一种利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及惯性测量、结构力学、信号处理的领域，特别涉及一种利用光纤陀螺测 量卫星结构微角振动方法。结果可用于卫星结构角振动特性的地面测试以及在轨实时测量 领域。
【背景技术】
[0002] 高分辨率遥感卫星是空间技术发展的一个重要方向，具有十分重要的商业价值与 军事意义，是近年来各国竞相发展的高技术领域。对地观测卫星地面分辨率不断提高，随之 有效载荷对指向稳定度的要求越来越高，对星载活动部件的运动所引起的微振动越来越敏 感。微振动是航天器在轨运行期间，飞轮或控制力矩陀螺、太阳翼驱动机构、推力器开关、推 进剂晃动、相机摆镜摆动等部件运动造成的。微振动幅值小、频谱宽，其加速度量级在IX l(T 6g~lXl(T2g(g为重力加速度），对应的位移在微米量级，频率范围从0.01Hz到几千Hz。
[0003] 微振动分为线振动和角振动两类。测量角振动的传感器种类少，主要有：（1)基于 光学平台的激光测量仪表；（2)微振动角速度传感器。其中前者精度较高，但系统组成复杂， 结构较大，不适合在卫星上使用；后者具有体积小、质量轻、精度高等特点，但造价比较昂 贵，研制难度大。当前，大多是利用多个线加速度传感器组合测量角振动。这样，一方面多个 线振动传感器间接解算三轴角振动必然引入多个误差源，精度受限，且解算方法复杂;另一 方面，线振动间接测量角振动，传感器数量较多，安装调试不方便，若实现在轨测量角振动， 重量、功耗和空间也是限制因素。
[0004] 光纤陀螺具有高动态、高灵敏度、轻小型、环境适应性强等特点，不但能作为角速 度测量仪表应用在飞船、卫星和导弹等控制系统中，还可实现宽频角振动测量。目前没有发 现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
【发明内容】
[0005] 为实现卫星结构微角振动测量，本发明的目的在于提出一种利用光纤陀螺测量卫 星结构微角振动方法，利用本发明，可在节省星上资源的同时，实现卫星结构微角振动测 量。利用该方法，卫星结构角振动频率测量误差在〇 . 1 %以内，幅值测量误差在10 %以内，可 以为增强卫星的抗振性设计、提高有效载荷指向精度和稳定度提供数据支撑。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0007] -种利用光纤陀螺测量卫星结构微角振动方法，该方法包括：
[0008] 1、光纤陀螺星上安装布局；
[0009] 光纤陀螺与被测结构体安装在同一个安装板上，并安装在安装板的中心位置。
[0010] 2、光纤陀螺多路数据输出；
[0011] -路光纤陀螺原始测量数据经过数字滤波器滤波后，将角度增量数据送控制计算 机用于姿态控制；
[0012] 另一路光纤陀螺原始测量数据经过高频率采样送振动信息采集单元，并将高频角 度增量数据进行存储。
[0013] 3、光纤陀螺数据预处理；
[0014] 将存储的高频角度增量数据，经标度因数校正、角度增量积分、光纤陀螺角速度补 偿、角度坐标转换等步骤实现光纤陀螺数据预处理，具体包括：
[0015] (1)、利用光纤陀螺三个通道的标度因数分别标定各个通道的输出值，获得大动态 范围内的高精度数据；
[0016] (2)、对标定后三个通道的角度增量数据进行积分，获得三个通道光纤陀螺的角度 数据；
[0017] (3)、去除光纤陀螺三个通道角度数据一阶趋势项，补偿陀螺常值漂移和地球旋转 角速度积分；
[0018] (4)、在（3)基础上，对三个通道角度数据按照光纤陀螺三个表头在卫星本体坐标 系下的安装矩阵进行坐标转换，得到卫星本体坐标系下的角度数据。
[0019] 4、结构微角振动特性解算；
[0020]将光纤陀螺预处理后的数据进行离散傅氏变换，得到频率和幅值信息，即为光纤 陀螺测量的卫星结构微角振动信息。
[0021] 本发明为节省卫星重量、功耗和空间资源，将光纤陀螺原始数据分路多用途复用 输出。一路送控制计算机用于姿态控制，一路光纤陀螺原始测量数据经过高频率采样用于 卫星结构角振动测量。
[0022] 高频角度增量数据需要经标度因数校正、角度增量积分、光纤陀螺角速度补偿、角 度坐标转换步骤。
[0023] 补偿光纤陀螺常值漂移和地球旋转角速度时，利用最小二乘法估计方法计算一阶 线性方程的待定系数。
[0024] 本发明由于采取上述的技术方案，在不增加卫星新设备的前提下，利用光纤陀螺 测量卫星角速度的同时，获取卫星结构角振动测量信息，解决了卫星重量、功耗和空间约束 下精准测量结构微角振动的问题。通过对光纤陀螺数据的误差标定、角速度补偿等步骤，解 决了光纤陀螺自身漂移影响测量精度问题。本发明提出的方法简单，且可实现多用途复用， 数据处理过程简单，可在其他卫星或航天器中推广使用。
【附图说明】
[0025]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0026]图1为本发明的光纤陀螺数据信息流程示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明方法做详细的说明：
[0028]图1所示本发明的光纤陀螺数据信息流程，包括4个部分，分别为:光纤陀螺的安装 布局，多路数据输出，数据预处理和结构微角振动特性解算。
[0029] 1、光纤陀螺星上安装布局
[0030]光纤陀螺与被测结构体安装在同一个安装板上，并安装在安装板的中心位置，以 减小热变形、结构安装误差对光纤陀螺测量精度的影响。
[0031] 2、光纤陀螺多路数据输出
[0032] 光纤陀螺原始测量信号带宽较宽，一般在ΙΚΗζ以上，综合考虑动态响应和测量精 度的因素，一路光纤陀螺原始测量数据经数字滤波器滤波后，送控制计算机用于姿态控制； 另一路光纤陀螺原始测量数据经过高频率采样送振动信息采集单元，并将高频角度增量数 据进行存储，如图1中步骤(1)所示。
[0033] 为提高测量精度，要求同时采集光纤陀螺三个表头角度增量数据。
[0034] 3、光纤陀螺数据预处理
[0035]将存储的高频角度增量数据，经标度因数校正、角度增量积分、光纤陀螺角速度补 偿、角度坐标转换等步骤进行光纤陀螺数据预处理。如图1中步骤(II)，具体包括如下： [0036] (1)、利用光纤陀螺三个通道的标度因数分别标定其输出值，获得大动态范围内的 高精度数据。
[0037] 对应图1中步骤①，标定公式如下所示：
[0038]U …
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[0039] 其中，Δ 0ik(i = l，2,3)为在第k时刻光纤陀螺三个通道在时间ΔΤ内的初始角度增