太空飛行器活動部件幹擾力矩標定方法和系統與流程
2023-11-09 23:53:52 1
本發明涉及太空飛行器活動部件的幹擾力矩補償技術，具體涉及一種基於單軸氣浮臺的太空飛行器活動部件幹擾力矩標定方法和系統。
背景技術：
隨著航天遙感技術的發展和應用水平地不斷提升，在對地觀測中為實現更高解析度和更大觀測視場，遙感相機往往採用大型的、可以往復運動的擺鏡作為其成像部件。然而大型擺鏡運動產生的幹擾也給遙感衛星的姿態穩定度控制和指向控制帶來了影響，往往超出了相機成像所必須的姿態穩定度和指向精度要求。對於此影響，為減少地面通過圖像配準進行處理的壓力，有些衛星會設計前饋補償方案，採用飛輪等機構對活動部件運動幹擾力矩進行實時補償，抵消其在工作時對衛星姿態控制精度和穩定度的影響。其中，用於補償幹擾力矩的飛輪，其運動特性(這裡主要為轉速)的設計，決定於活動部件J載荷與飛輪J飛輪的慣量匹配關係。實際上，由於加工工藝或者裝配原因，J載荷很難與設計值毫無差別，而且每批次產品也均有不同。因此，需要根據產品配套情況對補償參數進行確定。因此，如何排除地面與在軌實際運行時的差異，對補償參數進行高精度的地面標定，是需要解決的一個問題。
技術實現要素：
本發明提供一種太空飛行器活動部件幹擾力矩標定方法和系統，能準確地獲取飛輪的補償參數標定值，確保衛星業務運行時有效補償活動部件運動產生的幹擾，使得衛星平臺達到載荷相機成像所需的姿態穩定度和指向精度需求。
為實現上述目的，本發明公開了一種太空飛行器活動部件幹擾力矩標定方法，其特徵在於，該方法包含：
測定氣浮臺轉動慣量J臺；
通過氣浮臺轉動慣量求取補償機構補償係數需要調節量。
上述氣浮臺轉動慣量的測定方法包含：
使氣浮臺處於單擺運動的平衡位置；
多次對在平衡位置附近做單擺運動的氣浮臺，通過相同位置後，再經過相同時間的角速度增量進行測量；測量得到角速度增量，並取平均值ΔωJ；
在氣浮臺對稱位置增加相同質量的質量塊，增加的慣量記為ΔJ，多次對在平衡位置附近做單擺運動的氣浮臺，通過相同位置後，再經過相同時間的角速度增量進行測量；測量得到角速度增量，並取平均值Δω(J+ΔJ)；
從而求取氣浮臺轉動慣量J臺。
上述使氣浮臺處於單擺運動的平衡位置包含：
氣浮臺配重平衡的情況下，在臺面一側增加適量質量塊；
利用液壓千斤頂將氣浮臺傾傾斜一定角度後，增加的質量塊產生的力矩使臺面可以做單擺運動；
最後讓氣浮臺停止在平衡位置。
上述求取氣浮臺轉動慣量包含：
設多次單擺運動的不平衡力矩M為相等，則有式(1)和(2)：
J臺ΔωJ＝MΔt (1)
(J臺+ΔJ)Δω(J+ΔJ)＝MΔt (2)
根據式(1)和(2)求取氣浮臺轉動慣量J臺，如式(3)：
式(3)中，ΔJ為在氣浮臺對稱位置增加相同質量的質量塊所增加的慣量；ΔωJ為氣浮臺多次通過相同位置後經過相同時間的角速度增量的平均值；Δω(J+ΔJ)為氣浮臺在對稱位置增加相同質量的質量塊，多次通過相同位置後經過相同時間的角速度增量的平均值。
上述求取補償機構補償係數需要調節量包含：
氣浮軸承摩擦力矩作用方向M摩擦與氣浮臺轉速方向相反，力矩為定值f，如式(4)：
M摩擦＝f (4)
根據具有不規則外形，低速轉動物體引起的空氣阻力力矩與轉速的關係，設K為空氣阻力力矩係數，設載荷在加速度段做勻加速運動，則載荷相機擺動過程中，速度變化段對氣浮臺的作用力矩M變，如式(5)：
速度均勻段對氣浮臺的作用力矩M勻，如式(6)：
設補償機構的補償係數需要調節的量為Δk，轉速變化為Δω補償，則氣浮臺轉速Δω臺滿足如式(7)：
式(7)中，t變、t勻、ω勻為載荷相機運動參數，J補償為補償機構的轉動慣量，Δω補償為轉速變化，Δω臺為氣浮臺轉速變化，f為氣浮臺軸承摩擦力矩、K為載荷相機擺動時的空氣阻力力矩係數、J載荷為載荷相機轉動慣量；
