CN110702315A - 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 - Google Patents

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李英波
聂章海
谭晓宇
陆丹萍
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Abstract

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，第一力矩获取模块获取卫星刚体力矩，第二力矩获取模块获取太阳电池挠性力矩，第三力矩获取模块根据获取到的卫星刚体力矩和太阳电池挠性力矩获取卫星的干扰力矩，静不平衡获取模块根据所述卫星的干扰力矩获取大惯量转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位。本发明可以高效且可靠的获取到静不平衡的状态，大大提高卫星系统的效率，可靠性和稳定性。

Description

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
技术领域
本发明涉及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。
背景技术
通常，卫星上装载大惯量转动部件，在轨应用时绕卫星本体某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，因此转动部件的静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静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或双翼太阳电池阵，挠性明显且低频振型与转动部件转动方向可能相同，这两者对卫星姿态稳定度可能具有叠加影响；
2、卫星入轨后，转动部件可能需要展开，而展开具有一定的不确定性，由此导致地面测试的数据与在轨状态有一定的偏差；
3、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；
4、某些地面未识别原因影响到转动部件的转动特性。
因此如何有效且可靠的获取转动部件的静不平衡特性就成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明提供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，可以高效且可靠的获取到静不平衡的状态，大大提高卫星系统的效率，可靠性和稳定性。
为了达到上述目的，本发明提供一种大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计方法，包含以下步骤：
获取卫星刚体力矩；
获取太阳电池挠性力矩；
根据获取到的卫星刚体力矩和太阳电池挠性力矩获取卫星的干扰力矩；
根据所述卫星的干扰力矩获取转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位。
所述的获取卫星刚体力矩的方法包含：
获取卫星的角速度ω；
根据公式(1)获取卫星刚体力矩Mrigid；
Figure BDA0002086510470000021
其中，Mrigid为卫星刚体力矩；ω为卫星中心体的角速度列阵；是卫星中心体的角加速度列阵；I为卫星相对整星质心惯量阵；hw为动量轮角动量；C为动量轮安装矩阵。
所述的获取太阳电池挠性力矩的方法包含：
根据公式(2)计算太阳阵的模态坐标阵η和其二阶导数
Figure BDA0002086510470000026
Figure BDA0002086510470000023
其中，Ω为太阳阵的模态频率对角阵；ξ为太阳阵的模态阻尼系数；Brot为太阳阵振动对整星转动的柔性耦合系数阵；Brot T为Brot的转置；
根据公式(3)获取太阳电池挠性力矩；
其中，Mflexi是太阳电池挠性力矩；Brot为太阳阵振动对整星转动的柔性耦合系数阵；η为太阳阵的模态坐标阵；
Figure BDA0002086510470000025
是模态坐标η的二阶导数。
所述的获取卫星的干扰力矩的方法包含：
根据公式(4)获取卫星的干扰力矩；
M＝Mrigid+Mflexi-Tc (4)；
其中，M为卫星的干扰力矩；Mrigid为卫星刚体力矩；Mflexi是太阳电池挠性力矩，Tc为卫星的控制力矩。
所述的获取大惯量转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位的方法包含：
根据公式(5)计算获取大惯量转动部件的静不平衡幅值I1和转动部件静不平衡相位α；
Figure BDA0002086510470000031
其中，vt为当前转动部件转动的角度，v为转动部件的转速，转动部件安装点在卫星本体系中的坐标是(Rx，Ry，Rz)。
本发明还提供一种大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计设备，用于计算所述的大惯量转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位，该设备包含：
第一力矩获取模块，用于获取卫星刚体力矩；
第二力矩获取模块，用于获取太阳电池挠性力矩；
第三力矩获取模块，用于根据获取到的卫星刚体力矩和太阳电池挠性力矩获取卫星的干扰力矩；
静不平衡获取模块，用于根据所述卫星的干扰力矩获取转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位。
本发明对大惯量转动部件在轨真实静不平衡特性进行估计，通过陀螺在轨测量信息进行分析和计算，求解出静不平衡的幅值与相位，从而高效且可靠的获取到静不平衡的状态，进而大大提高卫星系统的效率，可靠性和稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的一种大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计方法的流程图。
图2是本发明提供的一种大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计设备的结构示意图。
具体实施方式
以下根据图1和图2，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计方法，包含以下步骤：
步骤S1、获取卫星刚体力矩；
获取卫星的角速度ω；
根据公式(1)获取所述卫星刚体力矩；
Figure BDA0002086510470000041
其中，Mrigid为卫星刚体力矩；ω为卫星中心体的角速度列阵；
Figure BDA0002086510470000042
是卫星中心体的角加速度列阵；I为卫星相对整星质心惯量阵，可用地面获取的数值或者在轨辨识的结果；hw为动量轮角动量，由在轨数据获取；C为动量轮安装矩阵；
步骤S2、获取太阳电池挠性力矩；
根据公式(2)计算太阳阵的模态坐标阵η和其二阶导数
Figure BDA0002086510470000043
Figure BDA0002086510470000044
