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高分辨率卫星微振动研究现状及发展前景展望

航天东方红卫星有限公司曲亚楠 陆春玲 李潭 尹欢
1 引言
随着社会经济的发展，高分辨率卫星无疑是卫星发展的方向。各国在大力重视发展高分辨率卫星的同时，产生了新的问题，那就是星上微振动对成像质量的影响。
大多数航天器都存在微振动扰动源，由于诱发微振动力学环境效应的幅值很小、频率较高，对大部分卫星任务使命不会产生明显影响，通常都予以忽略。但对高分辨率卫星，这种微振动环境效应将严重影响有效载荷的指向精度和姿态稳定度，使其分辨率等主要性能指标大大降低，从而影响成像质量，所以在高分辨率卫星设计中必须考虑微振动的影响。
我国对星上微振动的研究正处于起步阶段，所以为了不影响卫星的成像质量，对于微振动的研究必须加紧攻关，迫在眉睫。该研究对我国航天事业的发展有重大意义。
2：星上微振动的定义和特点
微振动是指航天器在轨运行期间，星上转动部件高速转动、有效载荷中扫描机构转动、大型可控构件驱动机构步进运动、变轨调姿期间推力器点火工作、低温制冷器压缩机和百叶窗等热控部件机械运动、大型柔性结构受激振动和进出阴影时冷热交变诱发热变形扰动等诱发航天器产生的一种幅值较低、频率较高的颤振响应。微振动源指引起微振动的设备。
微振动的特点简单总结如下微振动造成的应变小，主要体现了它的微小性；微振动影响始终存在，除非不使用微振动源，体现了它的固有性；微振动影响频率范围宽，体现了它的宽频性；微振动幅度小，频带宽，很难控制，体现了难控性；微振动是一种随机振动，体现了随机性；这种随机性是带有特定频段的随机，也就是包含基波、谐波和固有频率的随机，这就体现了它的复杂性；微振动的研究涉及学科广泛，所以具有系统性；它会对高精度光学设备造成影响，具有敏感性。
3 微振动测试技术
3.1航天器在轨微振动测试技术
随着遥感卫星分辨率越来越高，国外对微振动测试方面非常重视，这方面的研究起步较早，取得了大量实测数据和研究成果。微振动在轨测量能够更真实地反映实际情况，所处的环境是最真实的在轨环境，所测得的结果更具有说服力。
国内有文献介绍了1984年美国“陆地卫星”4在轨微振动的功率谱密度，并介绍了“奥林帕斯”卫星微振动造成的星上异常状况和OICETS卫星微振动的时域图；文献介绍了“陆地观测卫星” (ALOS)的在轨角位移的测量，它的角位移传感器MHD-ADS是以美国“静止轨道环境卫星” (GOES)系列所采用的角速度传感器ARS-12G为原型而改造研发的。
3.2航天器地面微振动测试技术
在航天器地面测试方法的研究和应用中，多采用以加速度传感器测试为主，激光测振作为结果校验的辅助手段。
微振动地面测试中，同样也是国外测试起步比较早，成果比较多。霍尼韦尔公司在研制利用激光进行星座内部通信的低轨通信卫星过程中，利用卫星控制试验台来验证振动控制技术能否达到精度要求。针对空间干涉任务，为了验证集成建模方法的可靠性和光学系统集成建模软件的有效性，喷气推进实验室(JPL)建立了MPI试验台，为7米×7米×6.5米的桁架结构，以验证集成建模分析技术。针对美国国家航空航天局(NASA) “起源”计划中大量的高精度遥感航天器的设计分析，美国麻省理工学院空间系统实验室研制了OT试验台来验证微振动集成建模分析技术。
微振动集成建模技术
一般的微振动建模技术在结构、控制、扰动和有效载荷等各领域各自为政，忽视了各子系统之间的耦合效应，并且各子系统根据各自最差工况进行分析和设计，极易造成过设计，甚至导致工程无法实现，而集成建模能克服这些弊端。
目前国际上比较出名的集成建模软件有两个，NASA委托麻省理工学院空间系统实验室开发了扰动一光学一控制一结构集成建模软件DOCS;后来NASA在DOCS的基础上开发了集成建模环境IME软件。
5微振动像移求解方法研究
