，速度变化段对气浮台的作用力矩M_变，如式(5)：

速度均匀段对气浮台的作用力矩M_匀，如式(6)：

设补偿机构的补偿系数需要调节的量为Δk，转速变化为Δω_补偿，则气浮台转速Δω_台满足如式(7)：

式(7)中，t_变、t_匀、ω_匀为载荷相机运动参数，J_补偿为补偿机构的转动惯量，Δω_补偿为转速变化，Δω_台为气浮台转速变化，f为气浮台轴承摩擦力矩、K为载荷相机摆动时的空气阻力力矩系数、J_载荷为载荷相机转动惯量；

在载荷相机若干档的工况下，分别开展多次试验，求取各工况下气浮台转速变化Δω_台的平均值，带入式(7)中，求取补偿机构补偿系数需要调节量Δk。

上述求取补偿机构补偿系数需要调节量的方法可求取：气浮台当前承载情况下气浮轴承摩擦力矩f、载荷转动惯量J_载荷或载荷风阻系数K。

一种航天器活动部件干扰力矩标定系统，其特点是，该系统包含：

气浮台转动惯量侧定模块，其测定气浮台转动惯量；

补偿模块，其连接气浮台转动惯量侧定模块输出端，通过气浮台转动惯量求取补偿机构补偿系数需要调节量。

本发明航天器活动部件干扰力矩标定方法和系统和现有技术相比，其优点在于，本发明在气浮台转动惯量测定方面，不借助与气浮平台固连的已知惯量和转速的物体与其进行动量交换来完成惯量测定，排除了该物体在动量交换前后转速的测量偏差和自身惯量加工偏差引入误差的可能；

本发明特别适用于带有可以摆动的大面阵成像部件的航天器活动部件的干扰力矩补偿系数标定，计算过程充分考虑并排除了转动部件运动时不可忽略的空气阻力影响及单轴气浮台气浮轴承摩擦力影响，使得标定结果更接近实际在轨运行状态，标定数据更准确。

附图说明

图1为载荷相机运动特性示意图；

图2为载荷相机1档工况下气浮台转速曲线图；

图3为载荷相机1/2档工况下气浮台转速曲线图；

图4为载荷相机1/3档工况下气浮台转速曲线图；

图5为本发明航天器活动部件干扰力矩标定方法的流程图；

图6为单轴气浮台倾斜时的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

某对地观测卫星的载荷相机成像机构为可活动的部件，其常规扫描摆动角速度为ω(1档)，并可调为1/2档、1/3档、1/4档等，扫描的角度范围相同。

如图1并结合图2、图3、图4所示，为载荷相机1档、1/2档、1/3档、1/4档工况下气浮台转速曲线，纵坐标单位为度每秒。给出某次标定试验中，该载荷相机分别以各档模式工作时气浮台台体的运动角速度情况。如果无外界干扰，假设载荷相机1档模式工作时，气浮台转速为ω台，则当载荷相机工作在1/2档、1/3档模式下，气浮台对应转速应分别为

和

而根据附图所示，情况完全不同，由此可以直观的说明地面标定试验中，存在不可忽略的外部干扰力矩作用，且在对台体转速的变化贡献中，所占比重远大于载荷相机动量变化的贡献。

如图5所示，为一种航天器活动部件干扰力矩标定方法的实施例，该方法包含：

S1、测定气浮台转动惯量J_台。

S1.1、如图6所示，搭建标定试验系统，其中单轴气浮台装置主要由气浮轴及轴承、基座65、气浮台的转台61、桁架64等组成。依靠气源提供的0.6Mpa～1Mpa的压缩空气在气浮轴和轴承之间形成气膜，使气浮台的台体51浮起，在旋转轴方向上模拟卫星在轨时特殊的力学环境。气浮台基座65底部一侧，安装有千斤顶62，可以使气浮台以两块调整垫铁为支撑点，倾斜约3°左右。

气浮台台体上放置有载荷相机(含支架)、补偿机构、控制系统部件及配套设备、配重块等，每次惯量不尽相同，需要对气浮台台体的转动惯量J_台进行计算。测定方法确定后，计算气浮台转动惯量用到的台面转速ω_台、转角位置S_台及采集转速的时刻t均由气浮台控制自动完成。

S1.2、台体配重平衡的情况下，在气浮台一侧增加适量质量块63，利用液压千斤顶62将气浮台倾倾斜一个小角度后，增加的质量块63产生的力矩使转台61可以做单摆运动，最后让转台61停止在单摆运动的最低端，即处于平衡位置。

