静电悬浮加速度计伺服控制分析

根据广义相对论原理选定的坐标系参照物为理想情况下在轨道上自由飘浮的卫星, 据此讨论静电悬浮加速度计检验质量块的运动和电极笼的运动, 得到检验质量在电极内运动的动力学方程, 证明以往相关文献提供的公式存在明显缺陷; 在此基础上分析了伺服控制电路, 给出了电阻尼系数、闭环自然谐振的角频率(或称为加速度计的基础角频率)、受静电负刚度等非受控刚度制约的角频率、来自于静电悬浮的加速度、检验质量的相对位移等一系列表达式, 从而提出必须有足够的增益以提供适度的闭环自然谐振角频率. 给出了位置噪声引起的加速度噪声表达式, 证明当伺服回路的增益足够大时, 在悬浮频带内检验质量的相对位移几乎为零.      

静电悬浮加速度计噪声测试数据的频谱分析方法

分析了不同系数的离散傅里叶变换公式的含意,并从中筛选出符合工程分析要求的正确公式。为使用快速傅里叶变换可采用多种方式使数据符合2的整数次幂,分析了各种方法的优缺点;分析了各种频谱的应用对象,得出静电悬浮加速度计噪声适宜采用功率谱密度,且在窗函数应用上宜选择与之符合的系数;给出了使用OriginLab公司Origin5.0/7.0软件计算功率谱密度时所必须采取的纠正措施,提出地面测试静电悬浮加速度计噪声需采用差分方法以仰制环境噪声,具体操作方法是,将两台加速度计已扣除平均值的时域噪声值相减后除以平方根2。      

内卫星辐射计效应建模与分析

辐射计效应是内卫星的主要干扰因素之一, 是决定内编队重力场测量水平的重要因素. 通过分析内卫星所受辐射计效应产生的原因, 建立了内卫星辐射计效应模型, 并分析了各个参数对辐射计效应的影响及减小辐射计效应的方法. 结果表明, 通过降低腔体中平均压力、内卫星表面和外卫星腔体内壁面温度梯度以及内卫星的面质比均可减小辐射计效应引起的加速度.      

静电悬浮加速度计地面高压悬浮原理与应用

静电悬浮加速度计是进行空间飞行器准稳态非重力精密测量的设备。静电悬浮加速度计研制中,需要借助高压悬浮来完成其功能和部分性能评价的相关工作。文章就地面静电悬浮加速度计检验质量高压悬浮中涉及的相关问题进行了理论分析,给出了地面悬浮原理、高压电路实现形式、工作点选取、稳定性控制、高压静电力作用分析等,给出了实际试验结果,表明地面上系统在0.1Hz附近具有10^-8g_n/Hz^1/2左右的分辨率,并可在悬浮状态下,完成功能及相关性能测试,获得静电悬浮加速度计地面直接性能评价受限的主要因素,同时就存在的问题进行了讨论。     

卫星重力测量中加速度计在轨参数校准方法研究

文章介绍了静电悬浮加速度计的基本工作原理,概述了目前卫星重力测量中加速度计参数的在轨外部校准方法,讨论了利用推进器推力、卫星旋转产生的离心力、引力开展加速度计标度因数在轨实时标定的可行性。     

80C31单粒子效应敏感度评估

采用串列静电加速器对同步轨道气象卫星扫描辐射计控制器用８０Ｃ３１微控制器进行了单粒子效应模拟试验，得到了器件的错误截面与ＬＥＴ关系曲线；根据试验结果，对器件在同步轨道重离子环境中的翻转率进行了预计。     

正弦振动条件下原子钟的频率稳定度分析

振动对原子钟(原子频标)的影响可分为对原子谐振的影响、对伺服环路的影响和对晶体振荡器(晶振)的影响.在振动频率范围内,晶振的输出相位噪声只与晶振的加速度灵敏度、峰值加速度和振动频率有关,与静态相位噪声没有关系,但在振动频率范围之外,晶振的输出相位噪声就是其静态相位噪声. 由原子钟的稳定性传递到输出晶振的频率稳定度公式,就可通过伺服环路把晶振的振动分析融入到原子钟的振动分析之中.利用相位噪声转换为阿仑方差的积分公式,根据留数定理推导出直接计算阿仑方差的解析表达式, 得到增加伺服环路带宽可以有效抑制振动对原子钟频率稳定度影响的结论;分析了通过减振和选择加速度灵敏度较小的晶振这2种方法改善原子钟振动性能的问题.      

