[發明專利]一種衛星動量輪擾振試驗及數據判讀方法

有效

• 申請號: 201611241321.6
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106844880B
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發明（設計）人: 尹家聰;李正舉;崔穎慧;謝偉華;陳曦;劉剛;劉波;林勇文;李友遐
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 11009 中國航天科技專利中心
• 代理人: 陳鵬

1.一種衛星動量輪擾振試驗及數據判讀方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、將衛星的動量輪依次安裝在六分量測力平臺上，測量動量輪轉速從0升至最高轉速Ω_max的過程中在動量輪局部坐標系中沿x、y、z軸方向的擾動力F_x(t)、F_y(t)、F_z(t)和擾動力矩M_x(t)、M_y(t)、M_z(t)：

其中，t表示時間，m_j(t)表示擾動力或擾動力矩，j為擾動力或擾動力矩的自由度編號；j＝1,…,6；動量輪局部坐標系的原點在動量輪質心處，z軸沿動量輪轉軸，xy平面與z軸垂直，滿足右手定則；

將升速時間歷程離散為N個時間點t₀，t₁，t₂，……，t_N，對每個時間間隔[t_i-1,t_i]內的擾動力/力矩進行傅里葉變換，獲得頻域擾動力/力矩：

其中，[t_i-1,t_i]為第i個時間間隔；Ω_i為第i個時間間隔內中心時刻的轉速；f為頻率；N為正整數；i＝1,…,N；

步驟二、根據步驟一中測量獲得的擾動力/力矩數據，建立動量輪的諧波疊加擾動力數學模型：

其中，k為諧波數，k＝1,2,…,n；n為建模保留的諧波總數；C_jk為第k階諧波對第j個擾動力/力矩的幅值系數；f_Ω亦為動量輪的轉速，其與動量輪轉速Ω的關系為Ω＝2πf_Ω，動量輪的最高轉速h_k為擾動力的第k階諧波系數；為動量輪的第j個擾動力/力矩的第k階諧波的相位角；

步驟三、建立衛星在軌狀態有限元模型，其中包括建立動量輪及其支架組合體的有限元模型、敏感設備及其支架組合體的有限元模型；衛星上天線、太陽翼均處于展開狀態；

步驟四、利用步驟三建立的有限元模型，對步驟二建立的動量輪諧波疊加模型六個擾動力/力矩的每一階諧波h_k依次進行頻響分析，獲得動量輪六個擾動力/力矩的每一階諧波h_k對敏感設備的擾振位移響應u_k(ω)和加速度響應a_k(ω)；其中，圓頻率ω＝2πh_kf_Ω；

對各階諧波的擾振位移響應u_k(ω)和加速度響應a_k(ω)進行疊加，獲得動量輪全部n階諧波的擾振位移總響應u(f_Ω)和加速度總響應a(f_Ω)：

步驟五、從步驟四求解出的衛星在軌狀態下加速度總響應a(f_Ω)中，選擇出對應于敏感設備安裝處的加速度分量a^(D)(f_Ω)，上標(D)表示敏感設備安裝處對應的自由度集合；對a^(D)(f_Ω)進行評估：

若對于動量輪轉速范圍內的全部轉速，均有a^(D)(f_Ω)小于規定的設計值A_SPEC，進行步驟六；

若存在轉速集合使得在集合{f_Ω}_A內的轉速下，a^(D)(f_Ω)大于規定的設計值A_SPEC，則需按下列三種方法的一種或組合更改衛星的結構，重復步驟三至步驟五，直至對于動量輪轉速范圍內的全體轉速，均有a^(D)(f_Ω)小于規定的設計值A_SPEC：

i、增大動量輪與敏感設備之間距離；

ii、增加敏感設備安裝處的衛星艙板厚度；

iii、在敏感設備與衛星艙板之間加裝減隔振裝置；

步驟六、建立不同衛星試驗狀態的有限元模型，根據步驟二中的建立動量輪的諧波疊加擾動力數學模型，重復步驟四的計算，獲得不同衛星試驗狀態下動量輪全部諧波的加速度總響應選擇敏感設備安裝處的響應差最小的衛星試驗狀態為最終的衛星動量輪擾振試驗狀態；

