遥感系列卫星在轨微振动测量与分析

周东强，曹 瑞，赵 煜

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

卫星入轨后随着各类活动部件开启以及不断进出阴影区，星上出现微振动环境。在轨微振动环境是影响遥感卫星有效载荷敏感器指向稳定性能、成像质量的重要因素之一。遥感卫星在轨微振动源主要来自于星上高速转动部件和大型部件驱动机构，如工作时的反作用轮、SADA、有效载荷驱动电机、推力器以及冷热交变时的大型柔性构件的颤振。

为了深入了解和认识卫星在轨微振动环境并实施有效的主动控制措施，国内外开展了许多研究工作，包括理论基础研究、地面微振动试验测试研究和建模仿真计算研究等。但是地面微振动试验中在轨微重力环境较难模拟，卫星在轨微振动各项理论研究和数字仿真模型均缺乏测量数据进行修正，研究与计算结果难以验证，而卫星在轨微振动环境测量可以为相关研究及修正提供数据支持。NASA和德国航天局合作曾于1996年、1997年在ASTROSPAS小卫星上进行两次微振动环境测量。我国在遥感卫星上开展了在轨微振动环境研究，即在4颗遥感卫星上装载力学环境测量系统，以采集在轨微振动环境数据。

本文主要介绍遥感系列卫星在轨微振动测量实施情况与测量结果，分析该系列卫星在轨微振动特性，为今后在轨微振动研究与减振/隔振实施奠定基础。

1 遥感系列卫星微振动测量情况

力学环境测量系统具备卫星在轨微振动力学环境参数采集、编码、存储功能，并能够利用数传通道下传测量数据。该系统有18路测量通道；携带6支三向高精度微振动测量传感器，其测量频率范围为0.1～150 Hz，量程为0.001 g～0.1 g；系统测量精度优于±10%；采用4倍频率采样、12位量化采集微振动数据。

1.1 测点选择

为了方便地测量星上微振动源位置处及光学敏感设备处的微振动，对星上测点进行了系统规划与布置，其基本思路是：选择在微振动源、光学敏感设备安装位置以及传递路径上布置测点。共布置了21个微振动测点，各测点布置情况见表1。

表1 遥感系列卫星微振动环境测点布置Table 1 Micro-vibration environment measuring points in remote sensing satellites

1.2 测量情况

先后进行了10次在轨微振动测量：1#卫星测量 2次，分别为反作用轮启动时和在轨稳定运行时；2#卫星在轨稳定运行后测量1次；3#卫星在轨稳定运行后测量3次；4#卫星测量4次，分别在反作用轮工作、天线展开、成像时进行测量。

2 测量结果分析

2.1 微振动源的测量结果

图1(a)所示为4#卫星反作用轮正常工作（转速约为1500 r/min）时的微振动加速度，图1(b)为其局部放大图。在反作用轮处出现有规律的节拍现象，其原因有待进一步讨论与研究。

图1 4#卫星反作用轮的微振动加速度Fig. 1 Micro-vibration acceleration measurement of reaction momentum wheel on 4# sensing satellite

表2列出了4颗卫星在轨稳定运行时主要活动部件的微振动加速度。

测量结果表明：辐射计/散射计天线转动机构的微振动加速度最大，其次是反作用轮。下面对测量结果逐一进行讨论与说明：

1）反作用轮

4颗卫星反作用轮的转速均为1500 r/min。测量结果显示，4颗卫星反作用轮的微振动加速度值相当，最大值为23.5 mg。由于4#卫星的反作用轮工作数量约为其他3颗卫星的一半，所以加速度值略小，为14.2 mg。

2）辐射计/散射计转动机构

1#卫星辐射计/散射计天线转动机构工作时加速度达到57.5 mg，与其他活动部件相比，对卫星在轨微振动环境影响较大。

3）天线驱动机构

卫星入轨后，天线相继解锁展开并锁定，展开过程中由天线驱动机构微振动引起的加速度达到100 mg；天线锁定后且卫星稳定运行时的加速度小于3.4 mg。相比反作用轮，天线驱动机构锁定后的振动量级非常小。

4）太阳电池阵驱动机构

3颗星进行了太阳电池阵驱动机构的微振动测量。测量结果表明，太阳电池阵驱动机构振动加速度量级较小，均小于2.1 mg。但是，由于太阳电池阵属大型柔性部件，其微振动频率成分较为丰富。

表2 遥感系列卫星主要活动部件的最大微振动加速度值Table 2 The maximum amplitude of the micro-vibration acceleration of the main active parts

2.2 敏感设备处微振动测量结果

遥感系列卫星的敏感设备主要有星敏感器、激光通信设备、相机等。测量系统测量了各敏感设备位置的微振动环境，分别为：1#卫星的激光通信设备；2#、3#卫星的星敏感器；2#、3#和 4#卫星的相机。

1）激光通信设备

在辐射计/散射计天线转动机构和反作用轮同时作用下，测得激光通信设备位置处微振动环境约为10 mg。

2）星敏感器

卫星稳定运行时星上工作的活动部件主要有反作用轮、太阳电池阵驱动机构以及其他含电机工作的组件。受结构传递衰减的影响，活动部件的微振动加速度传递至星敏感器位置处其量级衰减非常明显，星敏感器位置处微振动加速度约为1.9 mg。

3）相机组件

卫星成像工作时，活动部件有反作用轮、太阳电池阵驱动机构等。由于相机质量及安装位置的特殊性，活动部件的微振动加速度传递至相机处衰减明显，最大值约为5 mg。

3 传递情况分析

卫星在轨微振动传递特性非常复杂，与星上结构布局和传递路径等因素直接相关。遥感系列卫星光学敏感设备与大功率活动部件之间有多层舱板相隔，增加了传递路径的距离与复杂性。测量结果表明：活动部件位置处的微振动加速度经过复杂结构的反射与传递，到光学敏感设备处时衰减较大，衰减度约为15%。

从 4#卫星反作用轮至相机的微振动信号传递图（见图 2）可以看出，受传递路径和结构局部频率的影响，微振动信号的节拍特征或现象完全消失，相机微振动环境表现为随机信号扰动。从4#卫星反作用轮至相机的频率传递图（见图 3）可以看出：低频信号（＜120 Hz）基本上是完全传递的，频率和频率带能量衰减不明显；高频信号（＞120 Hz）受结构局部刚度影响较大，频率衰减非常明显，反作用轮处在 137.5 Hz频率带上的能量峰值传递到相机处几乎完全消失，相应地在相机处被激发了新的频率能量峰值。

图2 4#卫星反作用轮至相机组件微振动信号传递图Fig. 2 Micro-vibration signal transition from reaction momentum wheel to the camera components on 4# sensing satellite

图3 4#卫星反作用轮至相机组件微振动频率传递图Fig. 3 Frequency-transition from reaction momentum wheel to the camera components on 4# sensing satellite

4 结束语

本文分析了遥感系列卫星主要活动部件和敏感器件在轨运行时微振动环境测量结果以及微振动频率传递和能量衰减情况。这些测量结果可为今后星上微振动研究和地面测试、模拟仿真研究提供有效的数据支持。

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