CN109632185B - 一种大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用陀螺测量信息进行的卫星大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法，根据卫星三轴姿态角速度遥测，拟合出三轴惯性角速度正弦函数表达式；计算出卫星三轴惯性角加速度；计算出卫星刚体力矩；计算出太阳电池阵挠性力矩；得出卫星受到的干扰力矩；根据卫星干扰力矩拟合出转动部件的动不平衡幅值和相位。本发明通过陀螺测量信息进行一系列分析计算，求解出动不平衡的幅值与相位，计算结果对转动部件及控制系统的设计改进具有现实意义。

Description

一种大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法
技术领域
本发明涉及一种利用陀螺测量信息进行卫星大惯量转动部件的动不平衡特性在轨估计方法。
背景技术
某型号卫星装载大惯量转动部件，在轨应用时绕卫星本体Z轴一直处于匀速转动状态，其转动产生的角动量由姿轨控分系统长期补偿，因此转动部件的动不平衡特性直接影响卫星姿态稳定度指标。
在地面试验过程中，一般会对转动部件的动不平衡特性进行单机层面的识别，然后反馈给控制系统进行角动量补偿设计与试验验证。但地面试验结果与实际在轨情况可能存在差异，主要原因如下：
1)单机层面进行的试验仅考虑转动部件自身的特性，而实际该卫星还装有单翼太阳电池阵、挠性明显且低频振型与转动部件转动方向相同，这两者对卫星姿态稳定度可能具有叠加影响；
2)在轨真空环境下，该转动部件长期处于太阳光直射下，材料的热效应可能导致其质心产生偏移，从而影响其转动特性；
3)某些地面未识别原因影响到转动部件的转动特性。
发明内容
本发明提供一种利用陀螺测量信息的大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法，根据卫星挠性模型和转动部件动不平衡模型，再根据在轨陀螺测量信息，进行转动部件动不平衡特性的估计。
本发明通过以下的技术方案实现转动部件动不平衡特性的在轨估计：
(1)根据卫星三轴姿态角速度遥测(陀螺测量数据)，拟合出三轴惯性角速度正弦函数表达式，计算出卫星三轴惯性角加速度，从而计算出卫星刚体力矩
Figure GDA0002630863200000011
其中，I是卫星相对全星质心惯量阵；ω是卫星中心体的角速度列阵；hw是动量轮角动量；
(2)由太阳阵挠性振动方程，解微分方程从而计算出模态坐标及二阶导数，然后计算出太阳电池阵挠性力矩
Figure GDA0002630863200000021
Brotb为本体坐标系下太阳阵振动对全星转动的柔性耦合系数阵；
(3)得出卫星受到的干扰力矩M＝Mrigid+Mflexi；
(4)根据卫星干扰力矩拟合出动不平衡幅值和相位。
Figure GDA0002630863200000022
其中，ωs为转动部件角速度，ωst为当前转动部件转动的角度，β为转动部件动不平衡相位，I2为动不平衡度量。
针对现有技术存在的状况，在卫星在轨飞行阶段，本发明提出了一种利用陀螺测量信息对转动部件在轨真实动不平衡特性进行估计的方法，本发明的估计结果对转动部件的设计改进等具有现实意义。
附图说明
图1是本发明所述利用陀螺测量信息的大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种利用陀螺测量信息的大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法，根据卫星挠性模型和转动部件动不平衡模型，再根据在轨陀螺测量信息，进行转动部件动不平衡特性的估计。
(1)卫星挠性模型
卫星在轨太阳电池阵展开后，卫星的动力学包括星体的转动和太阳电池阵弹性振动，姿态控制时的星体姿态动力学模型为：
Figure GDA0002630863200000023
Figure GDA0002630863200000024
其中，上式第一个为系统绕质心的转动运动方程，第二个为太阳阵振动方程。
式中
ω--卫星中心体的角速度列阵；
Figure GDA0002630863200000031
--ω的反对称矩阵；
I--卫星相对全星质心惯量阵；
hw--动量轮角动量；
C--动量轮安装矩阵；
T--作用在卫星上的力矩列阵；
Ω--太阳阵的模态频率对角阵；
