静电悬浮加速度计在卫星导航应用展望

通过对静电加速度计特征分析,研究提出了用其六轴高精度加速度测量输出参数进行空间飞行体自主导航、长航时盲飞过程中加速度导航的可能性,并给出该过程实现的基本的工作模式。研究分析了高精度轨道姿态控制发展趋势,对静电悬浮加速度计导航应用的技术需求、导航用静电悬浮加速度计技术可行性、导航加速度计特征和基本参数,及目前高精度静电悬浮加速度计导航的技术指标体系、同时实现大量程高精度测量、难以实现地面验证等主要问题和解决措施等内容进行了为全面的讨论,并提出了初步的建议。     

基于DSP和FPGA的静电悬浮加速度计控制器设计

针对静电悬浮加速度计高稳定悬浮控制和极微小加速度信号处理需求，设计了一种基于数字信号处理（digital signal processor,DSP)和现场可编程门阵列（field programmable gate array,FPGA)的加速度计控制器。该控制器采用DSP作为主控芯片，FPGA为辅助控制芯片。基于加速度计的工作特性，设计了一种加速度计工作模式切换控制策略，可根据加速度计当前工作状态，自动或者手动切换工作模式。基于加速度计的工作原理和测量需求，设计开发了基于FPGA的比例、积分、微分(proportional integral derivative,PID)控制算法和有限冲击响应(finite impulse response,FIR)滤波算法。为验证该控制器的控制性能，开展了地面高压悬浮实验。结果表明，该控制器及控制算法可以快速准确地实现加速度计稳定悬浮控制和模式切换，并且可以实现软件在轨重构和控制参数在轨更新，为后续重力场探测、空间引力波探测以及自主导航等提供了工程参考依据。     

基于斩波技术的静电悬浮加速度计驱动电路噪声抑制方法研究

静电悬浮加速度计驱动电路作为整机噪声的主要来源之一,其低频噪声性能直接决定静电悬浮加速度计整机分辨率。为满足静电悬浮加速度计驱动电路超低测量频带内（1mHz~1Hz）噪声均低于5×10-5V/Hz1/2要求,依据斩波稳定技术对于低频噪声的抑制作用,设计了基于斩波稳定技术的静电悬浮加速度计驱动电路。对实际电路进行测量,利用静电悬浮加速度计噪声曲线拟合测量结果。结果表明,经斩波后驱动电路低频噪声转折频率与低频噪声均下降一个数量级,在测量频带内电路噪声均低于2×10-5V/Hz1/2,满足了设计指标要求。     

静电悬浮加速度计的地面测试与评定方法综述

本综述将静电悬浮加速度计性能指标项目归为五类,阐述了它们与需求的关系,强调了采样率为10SPS、相应的闭环传递函数带宽为3Hz的必要性。指出实验室标定会受到环境振动噪声的干扰,通常的标定方法均不适用,静态标定的首要困难在于准确测定失准角;用专用摆台作动态标定可以大致判断标度因数并观察两台加速度计模型方程各参数的一致性;为了在专用摆台上进行各项性能测试,加速度计检验质量需要在地面重力下悬浮;落塔试验的功用有限,并非加速度计性能指标的量化评定试验;射前检验加速度计噪声采用分析证实的方法,为了降低噪声,必须依靠详尽的理论分析和实验验证,一一找出各种影响因素及其影响程度,采取有力措施,切实加以改进。
     

静电悬浮加速度计的地面重力倾角标定方法

静电悬浮加速度计是重力场测量卫星上的主要载荷之一,其传感头（飞行件）需要在环境试验前后进行地面重力倾角标定。由于敏感轴之间的耦合机理不同于传统加速度计,所用的模型方程亦有所差别;由于失准角远大于量程范围内的重力倾角,无法采用传统的静态标定法确定模型方程各参数。必须采取技术措施使得三阶非线性系数可以忽略,才能在专用摆台上用动态标定法大致判断标度因数和检验成对加速度计模型方程各参数的一致性,用电模拟法得到二阶非线性系数。对动态标定法,提出了防止频谱泄漏和幅度谱中压低噪声干扰幅度的措施。对电模拟法,用实例给出了具体实施方案和效果。
     

重力卫星在轨质心修正原理

静电悬浮加速度计在重力卫星上的安装位置将直接影响重力卫星的非重力测量结果,进而影响高精度地球重力场的恢复。为了彻底明确该影响的存在方式,现从基本动力学方程出发,推导出了卫星在轨飞行期间遭受的各种非重力和地球引力、太阳和月球等天体的潮汐力等,与静电悬浮加速度计输出之间的矢量表达式。获得的表达式从理论上明确了消除重力卫星质心偏差的实际意义,是重力卫星质心修正的理论依据。     

一种重力测量卫星静电加速度计在轨标定算法

静电加速度计是低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星的关键载荷之一,其性能直接影响地球重力场空间变化率的测定结果。为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合扩展卡尔曼滤波估计算法,提出了一种应用动力学方法确定静电加速度计校准参数的算法。首先建立静电加速度计及K频段测距(KBR)系统的量测模型;然后将高精度地球重力场模型和静电加速度计观测数据代入扩展卡尔曼滤波算法的状态方程中,将KBR系统观测数据代入观测方程中,建立静电加速度计在轨标定模型。数学仿真结果表明:静电加速度计的标度因子和零偏估计误差均在0.2%以内,实现了卫星静电加速度计较为精确的标定。     

