CN109459167B - 卫星动量轮摩擦力矩地面在线测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

卫星动量轮摩擦力矩地面在线测试方法及系统，包括步骤：发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线路盒，使用待测动量轮的线路盒给待测动量轮重复加电断电，控制待测动量轮按一定规律转动，采集待测动量轮转速脉冲，根据转速脉冲确定待测动量轮实时转速，通过重复多次加电断电确定待测动量轮的摩擦力矩。本发明可在线测试卫星动量轮摩擦力矩，无需额外的试验设备，简单可行。

Description

卫星动量轮摩擦力矩地面在线测试方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星动量轮摩擦力矩地面在线测试方法及系统，属于航天器地 面测试领域，特别是通信卫星地面测试过程中对动量轮转动时的摩擦力矩的定 量测试。

背景技术

动量轮是卫星的姿态控制执行部件，在卫星控制领域广泛应用。通信卫星 配备的动量轮可以通过自身转动，来连续精密的调节卫星的姿态。动量轮是一 个转动部件，正常工作时，转速达每分钟数千转。由于它是一个力矩产生装置， 且需要在轨持续工作达十多年，因此动量轮转动时受到的摩擦力矩不能太大， 否则将会影响其寿命和输出力矩准确度。在卫星地面测试阶段，需要对卫星动 量轮摩擦力矩进行准确测试，以确定动量轮的性能可以满足在轨长期使用的要 求。

北京空间飞行器总体设计部的一项发明专利(专利号ZL201320225285.X) 公开了一种卫星用动量轮测试装置，该装置包括监控站、星载计算机、动量轮、 服务器和客户端。监控站包括与星载计算机数据传输仪器，与服务器数据传输 仪器，力矩特性测试仪器，摩擦力矩测试仪器，Excel文件存储仪器。动量轮 连接星载计算机，星载计算机和与星载计算机数据传输仪器相连，力矩特性测 试仪器、摩擦力矩测试仪器、与服务器数据传输仪器以及Excel文件存储仪器 均连接与星载计算机数据传输仪器，与服务器数据传输仪器连接服务器，服务 器连接客户端。该专利进行摩擦力矩测量时需要在原有地面测试的基础上增加专用的测试仪器，即力矩特性测试仪器，根据与星载计算机数据传输仪器中的 控制电压和转速，计算获得动量轮力矩特性。该专利所使用的星载计算机数据 传输设备需要直接用地面测试电缆与卫星星载计算机连接，该状态不是卫星真 实的发射状态，在测试完成后还要将该地面电缆撤出并恢复成星上设备连接状 态，因此不属于在线测试方法。此外，该发明在测量摩擦力矩时，仅通过当前 时刻动量轮转速和控制力矩电压来进行间接测量，测量周期短，因受到环境或 动量轮自身转动不平衡造成随机误差较大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了卫星动量轮摩擦 力矩地面在线测试方法及系统，解决了当前卫星地面测试过程中当动量轮已经 安装到卫星上时不易进行有效准确的转动摩擦力矩定量测试的问题。

本发明的技术方案是：

卫星动量轮摩擦力矩地面在线测试方法，包括步骤如下：

1)发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线路盒，使用待测动量轮的线路 盒给待测动量轮加电；

2)发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线路盒，控制待测动量轮转动至 标称转速ω₀；

3)当待测动量轮的转速稳定后，发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线 路盒，使用待测动量轮的线路盒控制待测动量轮断电；

4)当所述待测动量轮断电一定时间Δt后，再次发送遥控指令给卫星上的 待测动量轮的线路盒，使用待测动量轮的线路盒给待测动量轮加电，使所述待 测动量轮转动至标称转速ω₀；

5)使用待测动量轮的线路盒采集待测动量轮转速脉冲，根据所述待测动量 轮转速脉冲，获得步骤4)加电时刻待测动量轮的转速ω_j；

6)重复步骤3)-5)共N次，根据所述标称转速ω₀和所述获得的N个所 述步骤4)加电时刻待测动量轮的转速ω_j，确定待测动量轮的摩擦力矩M，其 中，j＝1，2，3，...，N。