)ICCD正常工作的基本前提是光生电荷包的转移与焦面上图像的运动保持同步，输入信号与CCD像元之间如果有位相的话，那就会对每个CCD像元输出信号的幅值有影响，势必对整个CCD阵列的MTF有直接影响。多级TDICCD对地面同一目标曝光相当于积分时间延长，要想获得清晰的图像，必须在此较长积分时间内保持同步。微振动的存在，使相机光轴指向发生变化，像点在曝光时间内是运动的，从而产生了像移，导致了MTF的下降，影响相机的成像质量。
有研究人员给出了低频正弦振动像移求解方法，并提出了微振动引起的像移可以分解为绕滚动、偏航、俯仰三个轴的角位移。研究人员从分析运动的扩散函数人手，研究了用统计矩法计算运动光学传递函数的解析和数值方法，这种利用统计矩求光学传递函数的方法通过仿真实验得到了证明。
星上微振动研究关键
技术和发展前景
微振动的研究，涉及的问题很多，需要大量的学科综合，分析过程非常复杂，但是总结起来无非就是测试与分析。
1)当前我国的微振动测试变得越来越完善，主要是以地面测试为主，在有的型号上也进行了在轨测试。在地面测试中，必须控制好边界条件。主要做到对动量轮等应尽可能接近实际安装状态，对整星则应尽可能接近自由状态，并且要控制好各种外界扰动，如电磁、噪声、风、人员和设备移动等。
从目前国内测量能力看，完全可满足目前微振动量级以及传递特性的试验需求，后续工作的重点在于试验结果的分析和利用。此外还要尽可能提高地面试验能力，以尽量减小地面试验误差。
2)我国的微振动地面测试以传感器测试为主，近些年中，随着微振动问题越来越受到重视，测量方法也趋于多样化。利用传感器测试经过后续分析能够得到微振动的响应量级、传递特性和敏感频段等，但是这里的指标不能直接反映到相机等光学设备上，毕竟加速度计不能直接贴到相机CCD上，而且又不能在分析中将相机单纯地看成是刚体。所以为了直观地表明微振动对成像质量的影响，必须掌握和创新更为实用的测试方法。当前我国已经在某些型号上采用了微振动下光学靶标测试和自准直仪测试方法，这两种测试方法能直观地反映相机光轴指向，尤其光学靶标法的采样频率和相机是一致的，更能反映真实的状态。所以这两种方法未来能够成为继传感器测量方法后的主要测试方法。由此可见，多元化的测试方法是未来需要重点研究的问题，以保证测试结果能够直接用于载荷设备精度的分析。
3)微振动的分析过程主要分为3个层面，即微振动源、微振动传递特性和微振动对成像质量的影响。微振动源和传递特性的分析很简单，通过加速度计测试就可以得到相关的结论。但是微振动对于成像质量的影响研究却是一个非常复杂的问题。
文章之前提到过国内对于微振动像移的一些研究现状，比如低频正弦振动求像移、统计矩法求像移等，但是它们都是基于一种理想的振动状态来分析的，包括匀速直线振动和正弦振动等，统计矩法求像移虽然是只要知道运动函数就能够得到MTF下降，但是它的应用也是有局限的。实际中的微振动是一种含有特定频段的随机振动，可以说毫无规律可言，所以这些相关研究的适用性就大大降低了。
由此可见，必须有一种能够基于真实状态的数据来分析微振动像移的方法。目前国内采用了灰度重心法来解决这个问题。该方法是利用相机在微振动环境下拍摄的靶标图像，通过求图像灰度重心的偏移来反映相机的光轴指向。该方法从原理上讲是完全可行的，但是还要经过工程实践的检验，不断去完善修正。微振动对成像质量的影响研究是很复杂也很漫长的过程，未来可能会有更好的分析方法来求解微振动像移，这就需要进一步的探索和实践。
7结论
本文从微振动的定义和特点出发，介绍了微振动测试现状、微振动建模技术以及微振动像移研究现状等，并给出了微振动研究中的关键技术和发展前景。星上微振动是一个非常复杂的问题，也是一个很值得去研究的问题。现有的一些测试方法和分析方法只能解决一部分问题，我国对微振动数据的使用和分析尚显不足，所以在未来航天事业发展中，对微振动应该进行更加深入的分析研究。

-全文完-