其中，Ω为太阳阵的模态频率对角阵，可在轨辨识获得；ξ为太阳阵的模态阻尼系数，用经验值或在轨辨识获得；Brot为太阳阵振动对整星转动的柔性耦合系数阵，使用地面计算的理论值；Brot T为Brot的转置；
根据公式(3)获取所述太阳电池挠性力矩；
Figure BDA0002086510470000045
其中，Mflexi是太阳电池挠性力矩；Brot为太阳阵振动对整星转动的柔性耦合系数阵；η为太阳阵的模态坐标阵；
Figure BDA0002086510470000046
是模态坐标η的二阶导数；
步骤S3、根据获取到的卫星刚体力矩和太阳电池挠性力矩获取卫星的干扰力矩；
根据公式(4)获取所述卫星的干扰力矩；
M＝Mrigid+Mflexi-Tc (4)；
其中，M为卫星的干扰力矩；Mrigid为卫星刚体力矩；Mflexi是太阳电池挠性力矩，Tc为卫星的控制力矩；
步骤S4、根据所述卫星的干扰力矩获取大惯量转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位；
根据公式(5)计算获取大惯量转动部件的静不平衡幅值I1和转动部件静不平衡相位α；
Figure BDA0002086510470000051
其中，vt为当前转动部件转动的角度，v为转动部件的转速，转动部件安装点在卫星本体系中的坐标是(Rx，Ry，Rz)。
在一个实际应用实施例中，首先根据卫星挠性模型和转动部件静不平衡模型，再根据陀螺在轨测量信息，进行转动部件静不平衡特性的估计。
首先，获取并计算卫星挠性模型。
具体地，卫星在轨太阳电池阵展开后，卫星的动力学包含星体的转动和太阳电池阵弹性振动，姿态控制时的卫星挠性模型为：
Figure BDA0002086510470000053
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为卫星中心体的角速度列阵；I为卫星相对整星质心惯量阵；hw为动量轮角动量；C为动量轮安装矩阵；T为作用在卫星上的力矩列阵，T＝Tc +M；η为太阳阵的模态坐标阵；
Figure BDA0002086510470000054
为η的二阶导数；Ω为太阳阵的模态频率对角阵；ξ为太阳阵的模态阻尼系数；Brot为太阳阵振动对整星转动的柔性耦合系数阵；Brot T为Brot的转置。
然后，获取并计算转动部件静不平衡模型。
静不平衡影响三轴，产生的干扰力矩为：
Figure BDA0002086510470000055
其中，vt为当前转动部件转动的角度，v为转动部件的转速；α为转动部件静不平衡相位。
在实际应用中，具体过程为：
(1)由卫星三轴陀螺在轨测量数据ωx，ωy，ωz，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：
其中，x1、x2、x3、x4、y1、y2、y3、y4、z1、z2、z3、z4为拟合系数。
(2)计算卫星三轴惯性角加速度：
Figure BDA0002086510470000062
(3)计算卫星刚体力矩：
Figure BDA0002086510470000063
(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η。
Figure RE-GDA0002306015240000064
(5)由太阳阵挠性振动方程，计算出模态坐标的二阶导数：
Figure RE-GDA0002306015240000065
(6)计算太阳阵挠性力矩：
Figure RE-GDA0002306015240000066
(7)计算卫星受到的干扰力矩：
M＝Mrigid+Mflexi-Tc
其中Tc为卫星的控制力矩，由在轨数据获取。
(8)由静不平衡力矩表达式，拟合出静不平衡参数(幅值和相位)，其中vt项用转动部件当前角度值遥测值。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 BDA0002086510470000071
如图2所示，本发明还提供一种大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计设备，包含：
第一力矩获取模块10，用于获取卫星刚体力矩；
第二力矩获取模块20，用于获取太阳电池挠性力矩；
第三力矩获取模块30，用于根据获取到的卫星刚体力矩和太阳电池挠性力矩获取卫星的干扰力矩；
静不平衡获取模块40，用于根据所述卫星的干扰力矩获取转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位。
在具体应用中，所述的第一力矩获取模块10获取卫星刚体力矩的过程包含：
获取卫星的角速度ω，根据公式(1)获取所述卫星刚体力矩；
Figure BDA0002086510470000072
其中，Mrigid为卫星刚体力矩；ω为卫星中心体的角速度列阵；
Figure BDA0002086510470000073
是卫星中心体的角加速度列阵；I为卫星相对整星质心惯量阵；hw为动量轮角动量；C为动量轮安装矩阵。
所述的第二力矩获取模块20获取太阳电池挠性力矩的过程包含：
根据公式(2)计算太阳阵的模态坐标阵η和其二阶导数
Figure BDA0002086510470000074
Figure BDA0002086510470000075
其中，Ω为太阳阵的模态频率对角阵；ξ为太阳阵的模态阻尼系数；Brot为太阳阵振动对整星转动的柔性耦合系数阵；Brot T为Brot的转置；
根据公式(3)获取所述太阳电池挠性力矩；
其中，Mflexi是太阳电池挠性力矩；Brot为太阳阵振动对整星转动的柔性耦合系数阵；η为太阳阵的模态坐标阵；
Figure BDA0002086510470000077
是模态坐标η的二阶导数。
所述的第三力矩获取模块30根据获取到的卫星刚体力矩和太阳电池挠性力矩获取卫星的干扰力矩的过程包含：
根据公式(4)获取所述卫星的干扰力矩；
M＝Mrigid+Mflexi-Tc (4)；
其中，M为卫星的干扰力矩；Mrigid为卫星刚体力矩；Mflexi是太阳电池挠性力矩，Tc为卫星的控制力矩。
所述的静不平衡获取模块40根据所述卫星的干扰力矩获取转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位的过程包含：
根据公式(5)获取转动部件的静不平衡幅值I1和转动部件静不平衡相位α；
Figure BDA0002086510470000081
其中，vt为当前转动部件转动的角度，v为转动部件的转速，转动部件安装点在卫星本体系中的坐标是(Rx，Ry，Rz)。
本发明对大惯量转动部件在轨真实静不平衡特性进行估计，通过陀螺在轨测量信息进行分析和计算，求解出静不平衡的幅值与相位，从而高效且可靠的获取到静不平衡的状态，进而大大提高卫星系统的效率，可靠性和稳定性。
综上所述，本发明所提供的大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计方法和设备，通过陀螺在轨测量信息进行分析和计算，从而求解出静不平衡的幅值与相位，通过这样的方式，可以高效且可靠的获取到静不平衡的状态，进而大大提高卫星的可靠性和稳定性。
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 (6)

