本發(fā)明涉及航天器活動部件的干擾力矩補償技術(shù)，具體涉及一種基于單軸氣浮臺的航天器活動部件干擾力矩標定方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著航天遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平地不斷提升，在對地觀測中為實現(xiàn)更高分辨率和更大觀測視場，遙感相機往往采用大型的、可以往復(fù)運動的擺鏡作為其成像部件。然而大型擺鏡運動產(chǎn)生的干擾也給遙感衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)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(tài)穩(wěn)定度和指向精度要求。對于此影響，為減少地面通過圖像配準進行處理的壓力，有些衛(wèi)星會設(shè)計前饋補償方案，采用飛輪等機構(gòu)對活動部件運動干擾力矩進行實時補償，抵消其在工作時對衛(wèi)星姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定度的影響。其中，用于補償干擾力矩的飛輪，其運動特性(這里主要為轉(zhuǎn)速)的設(shè)計，決定于活動部件J載荷與飛輪J飛輪的慣量匹配關(guān)系。實際上，由于加工工藝或者裝配原因，J載荷很難與設(shè)計值毫無差別，而且每批次產(chǎn)品也均有不同。因此，需要根據(jù)產(chǎn)品配套情況對補償參數(shù)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(shù)進行高精度的地面標定，是需要解決的一個問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種航天器活動部件干擾力矩標定方法和系統(tǒng)，能準確地獲取飛輪的補償參數(shù)標定值，確保衛(wèi)星業(yè)務(wù)運行時有效補償活動部件運動產(chǎn)生的干擾，使得衛(wèi)星平臺達到載荷相機成像所需的姿態(tài)穩(wěn)定度和指向精度需求。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種航天器活動部件干擾力矩標定方法，其特征在于，該方法包含：

測定氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量J_臺；

通過氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量求取補償機構(gòu)補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)量。

上述氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量的測定方法包含：

使氣浮臺處于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，通過相同位置后，再經(jīng)過相同時間的角速度增量進行測量；測量得到角速度增量，并取平均值Δω_J；

在氣浮臺對稱位置增加相同質(zhì)量的質(zhì)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，通過相同位置后，再經(jīng)過相同時間的角速度增量進行測量；測量得到角速度增量，并取平均值Δω_(J+ΔJ)；

從而求取氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量J_臺。

上述使氣浮臺處于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(cè)增加適量質(zhì)量塊；

利用液壓千斤頂將氣浮臺傾傾斜一定角度后，增加的質(zhì)量塊產(chǎn)生的力矩使臺面可以做單擺運動；

最后讓氣浮臺停止在平衡位置。

上述求取氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量包含：

設(shè)多次單擺運動的不平衡力矩M為相等，則有式(1)和(2)：

J_臺Δω_J＝MΔt (1)

(J_臺+ΔJ)Δω_(J+ΔJ)＝MΔt (2)

根據(jù)式(1)和(2)求取氣浮臺轉(zhuǎn)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(zhì)量的質(zhì)量塊所增加的慣量；Δω_J為氣浮臺多次通過相同位置后經(jīng)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(zhì)量的質(zhì)量塊，多次通過相同位置后經(jīng)過相同時間的角速度增量的平均值。

上述求取補償機構(gòu)補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)量包含：

氣浮軸承摩擦力矩作用方向M_摩擦與氣浮臺轉(zhuǎn)速方向相反，力矩為定值f，如式(4)：

M_摩擦＝f (4)

根據(jù)具有不規(guī)則外形，低速轉(zhuǎn)動物體引起的空氣阻力力矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，設(shè)K為空氣阻力力矩系數(shù)，設(shè)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(shè)補償機構(gòu)的補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)的量為Δk，轉(zhuǎn)速變化為Δω_補償，則氣浮臺轉(zhuǎn)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(shù)，J_補償為補償機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量，Δω_補償為轉(zhuǎn)速變化，Δω_臺為氣浮臺轉(zhuǎn)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系數(shù)、J_載荷為載荷相機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速變化Δω_臺的平均值，帶入式(7)中，求取補償機構(gòu)補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)量Δk。