微波和THz频段用于遥感标准的研发

美国国家标准和技术研究院(NIST)电磁部噪声规划提出了遥感应用例如卫星气象观测中的微波亮温度标准的研发。这个标准以现有波导系统电磁噪声基准为基础,与亮温度即辐射有关,借助一个特性很好的天线实现。热校准目标作为基准的补充,采用冗余测量的方式,用于检验或者减小不确定度。做过的26 GHz的初步测量表明所提出标准的可行性,同样太赫兹(THz)频率的研究也在进行中。对于THz噪声,用一个加热的目标作为噪声标准,虽然我们没有这么高频率的噪声基准。这个标准将与THz辐射计一起使用。辐射计基于一个接收机,该接收机采用了一个热电子测辐射热混频器,并被准光学适配器耦合到辐射中去。希望年底能够用这套系统进行THz噪声测量。     

等离子体片边界层处离子的随机加速

本文讨论宽频带静电噪声对等离子体片边界层处粒子的随机加速问题.计算表明:宽频带静电噪声会使离子轨道在相空间Poincare截面上一定范围内无规行走, 该范围与扰动电场的振幅、频率和波矢有关;引起的离子随机加速使一部离子能获得较高的能量, 在等离子体片参数下预计最大能量可达1000keV量级;对电子, 随机效应不明显.该结果为等离子体片中高能离子的存在这一长时观测特性提供一种新的可能产生机制.      

重力梯度测量卫星无拖曳控制技术

无拖曳控制是当前和未来若干空间任务中的一项关键技术．以重力梯度测量卫星为对象,对无拖曳控制回路进行深入剖析,包括对静电引力梯度仪、离子推力器和空间环境的模型与建模方法及无拖曳控制律设计方法的综述．借鉴GOCE卫星(gravity field and steady state ocean circulation explorer)的成功经验并结合国内离子推力器和静电悬浮加速度计的研制现状,对未来发展我国重力梯度测量卫星无拖曳控制进行难点分析与展望．     

静电力平衡式石英挠性加速度计闭环控制系统的设计与分析#br#

针对一种静电力平衡式石英挠性加速度计,建立其表头系统模型并设计一种静电力平衡式闭环控制系统.建立表头摆片的刚度模型和挠度模型,摆片转动引起的电容间隙变化不均匀影响驱动、检测参数;建立驱动电容的静电力方程并分析了静电力负刚度对表头系统刚度的影响.表头的高真空度导致表头阻尼近似为0,因此在闭环控制系统中引入阻尼补偿环节,避免系统在表头谐振频率处振荡,并且在闭环控制系统中设计积分环节和校正环节来提高系统的快速性和稳定性.仿真分析结果表明：在闭环控制系统中引入阻尼补偿环节后可以有效减小系统振荡,静电力平衡式石英挠性加速度计闭环控制系统带宽为2 380 Hz,阶跃响应的超调量为3%,调节时间为0.5 ms,当系统静电力负刚度增大时,闭环系统也可以稳定工作.     

用杆臂效应在轨标定加速度计标度因数的方法

针对加速度计标度因数在轨标定精度低、成本高,需要其他辅助设备且难以工程实现等问题,提出了一种利用杆臂效应在轨标定加速度计标度因数的方法。用该方法对加速度计进行在轨标定,只需要惯组旋转机构按照给定的速率匀速旋转,根据惯组内陀螺仪及加速度计的输出即可解算出加速度计的标度因数。分析了标定原理,建立了标定模型,推导了误差系数的分离算法。通过地面试验验证了方法的有效性。     

Electrostatic gravity gradiometer design for the future mission

Satellite gravity gradiometry has been applied in GOCE mission to obtain higher harmonics of the Earth’s gravity mapping. In-orbit results showed that the precision of GOCE gradiometry achieved a level of 10–20 mE/Hz^1/2 in the bandwidth of 38–100 mHz, and the major error source came from the intrinsic noise of the core sensor electrostatic accelerometer. Two schemes for improving sensitivity of such accelerometer are presented by optimizing the parameters to reduce the dynamic range and choosing the heavier proof mass to suppress the thermal noise limited by the discharging gold wire. As a result, an accelerometer with a better resolution of 6.6×$6.6\times$10⁻¹³ m/s²/Hz^1/2 could be developed, and then a precision of 3 mE/Hz^1/2, corresponding to a spatial resolution of about 78 km half wavelength, is achievable for the future satellite gradiometric mission.     