所述步骤2)的标称转速ω₀具体为：

其中，α_i为所述卫星上安装的第i个待测动量轮安装矢量，H₀为卫星的整 星角动量，J₀为所述待测动量轮的转动惯量，i为正整数。

所述标称转速ω₀的取值范围为3000-5000转/分。

所述步骤6)确定待测动量轮的摩擦力矩M的方法，具体为：

其中，J₀为所述待测动量轮的转动惯量。

卫星动量轮摩擦力矩地面在线测试系统，包括：指令控制模块、线路盒模 块、数据处理模块；

指令控制模块：发送遥控指令给线路盒模块，

线路盒模块：接收指令控制模块发送的遥控指令；根据所述遥控指令给待 测动量轮重复加电断电使所述待测动量轮按一定规律转动，实时采集所述待测 动量轮转速脉冲；将所述转速脉冲发送给数据处理模块；

数据处理模块：接收所述线路盒模块发送的所述转速脉冲，根据所述转速 脉冲，获得待测动量轮的转速，根据所述待测动量轮的转速，确定所述待测动 量轮的摩擦力矩M。

所述线路盒模块给待测动量轮重复加电断电使所述待测动量轮按一定规律 转动，具体为：

A)所述线路盒模块给所述待测动量轮加电并转动至标称转速ω₀；

B)当待测动量轮的转速稳定后，所述线路盒模块给待测动量轮断电；

C)当所述待测动量轮断电一定时间Δt后，所述线路盒模块再次给所述待 测动量轮加电并转动至标称转速ω₀；

D)重复步骤B)-C)N次，使所述待测动量轮按一定规律转动。

所述数据处理模块根据所述待测动量轮的转速，确定所述待测动量轮的摩 擦力矩M，具体为：

根据所述待测动量轮断电一定时间Δt后线路盒模块再次给所述待测动量 轮加电时所述待测动量轮的转速ω_j，和所述标称转速ω₀确定所述待测动量轮的 摩擦力矩M，其中，j＝1，2，3，...，N。

所述数据处理模块根据所述待测动量轮的转速，确定所述待测动量轮的摩 擦力矩M，具体为：

所述线路盒模块根据所述遥控指令给待测动量轮重复加电断电N次，所述 数据处理模块获得N个所述ω_j，根据所述N个ω_j，所述标称转速ω₀确定所述 待测动量轮的摩擦力矩M，具体为：

其中，J₀为所述待测动量轮的转动惯量。

所述标称转速ω₀具体为：

其中，α_i为所述卫星上安装的第i个待测动量轮安装矢量，H₀为卫星的整 星角动量，J₀为所述待测动量轮的转动惯量，i为正整数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明是一种定量计算转动摩擦力矩的方法，通过进行多次测量，考 虑了一段较长时间区间内的摩擦力矩的作用，因此具有数据准确性高，重复性 好的特点；

(2)本发明不需要额外的地面测试设备，利用卫星供电和遥控遥测地面设 备完成测试，因此可以节省测试设备的成本；

(3)本发明方法属于在线测量，当动量轮已安装到卫星上，电缆全部完成 连接后的发射状态下仍可进行，无需将动量轮拆下，可以确保地面测试状态与 飞行状态一致，测试结果可信度高。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明系统流程图；

图3为本发明实施例在地面进行动量轮摩擦力矩测试时的系统组成图；

图4为本发明动量轮摩擦力矩测试时的转速变化示意图。

具体实施方式

本发明一种在整星阶段进行动量轮转动摩擦力矩的在线定量测试方法，该 方法无需将动量轮从卫星上拆下，仅使用常规的卫星测试地面设备，无需专门 添加动量轮转动摩擦力矩测试工具，通过发送遥控指令和记录遥测参数即可完 成动量轮摩转动擦力矩在线定量测试。本发明可借用常规的卫星测试地面设备， 无需新增专用设备，过程简单易实施，且测量方法考虑了长期效应和多次重复 取均值，解决了摩擦力矩数据量化和一致性的问题。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明卫星动量轮摩擦力矩地面在线测试方法，包括步骤如 下：

1)发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线路盒，使用待测动量轮的线路 盒给待测动量轮加电；

2)发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线路盒，控制待测动量轮转动至 标称转速ω₀；标称转速ω₀具体为：

