第２８卷㊀第１１期
餐饮业食品卫生管理办法２０２０年１１月㊀㊀
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
㊀光学精密工程
㊀O p t i c s a n dP r e c i s i o nE n g i n e e r i n g
㊀㊀㊀㊀㊀㊀
V o l ．２８㊀N o ．１１㊀㊀N o v ．２０２０
㊀㊀收稿日期:２０２０Ｇ０５Ｇ０６；修订日期:２０２０Ｇ０７Ｇ０２．
㊀㊀基金项目：国家自然科学基金资助项目(N o ．５１９０５０３４,N o ．１１９０３００４)；国防重点基础研究项目文章编号㊀１００４Ｇ９２４X (２０２０)１１Ｇ２４７８Ｇ１０
李㊀林１,３∗，袁㊀利１,２,３，王㊀立１,３，郑㊀然１,３，王晓燕１,３，武延鹏１,
３
(１．北京控制工程研究所空间光电测量与感知实验室，北京１００１９０;
２．空间智能控制技术重点实验室，北京１０００９４;
３．中国空间技术研究院，北京１００１９０)
摘要：本文综述了极限性能哈勃太空望远镜(H u b b l eS p a c eT e l e s c o p e ,H S T )在轨微振动的研究进展，说明了其指向测量与控制系统组成和特点，同时给出了其关键技术指标，有针对性地剖析了H S T 在高性能航天器微振动研究及指向控制
技术等方面的先进技术和理念.阐述了H S T 反作用轮组件㊁
太阳电池阵的扰动特点以及微振动引起光学元件抖动的现象，在此基础上，对现代航天器５种先进指向控制技术进行了总结，包括基于降阶模型的控制㊁基于线性二次高斯的控 制㊁解析和数值推导的H ɕ控制㊁协方差控制和双模干扰调节控制.H S T 微振动相关技术分析方法可
为我国高分专项㊁深空探测㊁载人航天㊁引力波探测等涉及到的高性能航天器㊁毫角秒级敏感器以及空间站光学舱等高精度光学仪器的研制㊁地面试验和在轨干扰环境量化评估提供有益的借鉴.
关㊀键㊀词：哈勃太空望远镜；微振动；高性能航天器；指向控制系统
中图分类号:V ４２３．４㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７１８８/O P E ．２０２０２８１１．２４７８
I n f l u e n c e o fm i c r o v i b r a t i o n o nm e a s u r e m e n t a n d p o i n t i n g c o n t r o l s y
s t e mo f h i g h Ｇp e r f o r m a n c e s p
a c e c r a f t f r o mH u
b b l e S p a
c e T e l e s c o p e L IL i n １,
３∗,Y U A N L i １,２,
３,WA N GL i １,
３,Z H E N G R a n １,
碎纸片拼接３,WA N G X i a o Ｇy a n １,
３,WU Y a n Ｇp e n g
１,
３
(１．S p a c e O p t o e l e c t r o n i cM e a s u r e m e n t a n dP e r c e p
t i o nL a b ,B e i j i n g I n s t i t u t e o f C o n t r o lE n g i n e e r i n g ,B e i j i n g １
００１９０,C h i n a ;２．S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o nS p a c e I n t e l l i g e n tC o n t r o lL a b o r a t o r y ,B e i j i n g １
０００９４,C h i n a ;３．C h i n aA c a d e m y o f S p a c eT e c h n o l o g y ,B e i j i n g １
０００９０,C h i n a )∗C o r r e s p o n d i n g a
u t h o r ,E Ｇm a i l :c a s t _l i l i n ＠１６３．c o m A b s t r a c t :T h em i c r ov i b r a t i o n s t u d y o f t h e f a m o u sH u b b l eS p a c eT e l e s c o p
e (H S T ),w h i c h i sk n o w n
f o r i t s s u p e r i o r i n Ｇo r b i t p e r f o r m a n c e ,w a s r e v i e w e d ,t h e c o m p o s i t i o n a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f i t s p o i n t i n
g c o n t r o l s y s t e m (P C S )w e r e e x p l a i n e d ,a n d t
h ek e y t e c h n
i c a l i n d e x e sw e r e l i s t e d ．T h e s t u d y a n a l y z e d t h e a p p l i c a t i o no f t h e a d v a n c e d t e c h n o l o g y a n d c o n c e p t o fH S T i n t h e r e s e a r c ho fm i c r o v i b r a t i o n s a n d h i g h Ｇp e r f o r m a n c e P C S t e c h n o l o g y