步驟七、根據步驟六中確定的衛星動量輪擾振試驗狀態，在衛星內部的動量輪支架上端、動量輪支架底端、動量輪所在衛星艙板上、敏感設備安裝處布置微振動加速度傳感器；

步驟八、在步驟六中確定的衛星動量輪擾振試驗狀態下，對動量輪進行升速工況的擾振試驗：將動量輪轉速從零升至最高轉速測量升速過程中各微振動加速度傳感器的時域數據A(t)，通過數字濾波獲得分析截止頻率f_end內的時域數據A_end(t)，進而得到升速工況下各微振動加速度傳感器的時域數據A(t)、A_end(t)隨動量輪轉速f_Ω變化的函數關系A(f_Ω)和A_end(f_Ω)，并繪制A(f_Ω)和A_end(f_Ω)隨動量輪轉速f_Ω變化的曲線圖；

所述步驟八中繪制升速工況下，各微振動加速度傳感器的在濾波前、后的時域數據A(t)、A(t)_end隨動量輪轉速f_Ω變化的曲線圖A(f_Ω)、A(f_Ω)_end的具體步驟如下：

I、采用數字濾波方法，由升速過程中各微振動加速度傳感器的時域數據A(t)得到濾波后數據A(t)_end；

II、將動量輪從0升速到最高轉速Ω_max過程中的總時間分為N段：t₀，t₁，…，t_N，根據動量輪轉速的遙測數據Ω_TEST(t)計算第i段[t_i-1,t_i]時間段內的動量輪工作轉速

其中，和Ω_i均為第i段[t_i-1,t_i]時間段對應的工作轉速，

III、對第i段[t_i-1,t_i]時間段內濾波后的加速度響應A_end([t_i-1,t_i])做快速傅里葉變換，得到頻域

IV、在頻域曲線上的區間內尋找動量輪一次諧波峰值所在的頻點得到時間與轉速對應關系的集合其中，

V、利用擬合出轉速與時間的函數關系f_Ω(t)＝B₀+B₁t+B₂t²，由升速工況下各微振動加速度傳感器濾波前的時域數據A(t)、濾波后的時域數據A(t)_end和擬合的f_Ω(t)分別得到函數關系A(f_Ω)、A_end(f_Ω)，并繪制A(f_Ω)和A_end(f_Ω)隨動量輪轉速f_Ω變化的曲線圖；

步驟九、計算衛星動量輪擾振試驗狀態下，敏感設備安裝處的加速度分量的誤差函數為步驟八獲得的濾波后擾振響應A_end(f_Ω)在敏感設備安裝處的加速度分量；再利用誤差函數ε^(D)(f_Ω)，將步驟四得到的敏感設備安裝處的擾振響應a^(D)(f_Ω)修正為繪制修正后的響應隨動量輪轉速f_Ω變化曲線圖并進行評估：

若對于動量輪轉速范圍內的全部轉速，均有小于規定的設計值A_SPEC，說明經試驗驗證，動量輪在敏感設備安裝處產生的擾振響應滿足敏感設備的工作要求；

若存在轉速集合使得在集合{f_Ω}_B內的轉速下，大于規定的設計值A_SPEC，則需按步驟五的方法i～iii中一種或組合對衛星結構進行修改，重復步驟三至步驟九，直至對于動量輪轉速范圍內的全體轉速，均有a^(D)(f_Ω)小于規定的設計值A_SPEC。

2.根據權利要求1所述的一種衛星動量輪擾振試驗及數據判讀方法，其特征在于：所述步驟四對動量輪六個擾動力/力矩的每一階諧波h_k進行頻響分析的具體步驟如下：

對每一階諧波h_k，求解頻響方程：[-ω²M+iωB+K]u_k(ω)＝F_k(ω)，獲得動量輪六個擾動力/力矩的每一階諧波h_k對敏感設備的擾振位移響應u_k(ω)和加速度響應a_k(ω)；

其中，M為衛星的質量矩陣，B為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，u_k(ω)為動量輪第k階諧波的擾動力向量F_k(ω)產生的擾振位移響應；

F_k(ω)具有如下形式：

P_k(ω)為第k階諧波在動量輪坐標系下的擾動力向量；T表示從動量輪坐標系到衛星整體坐標系的變換矩陣；

求解頻響方程時，分析截止頻率f_end設為為動量輪最高轉速Ω_max對應的頻率；模態截止頻率設置為1.5f_end～2f_end；模態臨界阻尼比設置為0.001～0.01；輸出響應點包括動量輪支架上端、動量輪支架底端、動量輪所在衛星艙板上、敏感設備安裝處。