CN102023051A - 一种测量星上有效载荷三轴角位移高频微振动的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量星上有效载荷三轴角位移高频微振动的方法，本发明通过测量线加速度，利用了高频信号经过两次积分后产生的放大效应，从而以较低代价实现高精度测量，分析表明，对于50Hz幅值为10^-6度的角位移，在1m测量基线的情况下，采用10^-4g精度的加速度计即可，大大降低了仪器了精度，降低了测量成本；本发明提供了整段时间、时间窗口内两个前提下振动量的测量方法。

Description

一种测量星上有效载荷三轴角位移高频微振动的方法

技术领域

本发明涉及星上三轴角位移高频微振动的测量方法，适用于星上有效载荷三轴角位移高频(超出卫星控制***带宽的频率，通常大于几十赫兹)、微振动(角秒级以下)的测量方法，属于航天器高精度高稳定度姿态控制技术领域。

背景技术

大型复杂卫星，诸如以0.1m甚高分辨率对地观测和1∶10000立体测绘为代表的复杂卫星，是多功能、高性能大型***。这些复杂卫星往往呈现典型的大型多体挠性空间结构，主要表现在：多功能和高性能要求有效载荷的比重不断增加，而中心结构、天线、太阳帆板等公用舱必将轻型化，因此必须将其作为挠性多体结构卫星。另一方面，这些复杂卫星又迫切要求实现甚高精度姿态控制，以满足卫星甚高分辨率对地观测和测绘的要求。

航天器上的动量轮、控制力矩陀螺、反作用喷气装置等运动部件又会不同程度地使航天器平台产生抖动，引起精密的光学敏感器件和观测载荷的性能指标大幅降低，如成像质量大幅降低甚至失去观测目标等。因此，需要对有效载荷高频微振动信息进行测量和评估。

然而，由于星上活动部件的存在，例如高旋转的动量轮和控制力矩陀螺、帆板驱动机构等，极有可能引发星体和有效载荷处的高频抖动，因而严重影响有效载荷的工作性能。因此，研究星上高频抖动测量方法，进而实现星上高频抖动的控制，对于卫星甚高分辨率对地观测和测绘有着重要意义。

美国太阳动力学观测卫星(SDO)，通过建立执行部件模型、星体有限元模型和抖动传播模型；利用数学仿真，计算了星体的振动量水平为两个有效载荷处的振动量是0.047″和0.053″。美国静止轨道气象卫星GOES-N，在轨测试了动量轮在不同转速下的抖动角速度；三轴的抖动角速度采用高带宽的惯性器件(AVS，800Hz)测量；抖动敏感器直接安装在有效载荷基座上；通过数据处理，得到抖动角速度的幅度和频率分布。日本高级陆地观测卫星ALOS直接测量星上抖动角度；采用基于磁流体动力学的高带宽(2Hz-500Hz)抖动敏感器(ADS)；安装在光学敏感器基座上；实现了10-6deg量级抖动角度的在轨测量。从目前国外技术进展看，这些方法主要采用直接测量抖动角位移信号，但对于星上角位移微振动(角秒级以下)，其特点是幅值小，频率高，因此直接测量难度大，代价高。

目前，国内在轨卫星的姿态测量敏感器(星敏、陀螺等)由于灵敏度和带宽的限制，还无法测量姿态振动量信息。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种实现星上光学相机等有效载荷三轴角位移高频微振动的测量方法。

本发明的技术解决方案是：一种测量星上有效载荷三轴角位移高频微振动的方法，通过以下步骤实现：

第一步，安装三轴加速度计组件

三轴加速度计组件安装在有效载荷的安装支架平台上，即在有效载荷的前后两个表面各安装一套三轴加速度计组件，每套三轴加速度计组件包括三个用来测量有效载荷三个轴振动量的加速度计，三个加速度计的敏感轴两两正交于一点，测量有效载荷同一方向振动的两个加速度计敏感轴相互平行，即两套三轴加速度计组件中加速度计的敏感轴两两平行，加速度计敏感轴交点的连线与有效载荷的中心轴平行；