其中，α_i为所述卫星上安装的第i个待测动量轮安装矢量，H₀为卫星的整 星角动量，J₀为所述待测动量轮的转动惯量，i为正整数。标称转速ω₀的取值范 围为3000-5000转/分。

3)当待测动量轮的转速稳定后，发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线 路盒，使用待测动量轮的线路盒控制待测动量轮断电；

4)当所述待测动量轮断电一定时间Δt后，再次发送遥控指令给卫星上的 待测动量轮的线路盒，使用待测动量轮的线路盒给待测动量轮加电，使所述待 测动量轮转动至标称转速ω₀；

5)使用待测动量轮的线路盒采集待测动量轮转速脉冲，根据所述待测动量 轮转速脉冲，获得步骤4)加电时刻待测动量轮的转速ω_j；

6)重复步骤3)-5)共N次，根据所述标称转速ω₀和所述获得的N个所 述步骤4)加电时刻待测动量轮的转速ω_j，确定待测动量轮的摩擦力矩M，具 体为：

其中，J₀为所述待测动量轮的转动惯量，j＝1，2，3，...，N。

如图2所示，卫星动量轮摩擦力矩地面在线测试系统，包括：指令控制模 块、线路盒模块、数据处理模块；

指令控制模块：发送遥控指令给线路盒模块，

线路盒模块：接收指令控制模块发送的遥控指令；根据所述遥控指令给待 测动量轮重复加电断电使所述待测动量轮按一定规律转动，实时采集所述待测 动量轮转速脉冲；将所述转速脉冲发送给数据处理模块；所述线路盒模块给待 测动量轮重复加电断电使所述待测动量轮按一定规律转动，具体为：

A)所述线路盒模块给所述待测动量轮加电并转动至标称转速ω₀；

其中，α_i为所述卫星上安装的第i个待测动量轮安装矢量，H₀为卫星的整 星角动量，J₀为所述待测动量轮的转动惯量，i为正整数。

B)当待测动量轮的转速稳定后，所述线路盒模块给待测动量轮断电；

C)当所述待测动量轮断电一定时间Δt后，所述线路盒模块再次给所述待 测动量轮加电并转动至标称转速ω₀；

D)重复步骤B)-C)N次，使所述待测动量轮按一定规律转动。

数据处理模块：接收所述线路盒模块发送的所述转速脉冲，根据所述转速 脉冲，获得待测动量轮的转速，根据所述待测动量轮的转速，确定所述待测动 量轮的摩擦力矩M，具体为：根据所述待测动量轮断电一定时间Δt后线路盒模 块再次给所述待测动量轮加电时所述待测动量轮的转速ω_j，和所述标称转速ω₀确定所述待测动量轮的摩擦力矩M，其中，j＝1，2，3，...，N，

其中，J₀为所述待测动量轮的转动惯量。

实施例1：

如图3所示，本发明动量轮转动摩擦力矩测试所涉及到的地面测试系统包 括：供电地面设备、遥控遥测地面设备，总控设备，主控计算机。

供电地面设备通过将地面电源进行电压转换，变成卫星能使用的电源，用 于给卫星的供电；

遥测遥控地面设备将接收到的总控设备发送的遥控指令发送给卫星的遥测 遥控系统，并接收遥测遥控系统下传的遥测数据，遥测遥控地面设备还将接收 到的遥测数据发送给总控设备；

总控设备用于发送遥控指令给所述的遥测遥控地面设备，并接收遥测遥控 地面设备所传输的遥测数据；

所述的主控计算机用于发送遥控指令给总控设备，总控设备将接收到的遥 控指令通过遥测遥控地面设备发送给卫星的遥测遥控系统，遥测遥控单元将接 收到的遥控指令发送给星载计算机，由星载计算机通过动量轮线路盒来控制动 量轮的转动；同时，动量轮的转速，控制电压，电机电流等信息通过动量轮线 路盒传递到星载计算机，再由星载计算机传递给卫星遥测遥控系统，最后通过 遥控遥测地面设备解析后送入总控设备。

