一种使用多级隔振平台提高光学载荷成像质量的方法

摘要

本发明涉及一种提高光学载荷成像质量的方法，特别涉及一种使用多级隔振平台提高光学载荷成像质量的方法，属于高频振动控制领域。一种隔振平台包括：上平台、下平台以及连接上平台和下平台的支杆。所述的一种隔振平台可以安装在飞轮或者控制力矩陀螺等卫星执行机构和卫星星体之间，或光学有效载荷和卫星星体之间；控制力矩陀螺、安装架和隔振平台的上平台共同组成了上平台系统；当需要在光学有效载荷和卫星星体加装隔振平台时，光学有效载荷的底座和隔振平台的上平台固连，同样能够组成一套上平台系统。所有隔振平台的下平台都固定连接在卫星星体上，共同组成了下平台系统。解决了星上光学有效载荷成像精度和稳定度低的问题。

主权项

1.一种使用多级隔振平台提高光学载荷成像质量的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：根据卫星所携带的飞轮（5）或者控制力矩陀螺（6）的个数来确定使用隔振平台（10）的个数，做到每个飞轮（5）或者每个控制力矩陀螺（6）都使用对应大小的隔振平台（10）来隔离它们造成的高频振动；步骤二：选用任意一个隔振平台（10），该隔振平台（10）共有N个支杆，求解第i个支杆在惯性坐标系下表示的支杆向量S_i，其具体的表达式如下：S_i＝t+A_eup_i-(b+r_db+A_edq_i)(1)式（1）中t和b表示惯性坐标系中心分别到上平台系统坐标系中心、卫星星体坐标系中心的矢量列阵；A_eu和A_ed是分别从上平台系统坐标系和下平台坐标系到卫星星体坐标系的坐标转换矩阵；p_i和q_i表示上平台质心分别到上平台第i个连接点处和下平台第i个连接点处的矢量列阵；r_db是从卫星星体坐标系原点到下平台坐标系原点的矢量列阵；步骤三：对式（1）求模，可以解得第i个支杆（2）的杆长l_i，表达形式如下l_i＝||S_i||(2)步骤四：第i个支杆方向的单位向量定义为s_ui，计算s_ui，其表达形式如下所示s_ui＝S_i/l_i(3)步骤五：求取第i个支杆的伸缩速度l_i，其表达形式分别如下${\stackrel{·}{l}}_i=s_{\mathrm{ui}}^T=[v_p+A_{\mathrm{eu}}{\omega }_b^{\times }{p}_i-A_{\mathrm{eb}}(v_b+{\omega }_b^{\times }{r}_{\mathrm{ab}})-A_{\mathrm{ed}}{\omega }_b^{\times }{q}_i]---\left(4\right)$式（4）中A_eb是从卫星星体坐标系到惯性坐标系的坐标转换矩阵；v_p和ω_p分别是上平台系统的速度和角速度；v_b和ω_b分别是卫星星体的速度和角速度；上标“×”表示矢量列阵的反对称斜方阵；步骤六：每个支杆中间段（4）被简化成弹簧和阻尼并联的一个系统，令k_i表示它的刚度参数；c_i表示它的阻尼参数；则可求取隔振平台第i个支杆作用在上平台连接点处的力F_si，其具体表达如下：$F_{\mathrm{si}}=k_i(l_i-l_{0i})s_{\mathrm{ui}}+c_i{\stackrel{·}{l}}_i{s}_{\mathrm{ui}}---\left(5\right)$式中，l_i是隔振平台（10）第i个支杆的杆长；l_0i是第i个支杆（2）的标称长度；在计算F_si的时候，需将式（1）、式（2）、式（3）式（4）的表达式带入到式（5）中；隔振平台（10）第i个支杆（2）作用在下平台连接点处的力F_ui和第i个支杆（2）作用在上平台（1）连接点处的力F_si互为反作用力，因此第i个支杆（2）作用在下平台（3）连接点处的力F_ui如下式所示F_ui＝-F_si(₆)步骤七：由得出的各个支杆对上平台（1）连接点和对下平台（3）连接点的力，根据力的相互作用原理，可推得出含有一套隔振平台（10）的整星动力学方程；该方程包含了上平台系统的动力学方程和下平台系统的动力学方程，具体如下所示：$\left\{\begin{array}{c}{m}_p{\stackrel{·}{v}}_p-S_p^{\times }{\stackrel{·}{\omega }}_p=-A_{\mathrm{eu}}^T\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{F}_{\mathrm{si}}+F_d\\ I_p{\stackrel{·}{\omega }}_p+{\omega }_p^{\times }{I}_p{\omega }_p+S_p^{\times }{\stackrel{·}{v}}_p=T_c-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_i^{\times }{A}_{\mathrm{eu}}^T{F}_{\mathrm{si}}+T_d\end{array}\right.---\left(7\right)$$\left\{\begin{array}{c}{m}_b{\stackrel{·}{v}}_b-S_b^{\times }{\stackrel{·}{\omega }}_b=-A_{\mathrm{eb}}^T\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{F}_{\mathrm{ui}}\\ I_b{\stackrel{·}{\omega }}_b+{\omega }_b^{\times }{I}_b{\omega }_b+S_b^{\times }{\stackrel{·}{v}}_b=-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(A_{\mathrm{bd}}{q}_i+r_{\mathrm{db}})}^{\times }{\left(A_{\mathrm{eb}}^T{F}_{\mathrm{ui}}\right)}^{}\end{array}\right.