．T h e d i s t u r b a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o ft h e H S T R e a c t i o n w h e e l a s s e m b l i e s (RWA s ),S o l a rA r r a y (S A ),a n d t h e p h e n o m e n o n o f o p t i c a l e l e m e n t j i t t e r c a u s e d b y m
i c r o
v i b r a t i o n sw e r ee x p o u n d e d,b a s e do n w h i c hf i v ea d v a n c e d p o i n t i n g c o n t r
o l t e c h n o l o g i e so fm o d e r n s p a c e c r a f t s w e r e s u m m a r i z e d,i n c l u d i n g R e d u c e dＧO r d e r M o d e lＧB a s e d C o n t r o l D e s i g n,L i n e a r Q u a d r a t i cG a u s s i a nＧB a s e dC o n t r o l l e rD e s i g n,A n a l y t i c a l l y a n d N u m e r i c a l l y D e r i v e d HɕC o n t r o l l e r D e s i g n s,C o v a r i a n c eC o n t r o lD e s i g n,a n dD u a lＧM o d eD i s t u r b a n c eＧA c c o m m o d a t i n g C o n t r o l l e rD e s i g n．T h e d a t a g a t h e r e df r o mt h i sa n a l y s i sa n dt h ee x p e r i e n c ec a n p r o v i d eav a l u a b l ee x p e r i e n c e f o rh i g hＧp e r f o r m a n c e s p a c e c r a f t st h a tu s e RWA,C MG,S A,a n do t h e r p o t e n t i a ld i s t u r b a n c es o u r c e s．T h e H S T m i c r o v i b r a t i o nt e c h n o l o g i e sa n d a n a l y s i s m e t h o d sc a n p r o v i d ee f f e c t i v er e f e r e n c e sf o rt h e d e v e l o p m e n t o f h i g hＧp r e c i s i o no p t i c a l i n s t r u m e n t s,s u c ha sh i g hＧp e r f o r m a n c e s p a c e c r a f t s,m i l l i s e c o n d o p t i c a ls e n s o r s,a n d G u a n g x u e c a n g o f s p a c e s t a t i o n,g r o u n d t e s t,a n d i nＧo r b i t i n t e r f e r e n c e e n v i r o n m e n t q u a n t i t a t i v e a s s e s s m e n t,w h i c h a r ei n v o l v e d i n t h e G a o f e n g p r o j e c t,D e e p S p a c e E x p l o r a t i o n,M a n n e dS p a c e f l i g h t,a n dG r a v i t a t i o n a lW a v eD e t e c t i o n i nC h i n a．
K e y w o r d s:H u b b l eS p a c eT e l e s c o p e(H S T);m i c r ov i b r a t i o n;h i g hＧp e r f o r m a n c es p a c e c r a f t;p o i n t i n g
c o n t r o l s y s t e m
１㊀引㊀言
随着空间技术的快速发展，人类对航天技术的要求越来越高.在高分辨㊁高稳定度和高指向精度等要求下，航天器对工作环境的要求也更高[１].系统载荷，尤其是高分辨力相机[２]㊁高精度光电探测仪器[３]㊁高精度敏感器[４]等空间光学仪
器，对工作环境十分敏感，其中环境影响的关键因素之一是微振动[５Ｇ６].航天器微振动通常指在空间微重力环境中微小的机械振动或干扰，通常在１H z~１k H z的频率范围内[５,７].实际上，无论是深空探测㊁高分对地观测，还是星间测量，航天器微振动都是影响高精度航天器指向精度和成像质量等关键性能的重要因素.由于微振动力学环境幅值很小，对大部分航天器不会产生明显影响，通常予以忽略，但对高性能航天器，这种微振动环境会严重影响其指向精度和姿态稳定度[８Ｇ９]，从而影响航天器的在轨服役性能.