主控计算机上运行有主控软件，可通过遥控遥测地面设备将遥控指令发送 到卫星，还可以通过总控设备接收和显示解析后的卫星上各类遥测信息，如动 量轮的实时转速。

动量轮转动摩擦力矩测量过程中对卫星的操作和卫星信息的获取均通过主 控软件来完成，详细的实施步骤如下：

1、连接测试系统的设备。

在测试前需完成地面测试系统和卫星系统的连接，其中地面测试系统中的 主控计算机、总控设备，以及供电与遥控遥测地面设备采用局域网(LAN)进 行连接，供电与遥控遥测地面设备与卫星间通过专用的地面测试电缆进行连接。 卫星上供电与遥控遥测系统、星载计算机、动量轮线路盒与动量轮之间通过星 上电缆网来连接。

2、设置并确定地面测试设备状态。

打开供电和遥控遥测地面设备、总控设备和主控计算机的电源，并对软件 进行相应的设置，确保全套地面测试设备正常工作。

3、设置卫星初始状态。

在主控计算机上，发送卫星加电遥控指令，完成卫星供电。发送卫星遥控 遥测系统加电和状态设置指令，建立卫星和地面的遥控遥测通道，在主控计算 机上位机软件观察卫星的遥测信息可以正确的接受和解析出来。发送星载计算 机加电指令，并发送星载计算机设置指令将其设置在安全的模式。

4、测量卫星动量轮的摩擦力矩M。

1)在主控计算机上发送动量轮线路盒加电指令，观察动量轮遥测电压，确 认动量轮线路盒加电成功后，发送动量轮启动到标称转速的遥控指令，观察动 量轮转速逐渐上升，直至标称转速ω₀＝4600rpm。

其中，α_i为所述卫星上安装的第i个待测动量轮安装矢量，H₀为卫星的整 星角动量，J₀为所述待测动量轮的转动惯量，i为正整数。

2)动量轮稳定运行一段时间后。大致为约1分钟，通过主控计算机发送 动量轮线路盒断电指令，动量轮失去控制力矩，进入自由滑行模式，在摩擦力 矩的作用下，其转速逐渐下降。在断电情况下，动量轮无遥测输出，地面无法 获取其下降过程中的转速。

3)断电一个给定的时间Δt＝10min后，发送动量轮加电指令，并通过卫星 遥测值立即记录上电时刻的动量轮转速ω_j。

4)在动量轮线路加电后，其对外遥测信息恢复，此时立即通过主控计算机 记录所解析的当前时刻动量轮转速ω_j。

5)发送动量轮启动指令，等待其启动到标称转速ω₀，重复N次第2)到 第5)之间的过程，确认每次得到的ω_j的基本一致，其中N≥3。动量轮转速和 时间关系如图4所示。

动量轮转子通常置于密闭外壳，壳内抽真空，不受空气作用影响，其转动 摩擦力矩主要相关因素是其机械结构，与转速相关性很小，因此可认为滑行过 程中的摩擦力矩与标称转速时的摩擦力矩是一致的。根据测量多次测量得到的 转速ω_j和Δt，动量轮转动惯量J₀等信息计算得出转动惯量，摩擦力矩M具体为：

当N＝3时，具体为：

a、计算三次的滑行过程中转速下降值Δ₁，Δ₂，Δ₃，分别是：

Δ₁＝ω₀-ω₁，Δ₂＝ω₀-ω₂，Δ₃＝ω₀-ω₃，

b、计算三次测量过程中平均转速下降值为：

Δ＝(Δ₁+Δ₂+Δ₃)/3，

c、计算三次滑行中动量轮的平均角加速度：

α＝Δ*2*π/(60)/10*60，

上述α的单位是弧度每秒的平方(rad/s²)。式中2π/(60)是为了将转速单位 从转每分转换为弧度每秒，而10*60是将时间单位从10分钟转换为秒。

已知动量轮的转动惯量为J₀，单位为kg.m²计算动量轮转动摩擦力矩为：

M＝J₀*α。

计算得出摩擦力矩M以后，在满足指标要求的基础上，还应对M的准确 性进行确认。原理是将该测量值注入到星载计算机，对动量轮施加与M等大小 的控制力矩，并观察一段时间内动量轮转速是否处于稳定状态。如果在此时间 段内动量轮转速变化幅度小于给定值，则表明测量得到的摩擦力矩的数据准确 可信，其精度满足要求。