第二步，采集第一步中加速度计的测量得到的有效载荷前后两个平面的线加速度信号，利用公式(1)得到有效载荷的角加速度a(t)，

$a\left(t\right)=\frac{a_1-a_2}{L}---\left(1\right)$

其中，a₁、a₂为两个敏感轴相互平行的加速度计测量得到的线加速度信号，L为测量基线长度，即两个敏感轴相互平行的加速度计之间的距离，t为测量时间；

第三步，将第二步得到有效载荷的角加速度a(t)转化为频域功率谱密度函数A(f)，利用公式(2)得到有效载荷的角速度功率密度

利用公式(3)得到有效载荷角位移功率谱密度θ(f)，

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(f\right)=\frac{A\left(f\right)}{2\mathrm{\πf}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\θ}\left(f\right)=\frac{A\left(f\right)}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2}---\left(3\right)$

f为线加速度信号的频率；

第四步，利用公式(4)得到有效载荷一个轴方向上的在测量时间内的角度振动量Φ_rms，

Φ² _rms＝∑θ²(f)·Δf                    (4)；

第五步，计算某个时间窗口T内有效载荷一个轴方向上的角度振动量，

A5.1、利用公式(5)得到低于临界频率f₀范围的角度振动量Δθ₀，

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{T}{2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{0,i}---\left(5\right)$

其中

为利用公式(2)得到的低于临界频率f₀的各个抖动频率的角速度幅值，i∈[1，2，…I]，I是低于临界频率f₀的抖动频率的角速度幅值的总数，临界频率f₀＝1/(πT)；

A5.2、利用公式(6)得到高于临界频率f₀范围的角度振动量Δθ₁，

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1=\sqrt{{\∫}_{f_0}^{+\∞}{\mathrm{\θ}}_1^2\left(f\right)\mathrm{df}}---\left(6\right)$

其中θ₁为利用公式(3)得到的高于临界频率f₀的各个抖动频率的角度幅值；

A5.3、利用公式(7)得到在时间窗口T内的有效载荷的角度振动量Δθ，

Δθ＝Δθ₀+Δθ₁                (7)；

第六步，重复第二步～第五步，得到有效载荷其余两个轴的角度振动量。

本发明设计要点：

1、测量方案

如图1所示，圆柱体为星上有效载荷，假设其为刚性，在其前后表面各安装一套三轴加速度计组件，同步测量前后两个表面的线加速度信号a1和a2；

通过差分，并根据测量基线长度L，可获得角加速度；

$a\left(t\right)=\frac{a1-a2}{L}$

对角加速度信号进行频谱分析，根据频谱特性设计带通滤波器，减少测量噪声和环境干扰的影响；

计算高频振动量。

2、测量精度分析

考虑频率为f的角加速度信号a，其与角位移θ的幅值关系

a＝(2πf)²·θ

对于50Hz的角加速度信号，要达到10^-6deg的精度，则线加速度的测量精度优于10^-3m/s²即可(＜10^-4g)，如图3所示。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明通过测量线加速度，利用了高频信号经过两次积分后产生的放大效应，从而以较低代价实现高精度测量，分析表明，对于50Hz幅值为10^-6度的角位移，在1m测量基线的情况下，采用10^-4g精度的加速度计即可，大大降低了仪器了精度，降低了测量成本；

(2)本发明提供了整段时间、时间窗口内两个前提下振动量的测量方法。

附图说明

图1为本发明测量安装图；

图2为本发明星载相机测量安装图；

图3为满足10^-6度分辨率的角位移振动频率与加速度幅值的关系图；

图4为本发明流程图。

具体实施方式

高分辨率详查对地侦察卫星，有两个很重要的指标：图像清晰度和分辨率。这两项指标与控制***的设计指标关系密切。为保证图像质量一般要对姿态稳定度提出要求。但姿态稳定度的提法有多种，量纲有角度也有角速度，概念不明确，说法也不统一。为此，本发明定义姿态振动量如下：是在取一幅图像和一个像元的时间内，卫星本体在三轴方向产生的姿态偏差，即在某一个时间窗口T区间内，产生的姿态变动量。

