CN105509867A - 一种利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，包括步骤：光纤陀螺的安装布局、光纤陀螺多路数据输出、数据预处理和角振动特性解算四个部分，其中数据预处理包括标度因数标定、角度增量积分、补偿陀螺常值漂移和地球旋转角速度、角度坐标转换。本发明能够准确测量卫星结构微小角振动特性，可以为增强卫星的抗振性设计、提高有效载荷指向精度和稳定度提供数据支撑，可用于卫星结构角振动特性的地面测试以及在轨实时测量领域。

Description

一种利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法

技术领域

本发明涉及惯性测量、结构力学、信号处理的领域，特别涉及一种利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法。结果可用于卫星结构角振动特性的地面测试以及在轨实时测量领域。

背景技术

高分辨率遥感卫星是空间技术发展的一个重要方向，具有十分重要的商业价值与军事意义，是近年来各国竞相发展的高技术领域。对地观测卫星地面分辨率不断提高，随之有效载荷对指向稳定度的要求越来越高，对星载活动部件的运动所引起的微振动越来越敏感。微振动是航天器在轨运行期间，飞轮或控制力矩陀螺、太阳翼驱动机构、推力器开关、推进剂晃动、相机摆镜摆动等部件运动造成的。微振动幅值小、频谱宽，其加速度量级在1×10^-6g～1×10^-2g(g为重力加速度)，对应的位移在微米量级，频率范围从0.01Hz到几千Hz。

微振动分为线振动和角振动两类。测量角振动的传感器种类少，主要有：(1)基于光学平台的激光测量仪表；(2)微振动角速度传感器。其中前者精度较高，但系统组成复杂，结构较大，不适合在卫星上使用；后者具有体积小、质量轻、精度高等特点，但造价比较昂贵，研制难度大。当前，大多是利用多个线加速度传感器组合测量角振动。这样，一方面多个线振动传感器间接解算三轴角振动必然引入多个误差源，精度受限，且解算方法复杂；另一方面，线振动间接测量角振动，传感器数量较多，安装调试不方便，若实现在轨测量角振动，重量、功耗和空间也是限制因素。

光纤陀螺具有高动态、高灵敏度、轻小型、环境适应性强等特点，不但能作为角速度测量仪表应用在飞船、卫星和导弹等控制系统中，还可实现宽频角振动测量。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

为实现卫星结构微角振动测量，本发明的目的在于提出一种利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，利用本发明，可在节省星上资源的同时，实现卫星结构微角振动测量。利用该方法，卫星结构角振动频率测量误差在0.1％以内，幅值测量误差在10％以内，可以为增强卫星的抗振性设计、提高有效载荷指向精度和稳定度提供数据支撑。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，该方法包括：

1、光纤陀螺星上安装布局；

光纤陀螺与被测结构体安装在同一个安装板上，并安装在安装板的中心位置。

2、光纤陀螺多路数据输出；

一路光纤陀螺原始测量数据经过数字滤波器滤波后，将角度增量数据送控制计算机用于姿态控制；

另一路光纤陀螺原始测量数据经过高频率采样送振动信息采集单元，并将高频角度增量数据进行存储。

3、光纤陀螺数据预处理；

将存储的高频角度增量数据，经标度因数校正、角度增量积分、光纤陀螺角速度补偿、角度坐标转换等步骤实现光纤陀螺数据预处理，具体包括：

(1)、利用光纤陀螺三个通道的标度因数分别标定各个通道的输出值，获得大动态范围内的高精度数据；

(2)、对标定后三个通道的角度增量数据进行积分，获得三个通道光纤陀螺的角度数据；

(3)、去除光纤陀螺三个通道角度数据一阶趋势项，补偿陀螺常值漂移和地球旋转角速度积分；

(4)、在(3)基础上，对三个通道角度数据按照光纤陀螺三个表头在卫星本体坐标系下的安装矩阵进行坐标转换，得到卫星本体坐标系下的角度数据。

4、结构微角振动特性解算；

将光纤陀螺预处理后的数据进行离散傅氏变换，得到频率和幅值信息，即为光纤陀螺测量的卫星结构微角振动信息。

本发明为节省卫星重量、功耗和空间资源，将光纤陀螺原始数据分路多用途复用输出。一路送控制计算机用于姿态控制，一路光纤陀螺原始测量数据经过高频率采样用于卫星结构角振动测量。

高频角度增量数据需要经标度因数校正、角度增量积分、光纤陀螺角速度补偿、角度坐标转换步骤。

补偿光纤陀螺常值漂移和地球旋转角速度时，利用最小二乘法估计方法计算一阶线性方程的待定系数。

本发明由于采取上述的技术方案，在不增加卫星新设备的前提下，利用光纤陀螺测量卫星角速度的同时，获取卫星结构角振动测量信息，解决了卫星重量、功耗和空间约束下精准测量结构微角振动的问题。通过对光纤陀螺数据的误差标定、角速度补偿等步骤，解决了光纤陀螺自身漂移影响测量精度问题。本发明提出的方法简单，且可实现多用途复用，数据处理过程简单，可在其他卫星或航天器中推广使用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的光纤陀螺数据信息流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法做详细的说明：