Impact of a novel hybrid accelerometer on satellite gravimetry performance

The state-of-the-art electrostatic accelerometers (EA) used for the retrieval of non-gravitational forces acting on a satellite constitute a core component of every dedicated gravity field mission. However, due to their difficult-to-control thermal drift in the low observation frequencies, they are also one of the most limiting factors of the achievable performance of gravity recovery. Recently, a hybrid accelerometer consisting of a regular EA and a novel cold atom interferometer (CAI) that features a time-invariant observation stability and constantly recalibrates the EA has been developed in order to remedy this major drawback. In this paper we aim to assess the value of the hybrid accelerometer for gravity field retrieval in the context of GRACE-type and Bender-type missions by means of numerical closed-loop simulations where possible noise specifications of the novel instrument are considered and different components of the Earth’s gravity field signal are added subsequently. It is shown that the quality of the gravity field solutions is mainly dependent on the CAI’s measurement accuracy. While a low CAI performance (10^?8 to 10^?9?m/s²/Hz^1/2) does not lead to any gains compared to a stand-alone EA, a sufficiently high one (10^?11?m/s²/Hz^1/2) may improve the retrieval performance by over one order of magnitude. We also show that improvements which are limited to low-frequency observations may even propagate into high spherical harmonic degrees. Further, the accelerometer performance seems to play a less prominent role if the overall observation geometry is improved as it is the case for a Bender-type mission. The impact of the accelerometer measurements diminishes further when temporal variations of the gravity field are introduced, pointing out the need for proper de-aliasing techniques. An additional study reveals that the hybrid accelerometer is – contrary to a stand-alone EA – widely unaffected by scale factor instabilities.     

基于Fabry-Perot干涉仪的闭环微光机电加速度计

设计了一种闭环反馈差动式双FP腔的微光机电(MOEMS)加速度计,介绍了其工作原理及系统构成.利用惯性敏感单元将对载体加速度的测量转变为对载体位移的测量,利用光纤自聚焦透镜的端面与质量块组成的FP腔测量载体位移.为了提高系统的测量灵敏度和抑制温度等环境因素的影响,设计了一种差动式双FP腔测量机构.为提高微加速度计的输出线性度和动态测量范围,提出了采用静电力平衡技术构成闭环加速度计.建立了其数学模型,对所设计的加速度计重要参数指标——灵敏度、敏感头受载、固有频率等一一进行了详细计算和分析.在此基础上完成了设计背景要求下加速度计参数的优化设计,结果表明:该系统精度可以达到5×10-6g以上.      

高精度空间加速度计及其应用

高精度空间加速度计不仅可以用来测量航天器受到的非引力, 例如航天器受到地球的热辐射压力、太阳辐射压力、大气阻力等, 而且还可以作为惯性参考用来改善航天器的微重力水平, 即对航天器进行无拖曳控制. 通过对开环加速度计基本工作原理的研究, 概述了高精度空间加速度计的发展趋势和现状, 介绍了几种不同类型的高精度空间加速度计, 重点讨论了其在地球科学和空间基础物理研究中的应用.      

非接触位移测量中参考点抖动影响的补偿方法

针对用非接触3D光学位移测试系统进行结构动位移形变测试时,测试参考点会发生抖动而影响测试结果的现实难题,提出在用光学位移测试系统测试结构动位移的同时,利用3D加速度传感器同步测试参考点的振动加速度进而获得参考点的3D振动位移,然后用参考点的3D振动位移去修正光学位移测试系统的测量结果,从而提高测量精度的测试和处理方法。论文重点对如何通过振动加速度获得准确的参考点3D振动位移和如何通过参考点的3D振动位移来修正3D光学位移测试系统测量输出的方法和算法进行了研究、仿真和实际测试验证。仿真和实验结果表明,本文提出的测试方法和算法可以有效补偿动位移直接测量中因参考点抖动而引入的测量误差,显著提高测量精度。     

Unbiased acceleration measurements with an electrostatic accelerometer on a rotating platform

The Gravity Advanced Package is an instrument composed of an electrostatic accelerometer called MicroSTAR and a rotating platform called Bias Rejection System. It aims at measuring with no bias the non-gravitational acceleration of a spacecraft. It is envisioned to be embarked on an interplanetary spacecraft as a tool to test the laws of gravitation.