MEMS技术的发展及其在航天领域的应用研究

简述MEMS概念和特点,分析MEMS技术应用于航天领域的优势及其技术发展情况,重点对MEMS技术在微纳卫星领域的应用以及对微纳卫星技术发展的牵引作用进行了研究.     

北京遥测技术研究所MEMS工程中心

北京遥测技术研究所MEMS工程中心位于北京市丰台区东高地四营门北路2号院,中心洁净厂房总面积约1700 m2,是集设计、制造于一体的MEMS传感器产业基地及MEMS技术创新平台。中心根据产品生产需求和先进的工艺设计加工理念,建立了薄膜压力传感器及石英角速率传感器两条批量产品生产线。经过多年来的发展,还建立了碳化硅高温压力传感器、谐振式高精度压力传感器、石英振梁加速度传感器、硅微压力传感器、射频微同轴MEMS器件等先进产品研试线。     

一种新型MEMS移相器设计

建立Ka波段分布式MEMS移相器的等效电路,设计基于此模型的分布式MEMS移相器,并对其反射损耗与插入损耗进行优化。仿真结果表明,该模型在4GHz工作带宽内反射损耗小于-15dB,在10GHz带宽内插入损耗大于-2dB,单桥相移达到35°。     

RF MEMS器件在航天领域的应用

概述近年来国内外RF MEMS器件在航天领域的部分应用及发展趋势,重点介绍了RF MEMS开关、RF MEMS移相器和RF MEMS滤波器在航天领域的应用.     

基于微机电系统的微推进发展新趋势

纳皮型卫星和卫星编队飞行的发展,对星上推进系统提出了更高的要求,基于微机电系统(MEMS)技术的微型推进系统以此为契机迅速发展起来。基于MEMS技术的微推进除了具有成本低、体积小、质量轻等优点之外,还具有很高的集成度。它利用MEMS加工技术,能将推进系统的推进剂、贮箱、喷嘴、阀门、推进剂进给系统,以及某些微传感器和执行器,甚至控制电路都集成在一个或几个硅片上,再通过键合等微连接装配技术将这些MEMS器件组装在一起,形成功能完善、稳定性高的集成微推进系统。目前国内外对集成式微推进的相关研究大部分都处于设计和试验阶段。随着MEMS技术的不断发展和进步,集成式微推进技术将日趋成熟,并最终广泛应用于微小卫星领域。     

MEMS陀螺随机漂移误差系数的动态提取

针对传统Allan方差提取微机电系统（MEMS）陀螺随机误差系数仅得到近似均值,与实际中其随时间在均值附近波动不相符的缺点,提出一种动态提取MEMS陀螺随机误差系数的方法。该方法将窗函数引入Allan方差计算,不仅能够正确提取MEMS陀螺随机误差系数,而且还能得到MEMS陀螺随机误差系数的时间变化曲线,这将有利于MEMS陀螺的性能分析和误差补偿。实验证明该方法提取的MEMS陀螺随机误差系数的时间变化曲线在以传统Allan方差得到的近似均值附近波动。由此可见,该方法具有一定的可信度。     

萤火一号火星探测器MEMS陀螺姿态确定技术

对萤火一号(YH-1)火星探测器姿态控制分系统中石英微电磁系统(MEMS)陀螺的应用进行了研究.对MEMS陀螺进行了温漂标定试验和年漂测试专项试验.根据试验结果对MEMS陀螺进行建模,用高低温零位在轨标定算法对MEMS陀螺零位进行一次修正,再用星敏感器和陀螺联合定姿算法对高低温零位标定残差进行二次在轨修正.数学仿真结果表明:高低温在轨修正算法和卡尔曼滤波算法有效,提高了石英MEMS陀螺的测量精度.     

基于多尺度多参量的硅MEMS陀螺仪漂移预测

针对硅MEMS陀螺仪误差因素多,输出为非线性非平稳的特点,采用传统方法难以对其建立精确的误差模型.在对小波神经网络方法改进的基础上,提出了多尺度去噪的平稳化方法及多参量非线性预测方法并将其用于硅MEMS陀螺仪漂移预测.试验结果表明,采用多尺度多参量校准方法,硅MEMS陀螺仪精度由1°/s提高到0.02°/s.     

MEMS陀螺仪随机误差的Allan分析

为了减少MEMS陀螺仪的误差并提高其精度,需要对陀螺仪误差进行估算与补偿,因而建立陀螺仪的随机误差模型。在陀螺仪随机误差模型分析方法中,有功率谱密度分析、时序ARMA模型及Allan方差分析。Allan方差分析是在时域上对信号频率稳定性进行分析的一种通用方法。通过分析Allan方差,可以分辨出存在于MEMS陀螺中的各种类型噪声。文中用Allan方差对MEMS陀螺仪进行具体分析,得到存在于陀螺仪信号中的各误差源。实验结果表明,Allan方差分析是建立陀螺仪随机误差模型的一种很实用的方法。     

气压对MEMS梳状线振动陀螺仪影响的研究

MEMS梳状线振动陀螺仪阻尼包括结构阻尼和流体(空气)阻尼,而对于此种结构而言,空气黏性阻尼比结构阻尼大的多.由于气压的变化会引起空气黏性系数的变化,因而会引起MEMS梳状线振动陀螺仪谐振频率、阻尼系数、零偏等参数的变化.因此,研究气压变化对MEMS梳状线振动陀螺仪的影响是非常必要的.根据MEMS梳状线振动陀螺仪的结构特点,建立了压膜阻尼和库埃特流阻尼模型及气压与阻尼的关系模型,研究了气压对两种阻尼的影响以及对MEMS梳状线振动陀螺仪输出电压的影响.通过研究分析可知,气压在小于一个大气压时对压膜阻尼系数的影响很大,进而对MEMS梳状线振动陀螺仪输出的幅值影响也较大.气压在接近或者大于一个大气压时,MEMS梳状线振动陀螺仪随着气压的变化不大,因此将此种陀螺仪的气压控制在一个大气压.     