一种捷联惯导系统加速度计时间延迟参数标定方法

针对光学陀螺捷联惯导系统(SINS)中石英挠性加速度计相对光学陀螺仪低频输出相位特性不一致引起的时延问题，研究了一种加速度计时间延迟参数标定方法。在滚转角运动环境下，对影响导航速度的初始对准误差、加速度计测量误差和陀螺仪测量误差进行了详细分析，建立了各个误差源与导航速度误差的关系式；结合50型激光捷联惯导系统的精度指标和滚转轴“指北”条件，对导航速度误差方程进行优化，实现时间延迟参数的标定和补偿。通过数学仿真校验了标定方案的可行性，作为后续深入研究的基础。     

静电加速度计对重力卫星平台的要求分析

静电加速度计是重力卫星的核心有效载荷,其非保守力测量精度是地球重力场反演任务成功执行的有效保证。文章分析了静电加速度计的测量信号以及对重力卫星平台的指标要求,重点指出满足这些要求应解决的关键技术,最后建议我国开展重力卫星研究。     

一种叉齿式微硅加速度计的设计与分析

本文介绍了一种适合军民两用市场的、中低精度的叉齿式微硅加速度计的设计和仿真 ,其敏感轴平行于检测质量平面 ,微结构梁采用了折叠梁结构。对这种加速度计的结构参数进行了理论设计和优化选择 ,利用Ansys结构分析软件重点研究了折叠梁结构参数对加速度计固有谐振频率和力学特性的影响。最后给出了一个符合仪表性能要求的微加速度计 ,其中心摆片大小为 1.6 mm× 1.0 mm ,量程为 2 5 g,分辨率为 0 .5× 10 - 3g。     

电容式硅微机械加速度计系统的特性研究

微硅电容式加速度计是目前微硅加速度传感器发展的主流,影响其性能有多方面的因素。现详细分析了电容式微加速度计敏感模态的工作原理,阐述了不同情况下提高加速度计静态灵敏度所应采取的措施,给出了加速度计三种振动模态的谐振频率与结构参数之间的关系,通过对加速度计集总模型分析,得到了反映和影响加速度计性能的阻尼、灵敏度、分辨率和吸附电压等关键物理量的具体表达形式。从而可知,加速度计的性能和梁的尺寸,检测质量块质量、极板面积、开孔数目等因素有关。     

On-orbit determination and adjustment of electrostatic accelerometer lever arm

In order to ensure the proof mass center of electrostatic accelerometer (EA) is fixed at the center of gravity of satellite as precisely as possible, an on-orbit determination and adjustment strategy of EA lever arm is presented in this paper. The EA lever arm is determined using the observations of EA, gyro and magnetometer first. Then it is adjusted by screw slider mechanism. The simulation results demonstrate that the proposed strategy can be carried out several times to yield better accuracy. Meanwhile, the optimal geographic location for EA lever arm determination along each axis is found.     

基于MME/EKF算法的卫星质心在轨标定

提出了一种基于MME/EKF的卫星质心在轨标定算法。首先以磁力矩器为执行元件给卫星施加一个明显大于干扰力矩的周期性力矩,将静电加速度计的量测信息分解为线性和周期性加速度,并将星敏感器标定后的陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星的角加速度,然后利用EKF算法求解卫星质心的位置。最后进行了数学仿真验证,仿真结果表明该算法不需要卫星的控制输入以及动力学特性信息,便能实现卫星质心较为精确的标定。     

精密离心机误差对石英加速度计误差标定精度分析

分析了离心机各个误差源,用齐次变换法精确地计算了产生的向心加速度,给出了向心加速度、重力加速度和哥氏加速度在加速度计坐标系下的分量,推导了被试加速度计输入加速度的精确表达式。在给出石英摆式加速度计在精密离心机上标定时的误差模型的基础上,着重讨论了误差模型系数的计算值与离心机误差之间的关系。根据仿真结果找出了某些离心机误差对加速度计误差系数标定的影响关系,为按照加速度计的标定精度来确定离心机的精度打下了理论基础。     

基于时频域分析的轮控航天器姿态控制规律参数整定

研究了轮控航天器姿态控制规律的设计与参数整定问题。采用xyz转序欧拉角描述航天器姿态,建立了航天器动力学及运动学方程,并设计了非线性解耦控制律,使得各回路可独立设计PID控制器。以滚动回路为例,分析了PD控制参数与系统带宽、截止频率、相位裕度等多项频域指标的关系,从而设计有效的稳态控制器以应对挠性结构振动和系统时延等;接着根据姿态控制特性给出了积分参数选取及积分饱和处理策略;同时为快速完成姿态机动,结合时间最优控制特性分析了控制参数与机动角度的关系;此外,执行机构效率和系统干扰力矩等因素也被用于控制参数域的整定。最后利用整定策略设计了某型卫星的姿态控制器,并通过频域分析和数学仿真检验了该方法的有效性和实用性。     

Modelling and simulation of the space mission MICROSCOPE

MICROSCOPE is a French space mission for testing the weak equivalence principle (WEP). The mission goal is the determination of the Eötvös parameter $\eta$ with an accuracy of 10^?15. The French space agency CNES is responsible for the satellite which is developed and produced within the Myriade series. The satellite's payload T-SAGE (Twin Space Accelerometer for Gravitation Experimentation) is developed and built by the French institute ONERA. It consists of two high-precision capacitive differential accelerometers. One accelerometer is used as reference sensor with two test masses of platinum, the science sensor contains a platinum and a titanium proof mass. The detection of the test mass movement and their control is done via a complex electrode system. As a member of the MICROSCOPE performance team, the German department ZARM will be involved in the data analysis of the MICROSCOPE mission. For this purpose, mission simulations and the preparation of the mission data evaluation in close cooperation with the French partners CNES, ONERA and OCA are realised. The development status of the simulation tool which will represent the complex spacecraft dynamics and all error sources in order to design and test data reduction procedures is presented and some features are discussed in detail.