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高分辨率遥感卫星隔振与姿态控制一体化设计

作　者: 关新
导　师: 郑钢铁
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 高分辨率遥感卫星飞轮隔振相机隔振姿态控制一体化设计
分类号: V414
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

安装在高分辨率遥感卫星上的空间相机对振动十分敏感。星上姿态控制飞轮等扰振源产生的振动会使相机视线发生抖动，导致其获取的图像产生扭曲、模糊等现象，无法达到预期的分辨能力。针对飞轮与相机采取隔振措施是减小相机视线抖动、提高成像质量的有效途径。降低隔振频率可以提高隔振效果，但同时会对姿态控制性能产生不利影响。本文的主要研究目的是在考虑姿态控制系统性能需求的前提下，寻找隔振频率的下限，以达到最佳的振动隔离效果。当隔振效果仍不能满足要求时，将通过隔振与姿态控制的协同设计实现更理想的隔振效果。研究了用于评估扰振对遥感卫星图像质量影响的结构-控制-光学一体化建模方法。分析了飞轮产生振动的原因，并通过实验测试验证了谐波叠加模型的有效性。研究了通过隔振装置连接的子结构模态综合方法，提高了修改隔振装置设计时对整体结构进行模态重分析的效率。研究了用于评估扰振影响的光学评价指标。研究了考虑对姿态控制系统影响时选取飞轮隔振参数的方法。推导了安装隔振装置后飞轮的动力学方程，分析了飞轮隔振装置六自由度扰振载荷传递特性，研究了飞轮在隔振装置上的进动与章动现象以及卫星姿态调整引起的飞轮进动规律。结果表明，降低隔振频率时，飞轮进动衰减时间会大幅延长并对卫星姿态形成低频扰动，对进动衰减时间的要求决定了飞轮隔振频率与阻尼比的下限。研究了考虑控制系统需求时选取相机隔振参数的方法以及相机隔振与姿态控制的协同设计方法。研究了相机隔振导致的异位控制问题，推导了一种形式简洁的异位控制系统稳定条件，即为了保证系统的稳定性，隔振装置的响应时间应短于控制系统的响应时间，这对相机隔振频率及阻尼比的下限也提出了要求。采用回路相位分析方法对控制与结构的相互作用规律进行了研究，发现异位控制系统易于失稳的原因是控制回路对结构模态形成了负阻尼。研究了隔振与姿态控制协同设计方法，结果表明用时采取低频相机隔振与控制律规修改措施可以在保证姿态控制性能的同时实现更好的隔振效果。采用优化方法对飞轮、相机隔振参数的选取进行了研究，通过设定控制规律修改策略实现了隔振与姿态控制的联合优化设计。优化结果表明，综合采用飞轮隔振、低频相机隔振及相应的控制规律修改措施可以在保证姿态控制性能的同时实现最佳的隔振效果。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-19
  1.1 研究的目的和意义  9-10
  1.2 关于振动抑制的研究  10-13
    1.2.1 振动抑制措施的分类  10
    1.2.2 扰振对高性能航天器的影响及应对措施  10-13
  1.3 关于一体化建模与分析的研究  13-14
  1.4 关于柔性航天器姿态控制的研究  14-16
    1.4.1 关于柔性附件振动抑制的研究  14-15
    1.4.2 关于异位控制的研究  15-16
  1.5 关于结构-控制一体化设计的研究  16-17
  1.6 存在的问题与本文的工作  17-19
第2章结构-控制-光学一体化建模与分析  19-46
  2.1 引言  19
  2.2 飞轮扰振模型  19-26
    2.2.1 飞轮扰振特性分析  19-23
    2.2.2 飞轮扰振模型参数试验标定  23-26
  2.3 结构动力学模型  26-37
    2.3.1 结构动力学基本方程  26-28
    2.3.2 通过隔振装置连接的子结构模态综合  28-37
  2.4 控制系统数学模型  37
  2.5 光学系统数学模型  37-43
    2.5.1 空间相机成像原理  37-38
    2.5.2 光学灵敏度  38-40
    2.5.3 光学相机性能指标  40-43
  2.6 一体化建模与分析  43-44
    2.6.1 状态空间形式的闭环分析模型  43-44
    2.6.2 模型适用性讨论  44
  2.7 本章小结  44-46
第3章飞轮隔振与姿态控制一体化设计  46-82
  3.1 引言  46
  3.2 飞轮隔振的数学模型  46-58
    3.2.1 飞轮隔振装置的对称性与刚度中心  46-48
    3.2.2 飞轮-隔振装置运动方程  48-53
    3.2.3 飞轮隔振装置的六自由度扰振载荷传递特性  53-58
  3.3 飞轮的进动与章动  58-70
    3.3.1 飞轮的进动与章动现象  58-65
    3.3.2 基础运动时飞轮的进动规律  65-70
  3.4 考虑进动影响的飞轮隔振参数设计  70-74
    3.4.1 图解法  70-73
    3.4.2 基于 KKT 条件的最优设计点表达式  73-74
  3.5 考虑飞轮结构柔性时隔振装置的频率设计  74-76
  3.6 飞轮隔振试验  76-81
  3.7 本章小结  81-82
第4章空间相机隔振与姿态控制一体化设计  82-120
  4.1 引言  82
  4.2 相机隔振简化模型  82-84
  4.3 相机隔振效果评价  84-85
  4.4 隔振对控制系统稳定性的影响分析  85-94
    4.4.1 无隔振情况  85-86
    4.4.2 有隔振、同位控制情况  86-87
    4.4.3 有隔振、异位控制情况  87-94
  4.5 控制-结构相互作用的回路相位分析  94-105
    4.5.1 作用力的性质  95-96
    4.5.2 反馈回路的相位分析  96-99
    4.5.3 同位、异位控制系统的控制-结构相互作用分析  99-105
  4.6 异位控制问题的解决方法  105-117
    4.6.1 异位控制系统的隔振装置参数选取  105-109
    4.6.2 针对隔振装置柔性的控制规律修改  109-115
    4.6.3 隔振-控制协同设计  115-117
  4.7 相机隔振试验  117-118
  4.8 本章小结  118-120
第5章隔振与姿态控制综合优化设计  120-140
  5.1 引言  120
  5.2 隔振方案的选择  120-126
    5.2.1 两级隔振的隔振效果分析  120-123
    5.2.2 两级隔振形成的异位控制问题的讨论  123-124
    5.2.3 各种隔振方案特点的讨论  124-126
  5.3 隔振与姿态控制综合优化设计  126-138
    5.3.1 计算模型  127-130
    5.3.2 飞轮隔振参数优化  130-132
    5.3.3 相机隔振与姿态控制优化设计  132-136
    5.3.4 综合优化与讨论  136-138
  5.4 本章小结  138-140
第6章全文总结  140-142
参考文献  142-147

高分辨率遥感卫星隔振与姿态控制一体化设计

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