基于电机转速的红外地平仪测量误差研究

    引言

    双圆锥扫描式红外地平仪^[1]是航天器姿轨控系统的配套单机之一，在轨实现航天器相对于局地垂线的俯仰角及滚动角测量，用于初始状态时航天器对地球的捕获及稳态运行时航天器的姿态控制。

    双圆锥扫描式红外地平仪是基于对地球和外层空间背景之间的红外辐射差敏感,利用扫描电机和特殊设计的光学系统对地球进行双圆锥光学扫描，地平辐射信号成像 在热敏元件上，经过电子学系统的处理，在一个扫描周期内可得到相对于基准的 4 个地平穿越角：太空/地球穿越、地球/太空穿越。星载计算机根据地平仪获得的穿越角，计算出航天器的俯仰角和滚动角。

    双圆锥扫描式红外地平仪扫描轨迹^[2]如图1所示。

    星载计算机根据红外地球敏感器输出的 4 个穿越角，应用式(1)和(2)可计算出航天器的俯仰角和滚动角^[3]。

式(3)～(6)中：C 为常值，由航天器轨道高度和红外地平仪的扫描圆锥角等参数确定。

    双圆锥扫描式红外地平仪的性能主要由俯仰角和滚动角的测量精度来标定，本文对由电机转速不均匀造成的红外地平仪姿态测量误差进行分析研究。

    1 电机转速数学模型的建立

    考虑到低转速、小负载、转动平稳及控制灵活的设计目标，双圆锥扫描式红外地平仪上一般选用无刷直流电机^[4]作为负载驱动机构，对于本文研究的红外地平仪，电机转速为1r/s，电机驱动电路采用MOSFET开关管组成的桥式结构，用锁相环电路对电机进行稳速和相位锁定，反馈信号为位置脉冲信号，由安装在电机转子上的位置传感器给出。

    本文研究的红外地平仪电机驱动电路锁相环标准时钟为 256Hz，电机光栅编码器输出的信号为 4096Hz，16 分频后得到 256 Hz 信号，将该信号输入到锁相环作为反馈信号，经过逻辑运算并用示波器对锁相环输出信号进行观察分析，锁相环输出信号为 256Hz脉冲信号，MOSFET 的开关频率为 256Hz，近似梯形脉冲信号，通过电机稳速电路的仿真并用示波器观察分析，电机角速度交流成分信号如图 2 所示。

    考虑到研究的方便，可将上图电机角速度交流成分信号简化为正弦信号，其振幅取 0.02V，根据电路设计，设 0.02V 的振幅对应为 0.002°/ms 的电机转速，频率为 256 Hz。电机角速度设计值为 360°/s，即0.36°/ms。令相位为 0，可建立电机转速的数学模型，如式(7)所示：

    2 地平仪获取的地球红外辐射信号分析