本发明具体实施分三个步骤：

其一，加速度计选型与配置；其二，经过电荷放大和AD转换，采集信号；其三，数据分析处理。

以下以星载相机为例，详细说明本发明，本发明流程如图4所示。

1)加速度计选型

根据前述分析，为了满足高频抖动信号测量的要求，选择测量抖动的加速度计要保证足够的带宽和信噪比。典型的如压电加速度计，其分辨率1×10^-5g；带宽0.3Hz～10KHz，可以满足要求。

2)配置方式

可选择安装于星上相机的安装支架平台上，测量同一方向抖动的两个加速度计敏感轴相互平行，并且应与相机光轴垂直。如2图所示，在相机的前后表面各安装两个敏感轴正交的加速度计，其中安装在相机后表面的加速度计1与加速度计2正交、安装在相机前表面的加速度计3与加速度计4正交，且加速度计1与加速度计3敏感轴平行，加速度计2与加速度计4敏感轴平行。由于对于相机而言，其光轴方向的振动量对相机没有影响，因此，可以只在其前后表面可只安装两个与光轴平行的加速度计，而每一个轴振动量的计算方法一致，因此，测量三轴与测量两轴的方法没有本质区别，以下仅以一轴(加速度计1与加速度计3)为例来说明。

3)数据处理方法

(1)差分数据预处理

加速度计1测量得到时域信号a₁，加速度计3测量得到时域信号a₂，利用公式(1)得到有效载荷的角加速度a(t)，

$a\left(t\right)=\frac{a_1-a_2}{L}---\left(1\right)$

L为测量基线长度，即两个敏感轴相互平行的加速度计之间的距离，t为测量时间。

将两台加速度计测量时域信号相减，原因是两台加速度计时域测量中相同部分为外界环境噪声，不同部分为各自的有用信号和自身噪声，所以，两台加速度计时域相减可以扣除外界环境噪声，但各自的自身噪声则被合成，均方差扩大到原来的

倍。而有用信号差分后，再除以测量基线L即为角加速度信号。

(2)数据频谱分析

对角加速度a(t)进行功率谱分析，转化到频域功率谱密度函数A(f)，则对应的角速度功率谱密度为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(f\right)=\frac{A\left(f\right)}{2\mathrm{\πf}},(\mathrm{deg}/s/H{z}^{1/2})---\left(2\right)$

角位移功率谱密度为：

$\mathrm{\θ}\left(f\right)=\frac{A\left(f\right)}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2},(\mathrm{deg}/H{z}^{1/2})---\left(3\right)$

f为线加速度信号的频率。

计算角位移的均方根值

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\∫{\mathrm{\θ}}^2\left(f\right)\mathrm{df}},\left(\mathrm{deg}\right)$

上式可以反映出振动角位移的水平(均方根值为Φ_rms，1σ)。上述积分在实际应用则采用离散积分形式，即

Φ² _rms＝∑θ²(f)·Δf                        (4)

该方法优点是频谱泄露少，抗噪声能力强。至此，利用公式(4)得到有效载荷一个轴方向上的在测量时间内的角度振动量Φ_rms。

例如，针对某次试验的线加速度的频谱分析结果如下，其抖动频率主要为67Hz，幅值为4.30×10^-3g；试验中测量基线L＝1m，按照公式(2)～(4)得到对应的角速度和角位移的抖动幅度分别为5.85×10^-3deg/s和13.9×10^-6deg。

(3)时间窗口下的角度振动量计算

若要针对某个时间窗口T(例如2ms)，则对应临界频率f₀＝1/(πT)，那么振动量计算方法如下：

其一，以临界频率f₀为界，根据上述频谱分析结果，分别对低于f₀和高于f₀的频率范围，拾取主要频率的幅值。

其二，低于临界频率f₀的范围，其角度振动量按如下公式计算

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{T}{2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{0,i}---\left(5\right)$