5、卫星和地面设备状态恢复。

在主控计算机上，先后发送卫星动量轮线路盒、星载计算机、遥测遥控， 以及供电系统的断电指令，恢复卫星的状态。待卫星断电后，完成地面测试设 备的断电。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.卫星动量轮摩擦力矩地面在线测试方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线路盒，使用待测动量轮的线路盒给待测动量轮加电；

2)发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线路盒，控制待测动量轮转动至标称转速ω₀；

3)当待测动量轮的转速稳定后，发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线路盒，使用待测动量轮的线路盒控制待测动量轮断电；

4)当所述待测动量轮断电一定时间Δt后，再次发送遥控指令给卫星上的待测动量轮的线路盒，使用待测动量轮的线路盒给待测动量轮加电，使所述待测动量轮转动至标称转速ω₀；

5)使用待测动量轮的线路盒采集待测动量轮转速脉冲，根据所述待测动量轮转速脉冲，获得步骤4)加电时刻待测动量轮的转速ω_j；

6)重复步骤3)-5)共N次，根据所述标称转速ω₀和所述获得的N个所述步骤4)加电时刻待测动量轮的转速ω_j，确定待测动量轮的摩擦力矩M，其中，j＝1，2，3，...，N；

所述步骤6)确定待测动量轮的摩擦力矩M的方法，具体为：

其中，J₀为所述待测动量轮的转动惯量。

2.根据权利要求1所述的地面在线测试方法，其特征在于，所述步骤2)的标称转速ω₀具体为：

其中，α_i为所述卫星上安装的第i个待测动量轮安装矢量，H₀为卫星的整星角动量，J₀为所述待测动量轮的转动惯量，i为正整数。

3.根据权利要求2所述的地面在线测试方法，其特征在于，所述标称转速ω₀的取值范围为3000-5000转/分。

4.卫星动量轮摩擦力矩地面在线测试系统，其特征在于，包括：指令控制模块、线路盒模块、数据处理模块；

指令控制模块：发送遥控指令给线路盒模块，

线路盒模块：接收指令控制模块发送的遥控指令；根据所述遥控指令给待测动量轮重复加电断电使所述待测动量轮按一定规律转动，实时采集所述待测动量轮转速脉冲；将所述转速脉冲发送给数据处理模块；

数据处理模块：接收所述线路盒模块发送的所述转速脉冲，根据所述转速脉冲，获得待测动量轮的转速，根据所述待测动量轮的转速，确定所述待测动量轮的摩擦力矩M；

所述线路盒模块给待测动量轮重复加电断电使所述待测动量轮按一定规律转动，具体为：

A)所述线路盒模块给所述待测动量轮加电并转动至标称转速ω₀；

B)当待测动量轮的转速稳定后，所述线路盒模块给待测动量轮断电；

C)当所述待测动量轮断电一定时间Δt后，所述线路盒模块再次给所述待测动量轮加电并转动至标称转速ω₀；

D)重复步骤B)-C)N次，使所述待测动量轮按一定规律转动；

所述数据处理模块根据所述待测动量轮的转速，确定所述待测动量轮的摩擦力矩M，具体为：

所述线路盒模块根据所述遥控指令给待测动量轮重复加电断电N次，所述数据处理模块获得N个加电时刻待测动量轮的转速ω_j，根据所述N个ω_j，所述标称转速ω₀确定所述待测动量轮的摩擦力矩M，具体为：

其中，J₀为所述待测动量轮的转动惯量。

5.根据权利要求4所述的地面在线测试系统，其特征在于，所述数据处理模块根据所述待测动量轮的转速，确定所述待测动量轮的摩擦力矩M，具体为：

根据所述待测动量轮断电一定时间Δt后线路盒模块再次给所述待测动量轮加电时所述待测动量轮的转速ω_j，和所述标称转速ω₀确定所述待测动量轮的摩擦力矩M，其中，j＝1，2，3，...，N。

6.根据权利要求5所述的地面在线测试系统，其特征在于，所述标称转速ω₀具体为：

其中，α_i为所述卫星上安装的第i个待测动量轮安装矢量，H₀为卫星的整星角动量，J₀为所述待测动量轮的转动惯量，i为正整数。

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