S1.3、当转台61处于平衡位置时，转动转台61使其偏离平衡位置约30°左右，稳定后松开，转台61开始向平衡位置摆动。此时气浮台记录t₁₁时刻转台的位置θ₁和速度ω₁₁，且将θ₁和ω₁₁进行显示。转台61向下继续运动，气浮台记录t₁₂＝t₁₁+2s时刻，及其对应的速度ω₁₂，根据记录数值求出Δω₁＝ω₁₂-ω₁₁的大小。

S1.4、将转台61转动角度略大于θ₁，稳定后松开，气浮台开始第二次测量，气浮台记录转台61转角位置到达θ₁时的速度ω₂₁及其相应时刻t₂₁，及t₂₂＝t₂₁+2s时刻，及其对应的速度ω₂₂，根据记录数值求出Δω₂＝ω₂₂-ω₂₁的大小。

S1.5、本实施例中，依次重复两次S1.4，使测得三次的Δω_i(i＝1,2,3)，并将三次的Δω_i(i＝1,2,3)求平均值，即得到2s内转台61角速度增量的平均值Δω_J，J为此时气浮台转动惯量。

S1.6、在气浮台桁架65的最远端惯量配置盘上各加已知同等重量的质量块，根据已知的安装位置和测得的增加的已知质量块质量，其中增加的转动惯量为ΔJ。

S1.7、重复上述过程S1.3、S1.4、S1.5，多次对在平衡位置附近做单摆运动的气浮台，通过相同位置后，再经过相同时间(例如2s)的角速度增量进行测量；测量得到角速度增量，并取平均值Δω_(J+ΔJ)。

S1.8、求取气浮台转动惯量J_台。由于两次测量过程，记录的是相同起始位置的角速度，且Δt＝2s内摆过的角度很小，设多次单摆运动的不平衡力矩M为相等，则有式(1)和(2)：

J_台Δω_J＝MΔt (1)

(J_台+ΔJ)Δω_(J+ΔJ)＝MΔt (2)

根据式(1)和(2)求取气浮台转动惯量J_台，如式(3)：

式(3)中，ΔJ为在气浮台对称位置增加相同质量的质量块所增加的惯量；Δω_J为气浮台多次通过相同位置后经过相同时间的角速度增量的平均值；Δω_(J+ΔJ)为气浮台在对称位置增加相同质量的质量块，多次通过相同位置后经过相同时间的角速度增量的平均值。

S2、通过气浮台转动惯量求取补偿机构补偿系数需要调节量。

考虑外界干扰，在如图1所示载荷相机摆动的某一个t_变+t_匀段，单轴气浮台的转速变化是气浮轴承摩擦力矩、载荷相机摆动部件引起的空气阻力力矩(含转速变化段和匀速运动段)，载荷相机摆动部件的动量变化、补偿机构的动量变化等因素共同作用的结果。

其中，气浮轴承摩擦力矩作用方向M_摩擦与气浮台转速方向相反，力矩为定值f，如式(4)：

M_摩擦＝f (4)

根据具有不规则外形，低速转动物体引起的空气阻力力矩与转速的关系，设K为空气阻力力矩系数，设载荷在加速度段做匀加速运动，则载荷相机摆动过程中，速度变化段对气浮台的作用力矩M_变，如式(5)：

速度均匀段对气浮台的作用力矩M_匀，如式(6)：

设补偿机构的补偿系数需要调节的量为Δk，转速变化为Δω_补偿，则气浮台转速Δω_台满足如式(7)：

式(7)中，气浮台转动惯量J_台已由S1求出；t_变、t_匀、ω_匀为载荷相机运动参数，J_补偿为补偿机构的转动惯量，Δω_补偿为转速变化，均为各自产品的关键参数，由设计、加工保证，与设计值的差异可以忽略不计；Δω_台为气浮台转速变化，试验中由陀螺组合测得，精度由陀螺的指标保证且精度足够高。另外，f为气浮台轴承摩擦力矩、K为载荷相机摆动时的空气阻力力矩系数、J_载荷为载荷相机转动惯量。其中，气浮台轴承摩擦力矩f、载荷相机摆动时的空气阻力力矩系数K、载荷相机转动惯量J_载荷和补偿机构补偿系数需要调节的量Δk未知。

在载荷相机1档、1/2档、1/3档、1/4档三种工况下，分别开展多次试验，求取各工况下气浮台转速变化Δω_台的平均值，带入式(7)中，组成含有四个等式的方程组，即可求取补偿机构补偿系数需要调节量Δk。