其中为低于临界频率f₀的各个抖动频率的角速度幅值，由公式(2)得到，i∈[1，2，…I]，I是低于临界频率f₀的抖动频率的角速度幅值的总数。

其三，高于临界频率f₀的范围，其角度振动量按如下公式计算

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1=\sqrt{{\∫}_{f_0}^{+\∞}{\mathrm{\θ}}_1^2\left(f\right)\mathrm{df}},\left(\mathrm{deg}\right)---\left(6\right)$

其中θ₁为高于临界频率f₀的各个抖动频率的角度幅值，由公式(3)得到。

在时间窗口T内的角度振动量Δθ为上述两部分之和，即

Δθ＝Δθ₀+Δθ₁                        (7)

利用公式(7)最终得到在时间窗口T内的星载相机的角度振动量Δθ。

例如，时间窗口T＝2ms，对应临近频率f₀＝159Hz，某次试验中时间窗口T内的角振动量为5.85×10^-6deg。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种测量星上有效载荷三轴角位移高频微振动的方法，其特征在于通过以下步骤实现：

第一步，安装三轴加速度计组件

三轴加速度计组件安装在有效载荷的安装支架平台上，即在有效载荷的前后两个表面各安装一套三轴加速度计组件，每套三轴加速度计组件包括三个用来测量有效载荷三个轴振动量的加速度计，三个加速度计的敏感轴两两正交于一点，测量有效载荷同一方向振动的两个加速度计敏感轴相互平行，即两套三轴加速度计组件中加速度计的敏感轴两两平行，加速度计敏感轴交点的连线与有效载荷的中心轴平行；

第二步，采集第一步中加速度计的测量得到的有效载荷前后两个平面的线加速度信号，利用公式(1)得到有效载荷的角加速度a(t)，

$a\left(t\right)=\frac{a_1-a_2}{L}---\left(1\right)$

其中，a₁、a₂为两个敏感轴相互平行的加速度计测量得到的线加速度信号，L为测量基线长度，即两个敏感轴相互平行的加速度计之间的距离，t为测量时间；

第三步，将第二步得到有效载荷的角加速度α(t)转化为频域功率谱密度函数A(f)，利用公式(2)得到有效载荷的角速度功率密度

利用公式(3)得到有效载荷角位移功率谱密度θ(f)，

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(f\right)=\frac{A\left(f\right)}{2\mathrm{\πf}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\θ}\left(f\right)=\frac{A\left(f\right)}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2}---\left(3\right)$

f为线加速度信号的频率；

第四步，利用公式(4)得到有效载荷一个轴方向上的在测量时间内的角度振动量Φ_rms，

Φ² _rms＝∑θ²(f)·Δf                 (4)；

第五步，计算某个时间窗口T内有效载荷一个轴方向上的角度振动量，

A5.1、利用公式(5)得到低于临界频率f₀范围的角度振动量Δθ₀，

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{T}{2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{0,i}---\left(5\right)$

其中

为利用公式(2)得到的低于临界频率f₀的各个抖动频率的角速度幅值，i∈[1，2，…I]，I是低于临界频率f₀的抖动频率的角速度幅值的总数，临界频率f₀＝1/(πT)；

A5.2、利用公式(6)得到高于临界频率f₀范围的角度振动量Δθ₁，

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1=\sqrt{{\∫}_{f_0}^{+\∞}{\mathrm{\θ}}_1^2\left(f\right)\mathrm{df}}---\left(6\right)$

其中θ₁为利用公式(3)得到的高于临界频率f₀的各个抖动频率的角度幅值；

A5.3、利用公式(7)得到在时间窗口T内的有效载荷的角度振动量Δθ，

Δθ＝Δθ₀+Δθ₁                     (7)；

第六步，重复第二步～第五步，得到有效载荷其余两个轴的角度振动量。

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