国际上典型的对地观测测遥感卫星的分辨率多在０．５~０．１m，如美国的侦查卫星K HＧ１２的分辨率为０．０８m[５]，快鸟改进型号W o r l d V i e wＧⅡ的地面分辨率为０．４６m[１０]，中国高景一号(S u p e r V i e wＧ１)的地面分辨率达到０．５m[１１].深空探测航天器与对地观测卫星相比，其分辨率要高出１~２个数量级，如哈勃空间望远镜(H u b b l eS p a c eT e l e s c o p e, H S T)的角分
辨率达到０．１(ʎ)/m i n[９]，下一代空间望远镜J a m e s W e b b的指向精度将达到０ ００４ᵡ，预计２０２１年发射[１２].
H S T于１９９０年４月发射，至２０２０年４月，已实现在轨３０年的超长服役能力[１３].H S T光学口径为２．５m，运行于６００k m近地轨道，工作波段从紫外到近红外，可在１００~２５００n m波段范围内获得衍射极限分辨率[１４].H S T指向控制系统(P o i n t i n g C o n t r o l S y s t e m,P C S)的核心控制作动部件反作用轮组件(R e a c t i o n W h e e l A s s e m b l y s,RWA s)和用于提供电力来源的太阳电池阵(S o l a rA r r a y,S A)在轨时产生了非预期的诱发扰动现象(本文统称为 微振动 )，对H S T 指向性能产生了严重影响[９,１４].该问题受到了全世界航天研发机构的高度关注.本文详细总结了H S T指向及姿态控制系统的技术特点，并结合美国国家航空航天局(N A S A)最新公布的数据深入剖析了H S T微振动的相关技术经验，以对未来高性能航天器的研制提供宝贵的经验.
２㊀H S T构成
H S T长为１３．３m，直径为４．３m，质量为１１．６ˑ１０３k g，造价近３０亿美元，其整体构造如图１所示[１５].光学仪器作为H S T的 心脏 ，采用卡塞格林式反射系统，由两个双曲面反射镜组成，其中主镜口径为２．５m，次镜口径为０．３m.另外H S T还装载了用于光学观测的广域/行星照相机(W F/P C)㊁用于紫外波段的戈达德高解析摄谱仪(G H R S)㊁对天体光度变化和偏极性进行快速
测量的高速光度计(H S P)以及对暗天体进行拍照的光学仪器等[１６].值得一提的是,H S T 上装载的３个精密制导传感器(F i n e G u i d a n c e
９７４２
第１１期㊀李㊀林，等：从哈勃太空望远镜剖析微振动对高性能航天器指向测量与控制系统的影响
S e n s o r ,F G S )的测量精度达到０．３(ᵡ)/s ，主要用于H S T 高精度指向准确性的复核验证,
也能够对目标天体进行测量[
１７
]
.图１㊀H S T 系统构成[１
５]
F i g ．１㊀C o m p o s i t i o no fH S Ts y
s t e m [１５
]
３㊀H S T 指向控制系统
３．１㊀指向控制方法与精度
不同的指向控制方法可使得航天器具有不同
的指向精度.典型的指向精度控制方法和精度如
表１所示[１８
].常规航天器通常采用星敏感器㊁陀
螺仪等进行姿态指向控制，精度一般在几十角秒
量级(３σ).在此基础上，通过增加姿态测量敏感器㊁改进星表等手段，指向精度能够提升到角秒级，如果装载了F G S ,
指向精度能够提升到亚角秒级.H S T 采用了更加严苛的设计方法,
包括系统化的管理，降低所有扰动源的扰动输出，在光路上增加干涉敏感器，扰动源隔振设计等，其指向精度达到了亚毫角秒级.
表１㊀航天器视轴指向精度控制方法及精度T a b ．１㊀P r e c i s i o n c o n t r o lm e t h o da n dL O S p r e c i s i o n
序号不同类型的控制方法(以下每项均包含前一项)
指向精度/
((ᵡ) s －１
,３σ)
１两个星敏感器
６０~１００２
＋增加陀螺仪
３０~６０３＋与姿态系统共基准敏感器３~３０４＋改进星表１~３
５＋采用精密制导传感器
０．１~１．０
６＋先进隔振系统０．００３~０．１７＋系统化管理㊁
降低扰动源的扰动输出㊁增加干涉敏感器㊁扰动源隔振设计
亚毫角秒
３．２㊀主要扰动问题
４个RWA ㊁３个F G S ㊁６台陀螺仪㊁１台D G Ｇ２２４星载中心计算机构成了H S T 指向控制系统的核心，另外还有１个磁动量系统对飞轮进行不断卸载，多个进行粗姿态获取的太阳敏感器,３个
用于姿态持续刷新的星敏感器[
９
].RWA 安装于H S T 光学系统支撑机构内部,H S T 使用的RWA 在此前有着５次成功在轨飞行经历,４个RWA 起到了系统输出控制力矩的关键作用，其最大输出转矩为０．８２N m ，可实现６(ʎ)/m i n 的姿态
机动能力[１４
]，与姿态敏感器配合可实现高精度指
向控制能力.然而,RWA 在H S T 上工作时表现出了高敏感性诱发扰动现象，因此N A S A 对RWA 微振动隔振方法进行了研究[１９]
.H S T 在
轨进出阴影区时，太阳帆板产生了非预期的热致
扰动，严重影响了H S T 的指向性能，因此N A S A 又对S A 热致扰动进行了深入研究,
最终采用线性状态空间模型实现了S A 增益增大的控制率修正，并研制了新型的控制器.