上述求取補償機構(gòu)補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)量的方法可求?。簹飧∨_當(dāng)前承載情況下氣浮軸承摩擦力矩f、載荷轉(zhuǎn)動慣量J_載荷或載荷風(fēng)阻系數(shù)K。

一種航天器活動部件干擾力矩標定系統(tǒng)，其特點是，該系統(tǒng)包含：

氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量側(cè)定模塊，其測定氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量；

補償模塊，其連接氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量側(cè)定模塊輸出端，通過氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量求取補償機構(gòu)補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)量。

本發(fā)明航天器活動部件干擾力矩標定方法和系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點在于，本發(fā)明在氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量測定方面，不借助與氣浮平臺固連的已知慣量和轉(zhuǎn)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后轉(zhuǎn)速的測量偏差和自身慣量加工偏差引入誤差的可能；

本發(fā)明特別適用于帶有可以擺動的大面陣成像部件的航天器活動部件的干擾力矩補償系數(shù)標定，計算過程充分考慮并排除了轉(zhuǎn)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(jié)果更接近實際在軌運行狀態(tài)，標定數(shù)據(jù)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(zhuǎn)速曲線圖；

圖3為載荷相機1/2檔工況下氣浮臺轉(zhuǎn)速曲線圖；

圖4為載荷相機1/3檔工況下氣浮臺轉(zhuǎn)速曲線圖；

圖5為本發(fā)明航天器活動部件干擾力矩標定方法的流程圖；

圖6為單軸氣浮臺傾斜時的側(cè)視圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，進一步說明本發(fā)明的具體實施例。

某對地觀測衛(wèi)星的載荷相機成像機構(gòu)為可活動的部件，其常規(guī)掃描擺動角速度為ω(1檔)，并可調(diào)為1/2檔、1/3檔、1/4檔等，掃描的角度范圍相同。

如圖1并結(jié)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(zhuǎn)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。如果無外界干擾，假設(shè)載荷相機1檔模式工作時，氣浮臺轉(zhuǎn)速為ω臺，則當(dāng)載荷相機工作在1/2檔、1/3檔模式下，氣浮臺對應(yīng)轉(zhuǎn)速應(yīng)分別為和而根據(jù)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干擾力矩作用，且在對臺體轉(zhuǎn)速的變化貢獻中，所占比重遠大于載荷相機動量變化的貢獻。

如圖5所示，為一種航天器活動部件干擾力矩標定方法的實施例，該方法包含：

S1、測定氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量J_臺。

S1.1、如圖6所示，搭建標定試驗系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸方向上模擬衛(wèi)星在軌時特殊的力學(xué)環(huán)境。氣浮臺基座65底部一側(cè)，安裝有千斤頂62，可以使氣浮臺以兩塊調(diào)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(gòu)、控制系統(tǒng)部件及配套設(shè)備、配重塊等，每次慣量不盡相同，需要對氣浮臺臺體的轉(zhuǎn)動慣量J_臺進行計算。測定方法確定后，計算氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量用到的臺面轉(zhuǎn)速ω_臺、轉(zhuǎn)角位置S_臺及采集轉(zhuǎn)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(cè)增加適量質(zhì)量塊63，利用液壓千斤頂62將氣浮臺傾傾斜一個小角度后，增加的質(zhì)量塊63產(chǎn)生的力矩使轉(zhuǎn)臺61可以做單擺運動，最后讓轉(zhuǎn)臺61停止在單擺運動的最低端，即處于平衡位置。

S1.3、當(dāng)轉(zhuǎn)臺61處于平衡位置時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺61使其偏離平衡位置約30°左右，穩(wěn)定后松開，轉(zhuǎn)臺61開始向平衡位置擺動。此時氣浮臺記錄t₁₁時刻轉(zhuǎn)臺的位置θ₁和速度ω₁₁，且將θ₁和ω₁₁進行顯示。轉(zhuǎn)臺61向下繼續(xù)運動，氣浮臺記錄t₁₂＝t₁₁+2s時刻，及其對應(yīng)的速度ω₁₂，根據(jù)記錄數(shù)值求出Δω₁＝ω₁₂-ω₁₁的大小。

