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《清华大学》 2012年
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高分辨率遥感卫星隔振与姿态控制一体化设计

关新  
【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。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:V414;V448.2

【引证文献】
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