在載荷相機若干檔的工況下，分別開展多次試驗，求取各工況下氣浮臺轉速變化Δω臺的平均值，帶入式(7)中，求取補償機構補償係數需要調節量Δk。
上述求取補償機構補償係數需要調節量的方法可求取：氣浮臺當前承載情況下氣浮軸承摩擦力矩f、載荷轉動慣量J載荷或載荷風阻係數K。
一種太空飛行器活動部件幹擾力矩標定系統，其特點是，該系統包含：
氣浮臺轉動慣量側定模塊，其測定氣浮臺轉動慣量；
補償模塊，其連接氣浮臺轉動慣量側定模塊輸出端，通過氣浮臺轉動慣量求取補償機構補償係數需要調節量。
本發明太空飛行器活動部件幹擾力矩標定方法和系統和現有技術相比，其優點在於，本發明在氣浮臺轉動慣量測定方面，不藉助與氣浮平臺固連的已知慣量和轉速的物體與其進行動量交換來完成慣量測定，排除了該物體在動量交換前後轉速的測量偏差和自身慣量加工偏差引入誤差的可能；
本發明特別適用於帶有可以擺動的大面陣成像部件的太空飛行器活動部件的幹擾力矩補償係數標定，計算過程充分考慮並排除了轉動部件運動時不可忽略的空氣阻力影響及單軸氣浮臺氣浮軸承摩擦力影響，使得標定結果更接近實際在軌運行狀態，標定數據更準確。
附圖說明
圖1為載荷相機運動特性示意圖；
圖2為載荷相機1檔工況下氣浮臺轉速曲線圖；
圖3為載荷相機1/2檔工況下氣浮臺轉速曲線圖；
圖4為載荷相機1/3檔工況下氣浮臺轉速曲線圖；
圖5為本發明太空飛行器活動部件幹擾力矩標定方法的流程圖；
圖6為單軸氣浮臺傾斜時的側視圖。
具體實施方式
以下結合附圖，進一步說明本發明的具體實施例。
某對地觀測衛星的載荷相機成像機構為可活動的部件，其常規掃描擺動角速度為ω(1檔)，並可調為1/2檔、1/3檔、1/4檔等，掃描的角度範圍相同。
如圖1並結合圖2、圖3、圖4所示，為載荷相機1檔、1/2檔、1/3檔、1/4檔工況下氣浮臺轉速曲線，縱坐標單位為度每秒。給出某次標定試驗中，該載荷相機分別以各檔模式工作時氣浮臺臺體的運動角速度情況。如果無外界幹擾，假設載荷相機1檔模式工作時，氣浮臺轉速為ω臺，則當載荷相機工作在1/2檔、1/3檔模式下，氣浮臺對應轉速應分別為和而根據附圖所示，情況完全不同，由此可以直觀的說明地面標定試驗中，存在不可忽略的外部幹擾力矩作用，且在對臺體轉速的變化貢獻中，所佔比重遠大於載荷相機動量變化的貢獻。
如圖5所示，為一種太空飛行器活動部件幹擾力矩標定方法的實施例，該方法包含：
S1、測定氣浮臺轉動慣量J臺。
S1.1、如圖6所示，搭建標定試驗系統，其中單軸氣浮臺裝置主要由氣浮軸及軸承、基座65、氣浮臺的轉臺61、桁架64等組成。依靠氣源提供的0.6Mpa～1Mpa的壓縮空氣在氣浮軸和軸承之間形成氣膜，使氣浮臺的臺體51浮起，在旋轉軸方向上模擬衛星在軌時特殊的力學環境。氣浮臺基座65底部一側，安裝有千斤頂62，可以使氣浮臺以兩塊調整墊鐵為支撐點，傾斜約3°左右。
氣浮臺臺體上放置有載荷相機(含支架)、補償機構、控制系統部件及配套設備、配重塊等，每次慣量不盡相同，需要對氣浮臺臺體的轉動慣量J臺進行計算。測定方法確定後，計算氣浮臺轉動慣量用到的臺面轉速ω臺、轉角位置S臺及採集轉速的時刻t均由氣浮臺控制自動完成。
S1.2、臺體配重平衡的情況下，在氣浮臺一側增加適量質量塊63，利用液壓千斤頂62將氣浮臺傾傾斜一個小角度後，增加的質量塊63產生的力矩使轉臺61可以做單擺運動，最後讓轉臺61停止在單擺運動的最低端，即處於平衡位置。
S1.3、當轉臺61處於平衡位置時，轉動轉臺61使其偏離平衡位置約30°左右，穩定後鬆開，轉臺61開始向平衡位置擺動。此時氣浮臺記錄t11時刻轉臺的位置θ1和速度ω11，且將θ1和ω11進行顯示。轉臺61向下繼續運動，氣浮臺記錄t12＝t11+2s時刻，及其對應的速度ω12，根據記錄數值求出Δω1＝ω12-ω11的大小。