３．３㊀指向控制方法
H S T 利用太阳敏感器㊁陀螺㊁星敏感器和F G S 实现指向获取,
通过控制计算机进行控制指令下达，进行姿态敏感器选取与姿态作动器的控制力矩输出，从而实现高精度指向能力.H S T 指
向控制系统框图如图２所示[１４
].H S T 最初指向伽马射线肿瘤
要求为在观测时间１０s 持续到２４h ,
焦面上的图像稳定在０ ００７(ᵡ)/s (R M S )
内[１４]
，衍生的要求是F G S 不会丢失对导航星的锁定.然而,
由于RWA 机械扰动和S A 的热致干扰等,P C S 无法
满足这一苛刻要求，数据终端出现的指向误差超过０．１(ᵡ)/s
，并且经常发生导航星数据丢失的问题.考虑到系统的微小干扰环境和科学仪器的实际需要,N A S A 对H S T 的指向精度进行了重新定义，即时间间隔为１m i n 的每轨指向误差优于０ ００７(ᵡ)/s (R M S )
，并且该精度保持率不低于９５％，另外，每１６个轨道的导航星数据锁定损失不得超过一次.
３．４㊀反作用飞轮组扰动由于材料缺陷㊁加工误差等因素,R W A 转动部件难免会存在微小的瑕疵[２０
]，即使经过最严苛
的检验审查，微小瑕疵仍然不可避免.R W A 正常
工作时，这些瑕疵会引起微小的机械振动，随着转子旋转，润滑剂在轴承表面不断重新分布，使得这种微小的振动更加复杂化.虽然可以通过检测工作时电机的电流来实时判断转动部件的长期工作
０
８４２㊀㊀㊀㊀㊀光学㊀精密工程㊀㊀㊀㊀㊀
第２８卷㊀
情况，但并不能够可靠地检测R W A 输出的微小扰
动力/力矩.只有通过详细深入地研究R W A 的内部结构，并对其扰动数据进行测试，才能最大程度地评估R W A 扰动对航天器的影响
.
图２㊀H S T 指向控制系统
F i g ．２㊀P o i n t i n g c o n t r o l s y
s t e mo fH S T 在姿态指向控制系统命令执行过程中,RWA
诱发扰动原因涉及两个方面：一方面，转子旋转速率要能够在一个很大的转速范围内变化；另一方面，系统达到指令规定的速率后需要保持长时间
稳定.旋转速率大范围变化和指定速率长时间运行会引起整个航天器系统结构模态的共振响应，不利于P C S 的稳定性.
大多数扰动源都可以在扰动作用时采取相应
的措施来消除影响，例如选择性断电㊁切换操作模式/配置文件㊁修改占空比或转换备份功能等.RWA 则不同,
它需要长时间运行，以保持航天器系统的姿态稳定性[２１Ｇ２２]
，
航天器姿态P C S 发布的持续指令对R W A 进行微小的力矩输出,
以应对扰动引起的视轴变化.另外，由于航天器在轨运行加尔文教
时，其轨道状态㊁环境是不相同的，这就使得反作用轮组件在轨道上运行时的作用具有不可预测性，因此分析扰动源的扰动特性就显得尤为重要.