----\left(8\right)$式（7）是上平台系统的动力学方程；式（8）是下平台系统的动力学方程；式中m_p和I_p分别是上平台系统的质量和惯量；m_b和I_b分别是卫星星体（9）的质量和惯量；S_p和S_b分别是上平台系统和卫星星体（9）的静矩；F_d和T_d分别是执行机构自身产生的扰动力和扰动力矩；T_c是执行机构产生的有效输出力矩；A_bd是从隔振平台下平台坐标系到卫星星体坐标系的坐标转换矩阵；将得到的含有单个隔振平台的整星动力学模型扩展成含有多级隔振平台的整星动力学模型；对于含有多级隔振平台的整星动力学模型，是由多个上平台系统动力学方程和一个下平台系统动力学方程组成；首先将式（7）推广成为第j个上平台系统动力学方程，具体如下所示：$\left\{\begin{array}{c}{m}_{\mathrm{pj}}{\stackrel{·}{v}}_{\mathrm{pj}}-S_{\mathrm{pj}}^{\times }{\stackrel{·}{\omega }}_{\mathrm{pj}}=-A_{\mathrm{cuj}}^T\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{F}_{\mathrm{sji}}+F_{\mathrm{dj}}\\ I_{\mathrm{pj}}{\stackrel{·}{\omega }}_{\mathrm{pj}}+{\omega }_{\mathrm{pj}}^{\times }{I}_{\mathrm{pj}}{\omega }_{\mathrm{pj}}+S_{\mathrm{pj}}^{\times }{\stackrel{·}{v}}_{\mathrm{pj}}=T_{\mathrm{jc}}-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_{\mathrm{ji}}^{\times }{A}_{\mathrm{euj}}^T{F}_{\mathrm{sji}}+T_{\mathrm{dj}}\end{array}\right.---\left(9\right)$其中，各变量的物理含义参看方程（7）中的对应解释；在方程（7）的应用过程中，仅有当执行机构安装在隔振平台上平台的时候，才有执行机构自身产生的扰动力和扰动力矩以及执行机构产生的有效输出力矩项；当光学有效载荷（8）安装在隔振平台（10）上平台（1）的时候，不含有这些扰动力、扰动力矩以及有效输出力矩项；由于加装了多个隔振平台（10），使得每个隔振平台（10）下平台（3）连接点处的力均要作用在卫星星体（9）上，因此式（8）扩展成如下形式：$\left\{\begin{array}{c}{m}_B{\stackrel{·}{v}}_b-S_B^{\times }{\stackrel{·}{\omega }}_b=-A_{\mathrm{eb}}^T\left(\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{F}_{\mathrm{uji}}\right)+F_{\mathrm{ext}}\\ I_B{\stackrel{·}{\omega }}_b+{\omega }_b^{\times }{I}_B{\omega }_b+S_B^{\times }{\stackrel{·}{v}}_b=-\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(A_{\mathrm{bdj}}{q}_{\mathrm{ji}}+r_{\mathrm{djb}})}^{\times }\left(A_{\mathrm{eb}}^T{F}_{\mathrm{uji}}\right)+T_{\mathrm{ext}}\end{array}\right.----\left(10\right)$同方程（8）相比，由于引入了M个隔振平台（10），使得卫星星体（9）的质量和惯量增加，分别用m_B和I_B表示；星本体系统的静矩也会发生变化，用S_B表示；其他变量的物理意义参看方程（8）的对应解释；求解式（9）和式（10），可以得到卫星星体角速度ω_b或任意上平台系统的角速度ω_pj；各支杆（2）作用力的求解，即式（1）～式（6）对每个隔振平台（10）都适用，并且各支杆（2）作用力的表达式也均相同，只是在使用过程中为便于表达，第j个隔振平台支杆作用力表达式中会加入下标j，以进行区分不同的隔振平台（10）；步骤八：在卫星姿态稳定控制中姿态角度φ、θ和ψ为小角度，可以得知卫星星体的姿态角速度等同于卫星星体角速度ω_b，上平台系统的姿态角速度等同于上平台系统角速度ω_pj；对姿态角速度进行时间积分可以解得姿态角度；由此可以得知上平台系统的姿态角度和角速度以及卫星星体的姿态角度和角速度；步骤九：再重复步骤二到步骤八，直到卫星姿态稳定；即可绘制光学有效载荷姿态角度和姿态角速度效果图，可通过效果图判定光学有效载荷成像精度和稳定度的提高程度；所述的隔振平台（10）包括上平台（1）、下平台（3）以及连接上平台（1）和下平台（3）的支杆（2）；所述的隔振平台（10）安装在飞轮（5）或者控制力矩陀螺（6）卫星执行机构和卫星星体（9）之间，或光学有效载荷（8）和卫星星体（9）之间；当在飞轮（5）和卫星星体（9）之间加入隔振平台（10）的时候，令隔振平台（10）的上平台（1）和飞轮（5）外壳固连，共同组成了一套上平台系统；当在控制力矩陀螺（6）和卫星星体（9）之间使用隔振平（10）台时，需加装一套安装架（7），安装架（7）的一端固连在隔振平台（10）的上平台（1）处，安装架（7）的另一端固连在控制力矩陀螺的框架上，以保证框架沿着轴向转动，此时，控制力矩陀螺（6）、安装架（7）和隔振平台（10）的上平台（1）共同组成了上平台系统；当需要在光学有效载荷（8）和卫星星体（9）加装隔振平台（10）时，光学有效载荷（8）的底座和隔振平台（10）的上平台（1）固连，同样能够组成一套上平台系统；所有隔振平台（10）的下平台（3）都固定连接在卫星星体（9）上，共同组成了下平台系统。