大幅宽高分辨光学卫星一体化结构多目标优化设计

发布时间：2020-06-22 22:16

【摘要】：大幅宽高分辨光学卫星因其大视场,高分辨率的成像可以快速实现大面积区域覆盖和详查,成为对地观测领域的重要发展方向。在有限的重量约束下,卫星结构设计需要同时满足多个设计目标,而这些目标都是相互影响的,很难同时达到最优,这类问题称为多目标优化问题,是空间技术领域的重要课题。本文所研究的卫星代号宽幅卫星,其有效载荷是一台大型离轴三反光学相机,围绕该光学相机设计的卫星平台自身重量小于180kg,负责支撑相机及其他各分系统总质量超过1120kg,卫星平台还要负责承受和传递包括轴向和横向过载,以及谐波激励载荷、微振动载荷外载荷并保持稳定性,满足强度、刚度、动力学响应、抗扰振性能等多个设计目标。本文采用的结构一体化设计思路,有利于实现设计约束的良性分配,各分系统得以聚焦主要设计任务,最大化发挥卫星成像性能,降低系统设计冗余,减小卫星重量和尺寸,最终实现各项设计指标。本文针对宽幅卫星结构设计,以结构一体化的设计理念,采用基于遗传算法的多目标优化设计方法,分别对卫星平台结构进行优化设计,以及围绕卫星总体抗扰振性能要求,提出了一种无成像微振动集成建模分析方法,对卫星进行隔振多目标设计。本文主要从以下4个方面进行了研究。1.卫星结构设计多目标优化理论分析。首先将本文研究对象宽幅卫星一体化结构等效为二自由度弹簧阻尼模型,分析各分系统连接刚度和连接阻尼对其他各分系统频率响应特性的影响;其次对微振动的产生和抑制方法在理论上进行解释;然后,阐述了多目标优化遗传算法及其适用性,并利用该算法,以宽幅卫星的相机桁架力热变形为多目标,进行了算例研究得到优化后的铺层角度,通过试验进行了验证;最后,讨论了卫星结构分步多目标优化的研究框架,确定了各设计阶段的主要设计目标。2.研究卫星平台结构拓扑,多目标结构尺寸优化和有限元法分析卫星动力学性能。首先,利用变密度法,以X/Y/Z三方向柔度最小为目标,对卫星平台结构进行结构形貌拓扑优化,得到初始结构形式。阐述桁架截面尺寸和蜂窝夹层板截面尺寸对动力学响应的影响,以横向和纵向正弦振动激励下光学相机关键位置响应最小为设计目标,基础频率为约束,在Isight环境下利用NSGA-II遗传算法进行迭代设计。最后得到Pareto最优解即平台结构19个设计变量的优化尺寸,卫星平台结构质量177.7kg,优于同类型卫星指标;最后利用数值仿真法分析卫星系统动力学特性,结果表明满足强度和刚度要求。3.首次提出一种适用于大型离轴三反光学卫星的无成像微振动集成建模分析方法,并对隔振装置结构尺寸进行多目标优化和实施。首先阐述飞轮扰振产生机理和对成像影响原理,给出离轴三反光学系统反射镜位移引起像移的光学放大系数以及利用有限元和MATLAB程序进行无成像微振动分析详细建模方法。以Y向像移为算例,分析了主镜、次镜、三镜、折叠镜对像移的影响程度。利用Isight环境下的NSGA-II多目标优化遗传算法,对隔振装置的结构尺寸进行了优化,得到12个相关设计变量的优化尺寸并实施隔振。4.开展宽幅卫星的地面动力学试验,验证一体化结构设计的有效性。首先是正弦振动试验,利用振动台模拟发射阶段低频激励,得到卫星一体化结构的频率响应,结果满足单机设备对正弦振动幅值不大于8g的要求。然后是微振动试验,提出无成像微振动测试方案,利用准零刚度原则的悬吊法,测试反作用飞轮扰振力和力矩引起的像移,试验结果X方向像移优于0.228个像元,Y向像移优于0.237个像元,表明基本满足微振动设计要求,隔振设计有效。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP18;V423.4
【图文】：

更高分辨率的方向发展,目的是为了更高效地获取高清影像。对于极地轨道光学遥感卫星来说，其推扫成像特点决定其获取大面积目标主要依靠成像幅宽。所以大型光学遥感卫星的成像幅宽作为提升拍摄效率的主要指标，应予以重视，为了获得大幅宽，一般选用非对称特点的离轴反射系统。随着卫星指标参数的提升，卫星平台和光学相机都在不断增大，遥感卫星现有的研制模式从轻量化、发射段动力学响应以及在轨阶段微振动抑制等都是亟待解决的难题[7]。本文采用的平台和相机结构一体化多目标优化设计，即卫星结构一体化多目标设计是解决遥感卫星发展问题的重要手段。光学遥感卫星的主要成像指标由其所配置的有效载荷即光学相机来决定，传统的卫星研制思路即有效载荷和卫星平台分头研制已不适合当今的发展趋势[3]。如图 1. 1 所示，一体化设计，是以光学相机为中心展开设计。在进行卫星系统设计时，兼顾光学相机和卫星平台双方利益，将光学相机设计和平台设计有机结合起来，使整体性能达到最优[3]。一体化设计优点体现在高精度、高敏捷性和低成本，可以有效突破原有的设计模式，以相机为中心实现平台相机高度定制化设计的同时，减小了质量和尺寸、降低卫星成本，实现卫星设计冗余减少[8]。

卫星有效载荷是星上的专用设备，；卫星平台也常被成为服务舱，主要功能制、轨道控制、业务测控等，保证卫星能计构型的卫星，通常具有低重量、高功能遥感卫星以及部分中国发射的卫星得到了成设计是以光学相机为核心进行布局，将到 星既是载，载既是星[19]。法国宇航局.5m 的全色分辨率与 2m 的多光谱分辨率度和高定位精度，该卫星的星敏感器、光机上，卫星相机与平台通过连接部件与卫支撑结构通过 3 组桁架杆组件连接到近过支撑结构连接到对接面，其他各分系进行布置，三个太阳翼均匀布置在近正六，入轨后展开，整颗卫星最大程度减小了动惯量，提升卫星系统敏捷性，如图 1.2

【参考文献】

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本文编号：2726325