1.一种大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计方法，其特征在于，包含以下步骤：
获取卫星刚体力矩；
获取太阳电池挠性力矩；
根据获取到的卫星刚体力矩和太阳电池挠性力矩获取卫星的干扰力矩；
根据所述卫星的干扰力矩获取转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位。
2.如权利要求1所述的大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计方法，其特征在于，所述的获取卫星刚体力矩的方法包含：
获取卫星的角速度ω；
根据公式(1)获取卫星刚体力矩Mrigid；
Figure FDA0002086510460000011
其中，Mrigid为卫星刚体力矩；ω为卫星中心体的角速度列阵；
Figure FDA0002086510460000012
是卫星中心体的角加速度列阵；I为卫星相对整星质心惯量阵；hw为动量轮角动量；C为动量轮安装矩阵。
3.如权利要求2所述的大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计方法，其特征在于，所述的获取太阳电池挠性力矩的方法包含：
根据公式(2)计算太阳阵的模态坐标阵η和其二阶导数
Figure FDA0002086510460000013
Figure FDA0002086510460000014
其中，Ω为太阳阵的模态频率对角阵；ξ为太阳阵的模态阻尼系数；Brot为太阳阵振动对整星转动的柔性耦合系数阵；Brot T为Brot的转置；
根据公式(3)获取太阳电池挠性力矩；
Figure FDA0002086510460000015
其中，Mflexi是太阳电池挠性力矩；Brot为太阳阵振动对整星转动的柔性耦合系数阵；η为太阳阵的模态坐标阵；是模态坐标η的二阶导数。
4.如权利要求3所述的大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计方法，其特征在于，所述的获取卫星的干扰力矩的方法包含：
根据公式(4)获取卫星的干扰力矩；
M＝Mrigid+Mflexi-Tc (4)；
其中，M为卫星的干扰力矩；Mrigid为卫星刚体力矩；Mflexi是太阳电池挠性力矩，Tc为卫星的控制力矩。
5.如权利要求4所述的大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计方法，其特征在于，所述的获取大惯量转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位的方法包含：
根据公式(5)计算获取大惯量转动部件的静不平衡幅值I1和转动部件静不平衡相位α；
Figure FDA0002086510460000022
其中，vt为当前转动部件转动的角度，v为转动部件的转速，转动部件安装点在卫星本体系中的坐标是(Rx，Ry，Rz)。
6.一种大惯量转动部件的静不平衡特性在轨估计设备，其特征在于，用于计算如权利要求5所述的大惯量转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位，该设备包含：
第一力矩获取模块，用于获取卫星刚体力矩；
第二力矩获取模块，用于获取太阳电池挠性力矩；
第三力矩获取模块，用于根据获取到的卫星刚体力矩和太阳电池挠性力矩获取卫星的干扰力矩；
静不平衡获取模块，用于根据所述卫星的干扰力矩获取转动部件的静不平衡幅值和静不平衡相位。
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