S1.4、將轉臺61轉動角度略大於θ1，穩定後鬆開，氣浮臺開始第二次測量，氣浮臺記錄轉臺61轉角位置到達θ1時的速度ω21及其相應時刻t21，及t22＝t21+2s時刻，及其對應的速度ω22，根據記錄數值求出Δω2＝ω22-ω21的大小。
S1.5、本實施例中，依次重複兩次S1.4，使測得三次的Δωi(i＝1,2,3)，並將三次的Δωi(i＝1,2,3)求平均值，即得到2s內轉臺61角速度增量的平均值ΔωJ，J為此時氣浮臺轉動慣量。
S1.6、在氣浮臺桁架65的最遠端慣量配置盤上各加已知同等重量的質量塊，根據已知的安裝位置和測得的增加的已知質量塊質量，其中增加的轉動慣量為ΔJ。
S1.7、重複上述過程S1.3、S1.4、S1.5，多次對在平衡位置附近做單擺運動的氣浮臺，通過相同位置後，再經過相同時間(例如2s)的角速度增量進行測量；測量得到角速度增量，並取平均值Δω(J+ΔJ)。
S1.8、求取氣浮臺轉動慣量J臺。由於兩次測量過程，記錄的是相同起始位置的角速度，且Δt＝2s內擺過的角度很小，設多次單擺運動的不平衡力矩M為相等，則有式(1)和(2)：
J臺ΔωJ＝MΔt (1)
(J臺+ΔJ)Δω(J+ΔJ)＝MΔt (2)
根據式(1)和(2)求取氣浮臺轉動慣量J臺，如式(3)：
式(3)中，ΔJ為在氣浮臺對稱位置增加相同質量的質量塊所增加的慣量；ΔωJ為氣浮臺多次通過相同位置後經過相同時間的角速度增量的平均值；Δω(J+ΔJ)為氣浮臺在對稱位置增加相同質量的質量塊，多次通過相同位置後經過相同時間的角速度增量的平均值。
S2、通過氣浮臺轉動慣量求取補償機構補償係數需要調節量。
考慮外界幹擾，在如圖1所示載荷相機擺動的某一個t變+t勻段，單軸氣浮臺的轉速變化是氣浮軸承摩擦力矩、載荷相機擺動部件引起的空氣阻力力矩(含轉速變化段和勻速運動段)，載荷相機擺動部件的動量變化、補償機構的動量變化等因素共同作用的結果。
其中，氣浮軸承摩擦力矩作用方向M摩擦與氣浮臺轉速方向相反，力矩為定值f，如式(4)：
M摩擦＝f (4)
根據具有不規則外形，低速轉動物體引起的空氣阻力力矩與轉速的關係，設K為空氣阻力力矩係數，設載荷在加速度段做勻加速運動，則載荷相機擺動過程中，速度變化段對氣浮臺的作用力矩M變，如式(5)：
速度均勻段對氣浮臺的作用力矩M勻，如式(6)：
設補償機構的補償係數需要調節的量為Δk，轉速變化為Δω補償，則氣浮臺轉速Δω臺滿足如式(7)：
式(7)中，氣浮臺轉動慣量J臺已由S1求出；t變、t勻、ω勻為載荷相機運動參數，J補償為補償機構的轉動慣量，Δω補償為轉速變化，均為各自產品的關鍵參數，由設計、加工保證，與設計值的差異可以忽略不計；Δω臺為氣浮臺轉速變化，試驗中由陀螺組合測得，精度由陀螺的指標保證且精度足夠高。另外，f為氣浮臺軸承摩擦力矩、K為載荷相機擺動時的空氣阻力力矩係數、J載荷為載荷相機轉動慣量。其中，氣浮臺軸承摩擦力矩f、載荷相機擺動時的空氣阻力力矩係數K、載荷相機轉動慣量J載荷和補償機構補償係數需要調節的量Δk未知。
在載荷相機1檔、1/2檔、1/3檔、1/4檔三種工況下，分別開展多次試驗，求取各工況下氣浮臺轉速變化Δω臺的平均值，帶入式(7)中，組成含有四個等式的方程組，即可求取補償機構補償係數需要調節量Δk。
同樣，求取補償機構補償係數需要調節量的方法還可求取：氣浮臺當前承載情況下氣浮軸承摩擦力矩f、載荷轉動慣量J載荷或載荷風阻係數K。
本發明還公開了一種太空飛行器活動部件幹擾力矩標定系統，該系統包含：氣浮臺轉動慣量側定模塊和連接氣浮臺轉動慣量側定模塊輸出端的補償模塊。
氣浮臺轉動慣量側定模塊用於測定氣浮臺轉動慣量。
補償模塊用於通過氣浮臺轉動慣量求取補償機構補償係數需要調節量。
儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。