通常情况下，较小的RWA ，其转子质量以及
存在的不平衡也相对较小，较大的RWA 其转子
质量存在的不平衡则相对较大.当较小的RWA
伺服液位计以较高的旋转速率工作和较大的RWA 以较小的
旋转速率工作时，它们对指向控制系统和姿态控制系统能够达成相对一样的作用结果，但其微振动影响则不同.较小的RWA 能够获取较高的指向精度，但其姿态机动成本较高；较大的RWA 虽然能够快速机动，但产生的扰动相对较大，对指向
稳定性影响更大.在H S T 系统扰动环境中,
RWA 扰动占据了主导因素,
如图３所示[１４
].图３㊀H S T 指向控制系统的误差因素分析[１４]
F i g ．３㊀E r r o r f a c t o r a n a l y
s i s o fH S T ＧP C S [１４]
１
８４２第１１期㊀李㊀林，等：从哈勃太空望远镜剖析微振动对高性能航天器指向测量与控制系统的影响
图４㊀典型的扰动力特性(８００r /m i n ＠１３．３３H z
)和瀑布图[１９]
F i g ．４㊀T y p i c a l d i s t u r b a n c e c h a r a c t e r i s t i c s (８００r /m i n ＠１３．３３H z )a n dw a t e r f a l l p
l o t [１９
]
㊀㊀H S T 指向控制系统的４个RWA 同时进行
工作时,P C S 轨道旋转速率可达到５H z
.当转速达到６００r /m i n 时，对应旋转频率为１０H z
，与姿态指向控制敏感频率十分接近，不利于指向姿态的控制.R W A s 最显著的扰动是与转速的一次谐波相关的伴随高次谐波.图４给出了８００r /m i n 下扰
动力的谐波特点[１９
]，在扰动到达一次谐波后，能
够看到多个高次谐波分量的存在，经过图５中的
３组黏弹性被动式隔振设计后,
一次谐波扰动大幅降低.相比一次谐波的较小幅值，高次谐波幅值更大，对视轴的影响可能更加严重，这已经超出了指向控制系统的振动控制范围，需要采取其他手段进行解决.这种高次谐波分量也更加难以抑制
.
图５㊀H S T 飞轮被动隔振系统
F i g ．５㊀H S T p a s s i v e v i b r a t i o n i s o l a t i o n s y
s t e m ３．５㊀热致扰动
N A S A 最初对H S T 在轨微振动数据进行分
析时，将获取的扰动数据用来建模分析和评估视轴抖动的情况，以便于采取对应措施.然而，在RWA 主导的扰动因素外,
望远镜在进出阴影区域时，由于S A 温度的变化，产生了非预期的热致扰动，显著影响了H S T 的视轴稳定性.
受S A 热致扰动影响最大的两种模态是原子核的能级
０．１１H z 的平面外模态和０．６５H z 的平面内模
态[２３
].N A S A 马歇尔太空飞行中心为热致扰动
研究团队提供了所需的监测数据:RWA s 处于
４０H z 的轨道保持速率下,４个S A 处于不同方向
下轨道昼夜交汇区时的数据;１个S A 方向影响下,１个完整轨道RWA s 轨道保持数据.这些数据为研究系统主要传递函数的高阶态(１１８
)㊁多输入多输出(M u l t i p l e I n p u t M u l t i p l e O u t p
u t ,M I MO )线性状态空间真值模型和复合单输入单输出(S i n g l e I n p u tS i n g l eO u t p u t ,S I S O )控制设计模型提供了重要依据.
N A S A 在S A 各轴的P I D 控制器中加入２个
６阶滤波器,
即在前向路径中加入G A 滤波器，在内环控制加入G F 滤波器[２
４Ｇ２５
].最终改进设计的控制器得到了在轨验证,０．１１H z 模式衰减３０倍,０．６５H z 模式衰减５倍.每个轨道大约９５％
的扰动水平低于０．００７(ᵡ)/s ，高于原有的４２％，并且锁定丢失性能也得到了改善.此外，证明了锁定丢失与０．６５H z 的干扰密切相关.
３．６㊀光学元件抖动
H S T 建立了从振动Ｇ结构Ｇ控制Ｇ
光学的全链路微振动分析模型，以实现扰动对光学系统视轴的影响分析，该方法使H S T 系统的质量特性㊁
结构性能和刚度等不断改进.H S T 在３０H z 处意
２
８４２㊀㊀㊀㊀㊀光学㊀精密工程㊀㊀㊀㊀㊀
第２８卷㊀
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