η--太阳阵的模态坐标阵；
ζ--太阳阵的模态阻尼系数；
Brot--太阳阵振动对全星转动的柔性耦合系数阵(惯性坐标系)。
(2)转动部件动不平衡模型
动不平衡度量I2＝m2×r×D；
式中，
D--转动部件的高度；
r--转动部件截面的半径；
m2--转动部件质量。
动不平衡影响另外两个轴，即滚动和俯仰，数值大小相同，产生的干扰力矩为：
Figure GDA0002630863200000032
式中的ωs为转动部件角速度，ωst为当前转动部件转动的角度，β为转动部件动不平衡相位。
本发明估计出转动部件动不平衡特性采用的步骤为：
第一步根据卫星三轴姿态角速度遥测，拟合出三轴惯性角速度正弦函数表达式；
第二步计算出卫星三轴惯性角加速度；
第三步计算出卫星刚体力矩；
第四到六步计算出太阳电池阵挠性力矩；
第七步得出卫星受到的干扰力矩；
第八步根据卫星干扰力矩拟合出转动部件的动不平衡幅值和相位。
以下对本发明的实施过程进行具体描述：
(1)由卫星三轴姿态角速度遥测(陀螺测量数据)，先把俯仰轴的角速度加上轨道角速度，得到惯性角速度，然后拟合出三轴惯性角速度正弦函数表达式：
Figure GDA0002630863200000041
其中，
x1、x2、x3、x4依次为滚动轴惯性角速度正弦函数的幅值、角频率、初始相位和常值系数；
y1、y2、y3、y4依次为俯仰轴惯性角速度正弦函数的幅值、角频率、初始相位和常值系数；
z1、z2、z3、z4依次为偏航轴惯性角速度正弦函数的幅值、角频率、初始相位和常值系数。
(2)计算卫星三轴惯性角加速度：
Figure GDA0002630863200000042
(3)计算卫星刚体力矩：
Figure GDA0002630863200000043
(4)由太阳阵挠性振动方程，解微分方程从而计算出模态坐标q(t)。其中，由于转动部件起旋过程中呈现出明显的共振象限，因此太阳阵一阶基频应取当时的共振频率，且计算分析只需截断至一阶即可。
Figure GDA0002630863200000051
其中，
Λ--太阳阵振动频率斜对角矩阵；
Brotb--太阳阵振动对全星转动的柔性耦合系数阵(本体坐标系)。
(5)由太阳阵挠性振动方程，计算出模态坐标的二阶导数：
Figure GDA0002630863200000052
(6)计算太阳阵挠性力矩：
Figure GDA0002630863200000053
(7)计算卫星受到的干扰力矩：
M＝Mrigid+Mflexi
(8)由动不平衡力矩表达式，拟合出动不平衡参数(幅值和相位)，其中ωst项用转动部件当前角度值遥测幅值。另外，由于考虑卫星太阳阵结构阻尼的影响，卫星受到的干扰力矩会逐渐趋于收敛稳定，因此在分析计算中应取阻尼稳定后的力矩数据：
Figure GDA0002630863200000054
综上所述，本发明公开一种利用陀螺测量信息进行卫星大惯量转动部件的动不平衡特性在轨估计方法。对于大惯量转动部件的动不平衡估计，在地面试验阶段，会对转动部件的动不平衡特性进行单机层面的识别，但地面试验结果与实际在轨情况可能存在差异，从而对卫星在轨的姿态稳定度产生影响。本发明提出了一种在轨转动部件动不平衡特性的估计方法，通过陀螺测量信息进行一系列分析计算，求解出动不平衡的幅值与相位，计算结果对转动部件及控制系统的设计改进具有现实意义。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据陀螺测量信息，计算出卫星刚体力矩
Figure FDA0002630863190000011
其中，I是卫星相对全星质心惯量阵；ω是卫星中心体的角速度列阵；hw是动量轮角动量；
由太阳阵挠性振动方程，解微分方程从而计算出模态坐标q(t)及其二阶导数，然后计算出太阳电池阵挠性力矩
Figure FDA0002630863190000012
Brotb为本体坐标系下太阳阵振动对全星转动的柔性耦合系数阵；
得出卫星受到的干扰力矩M＝Mrigid+Mflexi；
根据卫星干扰力矩拟合出转动部件的动不平衡幅值和相位：
Figure FDA0002630863190000013
其中，ωs为转动部件角速度，ωst为当前转动部件转动的角度，β为转动部件动不平衡相位，I2为动不平衡度量。