图1所示本发明的光纤陀螺数据信息流程，包括4个部分，分别为：光纤陀螺的安装布局，多路数据输出，数据预处理和结构微角振动特性解算。

1、光纤陀螺星上安装布局

光纤陀螺与被测结构体安装在同一个安装板上，并安装在安装板的中心位置，以减小热变形、结构安装误差对光纤陀螺测量精度的影响。

2、光纤陀螺多路数据输出

光纤陀螺原始测量信号带宽较宽，一般在1KHz以上，综合考虑动态响应和测量精度的因素，一路光纤陀螺原始测量数据经数字滤波器滤波后，送控制计算机用于姿态控制；另一路光纤陀螺原始测量数据经过高频率采样送振动信息采集单元，并将高频角度增量数据进行存储，如图1中步骤(I)所示。

为提高测量精度，要求同时采集光纤陀螺三个表头角度增量数据。

3、光纤陀螺数据预处理

将存储的高频角度增量数据，经标度因数校正、角度增量积分、光纤陀螺角速度补偿、角度坐标转换等步骤进行光纤陀螺数据预处理。如图1中步骤(II)，具体包括如下：

(1)、利用光纤陀螺三个通道的标度因数分别标定其输出值，获得大动态范围内的高精度数据。

对应图1中步骤①，标定公式如下所示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{m1k}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{m2k}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{m3k}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1+g_{m1}& 0& 0\\ 0& 1+g_{m2}& 0\\ 0& 0& 1+g_{m3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{1k}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{2k}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{3k}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，Δθ_ik(i＝1，2，3)为在第k时刻光纤陀螺三个通道在时间ΔT内的初始角度增量，g_mi(i＝1，2，3)为光纤陀螺三个通道的标度因数，Δθ_mik(i＝1，2，3)为标度因数修正后第k时刻的角度增量。

(2)、对光纤陀螺三个通道的角度增量进行积分，获得三个通道光纤陀螺的角度数据。对应图1中步骤②，如下公式所示：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{m1k}\\ {\mathrm{\θ}}_{m2k}\\ {\mathrm{\θ}}_{m3k}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{i=k}{\Σ}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{m1i}\\ \underset{i=1}{\overset{i=k}{\Σ}}{\mathrm{\Δ\θ}}_{m2i}\\ \underset{i=1}{\overset{i=k}{\Σ}}{\mathrm{\Δ\θ}}_{m3i}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，θ_mik(i＝1，2，3)为光纤陀螺三个通道在第k时刻的角度值。

(3)、去除光纤陀螺三个通道角度数据的一阶趋势项，补偿掉光纤陀螺常值漂移和地球旋转角速度的积分。对应图1中步骤③，过程如下：

将步骤(2)得到的角度数据用一阶线性方程表示，写成表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{m1k}\\ {\mathrm{\θ}}_{m2k}\\ {\mathrm{\θ}}_{m3k}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ b_3\end{array}\right]\·\mathrm{\Δ}T+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{10}\\ {\mathrm{\θ}}_{20}\\ {\mathrm{\θ}}_{30}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_{1k}\\ {\mathrm{\β}}_{2k}\\ {\mathrm{\β}}_{3k}\end{array}\right]---\left(3\right)$

利用最小二乘法估计方法计算公式(3)中系数b₁、b₂、b₃和θ₁₀、θ₂₀、θ₃₀，β_ik(i＝1，2，3)为第i个通道在第k时刻补偿掉光纤陀螺常值漂移和地球旋转角速度积分的角度值。

(4)、在(3)基础上，对三个通道角度数据按照光纤陀螺三个表头在卫星本体坐标系下的安装矩阵进行转换，得到卫星本体坐标系下的角度数据。对应图1中步骤④，过程如下：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{xk}\\ {\mathrm{\θ}}_{yk}\\ {\mathrm{\θ}}_{zk}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_{1k}\\ {\mathrm{\β}}_{2k}\\ {\mathrm{\β}}_{3k}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，矩阵 $\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]$ 为光纤陀螺三个通道表头在卫星本体坐标系下的坐标转换矩阵。θ_xk、θ_yk、θ_zk为在卫星本体坐标系下合成的微振动角度。

4、结构微角振动特性解算

如图1中(III)所示，将图1中步骤④中三个方向的角振动数据θ_xk、θ_yk、θ_zk进行FFT计算分析，获得三个方向角振动信息的频率和幅值。可利用Matlab软件中的fft函数计算角振动信息的频率和幅值，得到在卫星本体坐标系下的角振动频率f_x1、f_x2、......、f_xn，f_y1、f_y2、......、f_yn和f_z1、f_z2、......、f_zn、以及对应频率下的振幅值F_x1、F_x2、......、F_xn，F_y1、F_y2、......、F_yn和F_z1、F_z2、......、F_zn。