基于刚体转动四元数模型的航天器再定向方案

介绍了一种新的刚体转动的四元数模型。这些模型可以提高再定向控制的对边界条件的适应能力，在此基础上还介绍了这些模型的一些实际应用。     

Determination of parameters of attitude motion of a small communication satellite using the data of measurements of current of solar panels

A communication satellite (small spacecraft) injected into a geosynchronous orbit is considered. Flywheel engines are used to control the rotational spacecraft motion. The spacecraft after the emergency situation has passed into a state of uncontrolled rotation. In this case, no direct telemetric information about parameters of its rotational motion was accessible. As a result, the problem arose to determine the rotational satellite motion according to the available indirect information: current taken from the solar panels. Telemetric measurements of solar panel current obtained on the time interval of a few hours were simultaneously processed by the least squares method integrating the equations of rotational satellite motion. We present the results of processing 10 intervals of the measurement data allowing one to determine the real rotational spacecraft motion and to estimate the total angular momentum of flywheel engines.     

攻角变化对超音速进气道再起动特性的影响

以二维非定常可压缩流的N-S方程为控制方程,采用SST k-ω湍流模型对攻角变化引起的超音速进气道再起动过程进行了数值模拟,研究了攻角变化对超音速进气道再起动特性的影响.结果表明,当超音速进气道不起动时,可通过合理改变攻角实现进气道的再起动工作;超音速进气道的再起动攻角随攻角变化速率的增大近似呈线性增加;攻角变化速率较...     

热变形对一种天线指向机构指向精度的影响分析

热变形对天线指向机构的指向精度具有重要影响,但利用传统的设计方法很难实现对指向精度的准确计算,尤其是热变形对指向精度影响的研究工作更是少见。为此建立了机构的三维实体热-结构耦合有限元分析模型,根据有限元分析结果并结合机构的运动链关系,构建了各关键运动副运动误差的计算方法;在此基础上实现了机构指向误差的计算,研究了运动副名义、最大以及最小配合间隙条件下,温度载荷对各关键运动副运动误差和指向精度的影响。研究结果表明,温度载荷对关键运动副的运动误差以及机构的指向精度具有重要影响,随着温度载荷偏离常温数值的增加,指向误差不断增大,名义配合间隙条件下的指向误差最大。     

On solving the problems of optimization of trajectories of many-revolution orbit transfers of spacecraft

The problem of optimal control over many-revolution spacecraft orbit transfers between circular coplanar orbits of satellites is considered. The spacecraft flight is controlled by a thrust vector of a jet engine with restricted thrust (JERT). The mass expenditure is minimized at a limited time of flight. The optimal control problem is solved based on the maximum principle. The boundary value problem of the maximum principle is solved numerically using the shooting method. A modified computation scheme of the shooting method is suggested (multi-point shooting), as well as a method (correlated with the scheme) of choosing the initial approximation with the use of a solution to the optimization problem in the impulse formulation. The scheme and method allow one to construct many-revolution spacecraft orbit transfers.     

多通道功率放大器中幅度和相位一致性影响分析

文章利用传输矩阵方法,建立了MPA分析模型,并通过引入幅度和相位随机性,结合各路放大器幅度和相位组合概率,对通道隔离度的影响进行了计算和分析。     

电缆屏蔽金属网屏蔽效能的工程计算

金属网由于柔韧性好、使用方便等优势而在电缆屏蔽工程上得到广泛应用。本文对电缆用的金属网屏蔽效能进行工程计算,通过计算,对金属网不同材料、不同规格、单层与双层屏蔽及有缝隙情况下的屏蔽效能进行比较与分析,对工程应用有一定的指导意义。     

多自由度微振动环境时域波形复现的数值仿真

为满足航天器微振动环境模拟的需要,开展了多自由度微振动时域波形复现控制方法研究。首先,介绍了基于时域波形复现的多自由度微振动环境模拟控制理论方法。其次,针对六自由度微振动激励系统,应用MATLAB软件建立了基于实测传递函数矩阵的多输入多输出微振动激励仿真系统,针对微振动时域波形复现闭环控制过程进行了算法编程,并给出了仿真的闭环控制流程图。最后,通过算例对多自由度微振动时域波形复现进行了数值仿真,以给定的白噪声为输入,模拟对实际存在的系统非线性、测量误差等影响因素的控制效果。仿真结果验证了多自由度微振动时域波形复现控制方法的可行性及有效性,所得结论可以为研究多自由度微振动时域波形复现控制系统提供参考。     

Stability of dynamic algorithms of determination of quasi-stationary satellite orbits

A method of estimating the stability of the problem of orbit determination under disturbances caused by finite accuracy of calculation and geographical siting of observation stations is proposed.