2.如权利要求1所述大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法，其特征在于，根据卫星三轴姿态角速度遥测，拟合出三轴惯性角速度正弦函数表达式，计算出卫星三轴惯性角加速度，进而计算出卫星刚体力矩；
其中，三轴惯性角速度正弦函数表达式为：
Figure FDA0002630863190000014
卫星三轴惯性角加速度为：
Figure FDA0002630863190000021
其中，x1、x2、x3、x4依次为滚动轴惯性角速度正弦函数的幅值、角频率、初始相位和常值系数；
y1、y2、y3、y4依次为俯仰轴惯性角速度正弦函数的幅值、角频率、初始相位和常值系数；
z1、z2、z3、z4依次为偏航轴惯性角速度正弦函数的幅值、角频率、初始相位和常值系数。
3.如权利要求1所述大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法，其特征在于，由太阳阵挠性振动方程，解微分方程从而计算出模态坐标q(t)；其中，由于转动部件起旋过程中呈现的共振象限，对太阳阵一阶基频取当时的共振频率，且计算分析时截断至一阶；
Figure FDA0002630863190000022
由太阳阵挠性振动方程，计算出模态坐标的二阶导数：
Figure FDA0002630863190000023
其中，Λ为太阳阵振动频率斜对角矩阵；ζ为太阳阵的模态阻尼系数。
4.如权利要求1所述大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法，其特征在于，由动不平衡力矩表达式，拟合出的动不平衡参数中，ωst项采用转动部件当前角度值遥测幅值；考虑卫星太阳阵结构阻尼的影响，卫星受到的干扰力矩会逐渐趋于收敛稳定，对其进行的分析计算中使用阻尼稳定后的力矩数据。
5.如权利要求1所述大惯量转动部件动不平衡特性在轨估计方法，其特征在于，动不平衡度量I2＝m2×r×D；
式中，D为转动部件的高度；r为转动部件截面的半径；m2为转动部件质量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109632186A (zh) * 2018-12-21 2019-04-16 上海航天控制技术研究所 大惯量转动部件的动不平衡特性在轨估计方法及设备
CN110702315A (zh) * 2019-06-06 2020-01-17 上海航天控制技术研究所 一种大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计方法及设备
CN112550765B (zh) * 2020-11-26 2022-06-24 上海航天控制技术研究所 一种利用卫星姿态测量信息进行卫星大惯量转动部件的转动惯量在轨估计方法
CN112849433B (zh) * 2020-11-26 2022-11-22 上海航天控制技术研究所 一种卫星大惯量转动部件的不平衡幅值与相位的在轨调试方法
CN112550771B (zh) * 2020-12-22 2022-06-03 上海卫星工程研究所 姿轨控通用综合测试的控制力矩陀螺信号采集方法及系统

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103424225B (zh) * 2013-07-26 2015-11-25 北京控制工程研究所 一种测试转动部件动静不平衡量的方法
CN105486474A (zh) * 2015-11-30 2016-04-13 上海卫星工程研究所 卫星挠性部件的在轨模态辨识的实现系统及方法
CN106295196B (zh) * 2016-08-12 2018-10-30 上海卫星工程研究所 一种带有旋转挠性太阳阵卫星的在轨模态计算方法
CN107089348B (zh) * 2017-04-01 2019-04-30 中国空间技术研究院 基于多柔性附件卫星动力学优化控制模式的在轨故障对策方法
CN107933967A (zh) * 2017-11-23 2018-04-20 北京控制工程研究所 一种卫星转动惯量的在轨辨识方法
CN108279695B (zh) * 2018-01-25 2021-03-26 北京控制工程研究所 一种航天器干扰力矩的快速在轨闭环辨识方法、系统和介质

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