同样，求取补偿机构补偿系数需要调节量的方法还可求取：气浮台当前承载情况下气浮轴承摩擦力矩f、载荷转动惯量J_载荷或载荷风阻系数K。

本发明还公开了一种航天器活动部件干扰力矩标定系统，该系统包含：气浮台转动惯量侧定模块和连接气浮台转动惯量侧定模块输出端的补偿模块。

气浮台转动惯量侧定模块用于测定气浮台转动惯量。

补偿模块用于通过气浮台转动惯量求取补偿机构补偿系数需要调节量。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种航天器活动部件干扰力矩标定方法，其特征在于，该方法包含：

测定气浮台转动惯量J_台；

通过气浮台转动惯量求取补偿机构补偿系数需要调节量；

所述求取补偿机构补偿系数需要调节量包含：

气浮轴承摩擦力矩M_摩擦的作用方向与气浮台转速方向相反，大小为定值，设为f，如式(4)：

|M_摩擦|＝f (4)

设载荷在加减速度段做匀变速运动，最大转速为ω_匀，且K为空气阻力力矩系数，根据具有不规则外形，低速转动物体引起的空气阻力力矩与转速的关系，载荷相机摆动过程中的变速阶段，对气浮台的作用力矩M_变，如式(5)：

速度均匀段对气浮台的作用力矩M_匀，如式(6)：

设补偿机构的补偿系数需要调节的量为Δk，转速变化为Δω_补偿，则气浮台动量变化满足如式(7)：

式(7)中，t_变为载荷相机加速或减速时间、t_匀为载荷相机匀速运动时间、ω_匀为载荷相机匀转速，J_补偿为补偿机构的转动惯量，Δω_补偿为转速变化，Δω_台为气浮台转速变化量，J_载荷为载荷相机转动惯量；

在载荷相机若干档的工况下，分别开展多次试验，求取各工况下气浮台转速变化量Δω_台的平均值，带入式(7)中，求取补偿机构补偿系数需要调节量Δk。

2.如权利要求1所述的航天器活动部件干扰力矩标定方法，其特征在于，所述气浮台转动惯量的测定方法包含：

使气浮台处于单摆运动的平衡位置；

多次对在平衡位置附近做单摆运动的气浮台，通过相同位置后，再经过相同时间的角速度增量进行测量；测量得到角速度增量，并取平均值Δω_J；

在气浮台对称位置增加相同质量的质量块，增加的惯量记为ΔJ，多次对在平衡位置附近做单摆运动的气浮台，通过相同位置后，再经过相同时间的角速度增量进行测量；测量得到角速度增量，并取平均值Δω_(J+ΔJ)；

从而求取气浮台转动惯量J_台。

3.如权利要求2所述的航天器活动部件干扰力矩标定方法，其特征在于，所述使气浮台处于单摆运动的平衡位置包含：

气浮台配重平衡的情况下，在台面一侧增加适量质量块；

利用液压千斤顶将气浮台倾倾斜一定角度后，增加的质量块产生的力矩使台面可以做单摆运动；

最后让气浮台停止在平衡位置。

4.如权利要求2所述的航天器活动部件干扰力矩标定方法，其特征在于，所述求取气浮台转动惯量包含：

设多次单摆运动的不平衡力矩M为相等，则有式(1)和(2)：

J_台Δω_J＝MΔt (1)

(J_台+ΔJ)Δω_(J+ΔJ)＝MΔt (2)

根据式(1)和(2)求取气浮台转动惯量J_台，如式(3)：

式(3)中，ΔJ为在气浮台对称位置增加相同质量的质量块所增加的惯量；Δω_J为气浮台多次通过相同位置后经过相同时间的角速度增量的平均值；Δω_(J+ΔJ)为气浮台在对称位置增加相同质量的质量块，多次通过相同位置后经过相同时间的角速度增量的平均值。

5.如权利要求1所述的航天器活动部件干扰力矩标定方法，其特征在于，所述求取补偿机构补偿系数需要调节量的方法可求取：气浮台当前承载情况下气浮轴承摩擦力矩f、载荷相机转动惯量J_载荷或载荷相机摆动时的空气阻力力矩系数K。

6.一种适用于如权利要求1至5中任意一项权利要求所述航天器活动部件干扰力矩标定方法的航天器活动部件干扰力矩标定系统，其特征在于，该系统包含：

气浮台转动惯量侧定模块，其测定气浮台转动惯量；

补偿模块，其连接气浮台转动惯量侧定模块输出端，通过气浮台转动惯量求取补偿机构补偿系数需要调节量。

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