本发明能够准确测量卫星结构微小角振动特性，可以为增强卫星的抗振性设计、提高有效载荷指向精度和稳定度提供数据支撑，可用于卫星结构角振动特性的地面测试以及在轨实时测量领域。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：光纤陀螺的安装布局；

步骤2：光纤陀螺多路数据输出

一路光纤陀螺原始测量数据经数字滤波器滤波后送控制计算机用于姿态控制；

另一路光纤陀螺原始测量数据经过高频率采样送振动信息采集单元，并将高频角度增量数据进行存储；

步骤3：光纤陀螺高频角度增量数据预处理，该步骤包括：

步骤3-1：利用光纤陀螺三个通道的标度因数分别标定各个通道的输出值，获得大动态范围内的高精度数据；

步骤3-2：对标定后三个通道的角度增量数据进行积分，获得三个通道光纤陀螺的角度数据；

步骤3-3：去除光纤陀螺三个通道角度数据一阶趋势项，补偿陀螺常值漂移和地球旋转角速度；

步骤3-4：在步骤3-3基础上，将三个通道角度数据按照光纤陀螺三个头部在卫星本体上的安装矩阵进行坐标转换，得到卫星本体坐标系下的角度数据。

步骤4：结构微角振动特性解算

将光纤陀螺预处理后的数据进行离散傅氏变换，得到频率和幅值信息，即为光纤陀螺测量的卫星结构微角振动信息。

2.根据权利要求1所述的利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，其特征在于，所述步骤1，具体是将光纤陀螺与被测结构体安装在同一个安装板上，并安装在安装板的中心位置。

3.根据权利要求1所述的利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，其特征在于，所述步骤2中，为提高测量精度，要求同时采集光纤陀螺三个表头角度增量数据。

4.根据权利要求1所述的利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，其特征在于，所述步骤3-1中，标定模型如下公式：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\θ}}_{m1k}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{m2k}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{m3k}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1+g_{m1}& 0& 0\\ 0& 1+g_{m2}& 0\\ 0& 0& 1+g_{m3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\θ}}_{1k}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{2k}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{3k}\end{array}\right]$

其中，Δθ_ik，i＝1，2，3为在第k时刻光纤陀螺三个通道在时间ΔT内的初始角度增量，g_mi，i＝1，2，3为光纤陀螺三个通道的标度因数，Δθ_mik，i＝1，2，3为标度因数修正后第k时刻的角度增量。

5.根据权利要求4所述的利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，其特征在于，所述步骤3-2的具体公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{m1k}\\ {\mathrm{\θ}}_{m2k}\\ {\mathrm{\θ}}_{m3k}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{i=k}{\Σ}}{\mathrm{\Δ\θ}}_{m1i}\\ \underset{i=1}{\overset{i=k}{\Σ}}{\mathrm{\Δ\θ}}_{m2i}\\ \underset{i=1}{\overset{i=k}{\Σ}}{\mathrm{\Δ\θ}}_{m3i}\end{array}\right]$

其中，θ_mik，i＝1，2，3为光纤陀螺三个通道在第k时刻的角度值。

6.根据权利要求5所述的利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，其特征在于，所述步骤3-3的过程如下：

将步骤3-2得到的角度数据用一阶线性方程表示，写成表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{m1k}\\ {\mathrm{\θ}}_{m2k}\\ {\mathrm{\θ}}_{m3k}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ b_3\end{array}\right]\·\mathrm{\Δ}T+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{10}\\ {\mathrm{\θ}}_{20}\\ {\mathrm{\θ}}_{30}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_{1k}\\ {\mathrm{\β}}_{2k}\\ {\mathrm{\β}}_{3k}\end{array}\right]$

利用最小二乘法估计方法计算系数b₁、b₂、b₃和θ₁₀、θ₂₀、θ₃₀，β_ik，i＝1，2，3为第i个通道在第k时刻补偿掉光纤陀螺常值漂移和地球旋转角速度积分的角度值。

7.根据权利要求6所述的利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，其特征在于，所述步骤3-4的过程如下：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{xk}\\ {\mathrm{\θ}}_{yk}\\ {\mathrm{\θ}}_{zk}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_{1k}\\ {\mathrm{\β}}_{2k}\\ {\mathrm{\β}}_{3k}\end{array}\right]$

其中，矩阵 $\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]$ 为光纤陀螺三个通道表头在卫星本体坐标系下的坐标转换矩阵，θ_xk、θ_yk、θ_zk为在卫星本体坐标系下合成的微振动角度数据。

8.根据权利要求1所述的利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，其特征在于，所述步骤4的方法是：利用Matlab软件中的fft函数计算角振动信息的频率和幅值，得到卫星本体坐标系下的角振动频率f_x1、f_x2、......、f_xn，f_y1、f_y2、......、f_yn和f_z1、f_z2、......、f_zn，以及对应频率下的振幅值F_x1、F_x2、......、F_xn，F_y1、F_y2、......、F_yn和F_z1、F_z2、......、F_zn。