S1.4、將轉(zhuǎn)臺61轉(zhuǎn)動角度略大于θ₁，穩(wěn)定后松開，氣浮臺開始第二次測量，氣浮臺記錄轉(zhuǎn)臺61轉(zhuǎn)角位置到達θ₁時的速度ω₂₁及其相應(yīng)時刻t₂₁，及t₂₂＝t₂₁+2s時刻，及其對應(yīng)的速度ω₂₂，根據(jù)記錄數(shù)值求出Δω₂＝ω₂₂-ω₂₁的大小。

S1.5、本實施例中，依次重復(fù)兩次S1.4，使測得三次的Δω_i(i＝1,2,3)，并將三次的Δω_i(i＝1,2,3)求平均值，即得到2s內(nèi)轉(zhuǎn)臺61角速度增量的平均值Δω_J，J為此時氣浮臺轉(zhuǎn)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(zhì)量塊，根據(jù)已知的安裝位置和測得的增加的已知質(zhì)量塊質(zhì)量，其中增加的轉(zhuǎn)動慣量為ΔJ。

S1.7、重復(fù)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，通過相同位置后，再經(jīng)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，并取平均值Δω_(J+ΔJ)。

S1.8、求取氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量J_臺。由于兩次測量過程，記錄的是相同起始位置的角速度，且Δt＝2s內(nèi)擺過的角度很小，設(shè)多次單擺運動的不平衡力矩M為相等，則有式(1)和(2)：

J_臺Δω_J＝MΔt (1)

(J_臺+ΔJ)Δω_(J+ΔJ)＝MΔt (2)

根據(jù)式(1)和(2)求取氣浮臺轉(zhuǎn)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(zhì)量的質(zhì)量塊所增加的慣量；Δω_J為氣浮臺多次通過相同位置后經(jīng)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(zhì)量的質(zhì)量塊，多次通過相同位置后經(jīng)過相同時間的角速度增量的平均值。

S2、通過氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量求取補償機構(gòu)補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)量。

考慮外界干擾，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)的動量變化等因素共同作用的結(jié)果。

其中，氣浮軸承摩擦力矩作用方向M_摩擦與氣浮臺轉(zhuǎn)速方向相反，力矩為定值f，如式(4)：

M_摩擦＝f (4)

根據(jù)具有不規(guī)則外形，低速轉(zhuǎn)動物體引起的空氣阻力力矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，設(shè)K為空氣阻力力矩系數(shù)，設(shè)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(shè)補償機構(gòu)的補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)的量為Δk，轉(zhuǎn)速變化為Δω_補償，則氣浮臺轉(zhuǎn)速Δω_臺滿足如式(7)：

式(7)中，氣浮臺轉(zhuǎn)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(shù)，J_補償為補償機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量，Δω_補償為轉(zhuǎn)速變化，均為各自產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)，由設(shè)計、加工保證，與設(shè)計值的差異可以忽略不計；Δω_臺為氣浮臺轉(zhuǎn)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系數(shù)、J_載荷為載荷相機轉(zhuǎn)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系數(shù)K、載荷相機轉(zhuǎn)動慣量J_載荷和補償機構(gòu)補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(gòu)補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)量Δk。

同樣，求取補償機構(gòu)補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)量的方法還可求?。簹飧∨_當(dāng)前承載情況下氣浮軸承摩擦力矩f、載荷轉(zhuǎn)動慣量J_載荷或載荷風(fēng)阻系數(shù)K。

本發(fā)明還公開了一種航天器活動部件干擾力矩標定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含：氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量側(cè)定模塊和連接氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量側(cè)定模塊輸出端的補償模塊。

氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量側(cè)定模塊用于測定氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量。

補償模塊用于通過氣浮臺轉(zhuǎn)動慣量求取補償機構(gòu)補償系數(shù)需要調(diào)節(jié)量。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當(dāng)認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。