[發(fā)明專利]一種面向高精度自主導(dǎo)航的復(fù)合無拖曳模式實(shí)現(xiàn)裝置及方法

有效

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• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108645407B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 傅江良;甘慶波
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電研究院
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/24
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 仇蕾安;付雷杰

本發(fā)明提供了一種面向高精度自主導(dǎo)航的復(fù)合無拖曳模式實(shí)現(xiàn)裝置及方法，包括激光器陣列、激光光束整形裝置、檢驗(yàn)質(zhì)量塊、光電轉(zhuǎn)換陣列、數(shù)據(jù)處理模塊、航天器腔體和輸入窗。激光光束整形裝置將激光器發(fā)射的光束均分為左右兩部分，整形后得到矩形光束，并分配到輸入窗；矩形光束分別通過左輸入窗和右輸入窗進(jìn)入航天器腔體內(nèi)，由光電轉(zhuǎn)換陣列探測；光電轉(zhuǎn)換陣列將探測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出功率給數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)兩個(gè)不同時(shí)刻的功率之差和檢驗(yàn)質(zhì)量塊的相對位置之間的關(guān)系解算檢驗(yàn)質(zhì)量塊的相對位置和相對加速度大小。本發(fā)明采用純光學(xué)測量手段，能夠同時(shí)完成相對位移和非保守力加速度的測量，提高對檢驗(yàn)質(zhì)量的干擾抑制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無拖曳衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向高精度自主導(dǎo)航的復(fù)合無拖曳模式實(shí)現(xiàn)裝置及方法。

背景技術(shù)

無拖曳衛(wèi)星主要由檢驗(yàn)質(zhì)量和衛(wèi)星本體構(gòu)成。檢驗(yàn)質(zhì)量位于衛(wèi)星腔體內(nèi)部，衛(wèi)星腔體相當(dāng)于一個(gè)屏障，它能屏蔽外部環(huán)境干擾，因此理想情況下檢驗(yàn)質(zhì)量只受引力的作用，它所在的軌道即為純引力軌道。而衛(wèi)星本體由于受到外部環(huán)境擾動，會與檢驗(yàn)質(zhì)量產(chǎn)生相對位移，衛(wèi)星通過推進(jìn)器產(chǎn)生的推力來使自己跟隨檢驗(yàn)質(zhì)量塊，即衛(wèi)星的質(zhì)心和檢驗(yàn)質(zhì)量的質(zhì)心始終保持重合，那么衛(wèi)星本體也能運(yùn)行在純引力軌道上，實(shí)現(xiàn)無拖曳飛行。無拖曳衛(wèi)星以其低干擾的獨(dú)特優(yōu)勢，可以為空間任務(wù)或精密科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供超穩(wěn)、超靜實(shí)驗(yàn)平臺。

相比于傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式，自主導(dǎo)航能夠擺脫對地面測控系統(tǒng)的依賴，提高自主生存能力。衛(wèi)星自主導(dǎo)航系統(tǒng)的位置和速度信息的確定，通常是利用外部環(huán)境擾動下的導(dǎo)航系統(tǒng)模型，采用估計(jì)的方法來確定的。但由于衛(wèi)星運(yùn)行在復(fù)雜的太空環(huán)境中，會受到許多干擾影響，這些干擾有的是已知的，有的是未知的，這使得衛(wèi)星的軌道動力學(xué)模型無法準(zhǔn)確描述出來。為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的高精度自主導(dǎo)航，并做到長時(shí)間的軌道維持和高精度的軌道預(yù)報(bào)。一個(gè)有效的方法便是采用無拖曳控制技術(shù)對衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)位移控制，并對衛(wèi)星非保守力加速度進(jìn)行測量，以建立更完善的導(dǎo)航系統(tǒng)模型。

根據(jù)檢驗(yàn)質(zhì)量是否受到主動控制，以及與衛(wèi)星本體之間的相互跟蹤方式，無拖曳衛(wèi)星的工作模式可以分為位移模式和加速度計(jì)模式兩種。位移模式下衛(wèi)星能運(yùn)行在純引力軌道上，因此能做到長時(shí)間的軌道維持；而加速度計(jì)模式下衛(wèi)星能對所受非引力干擾加速度進(jìn)行讀出，從而用于高精度的軌道預(yù)報(bào)。出于具體的任務(wù)需求，大多數(shù)無拖曳衛(wèi)星只是單一的位移模式或加速度計(jì)模式，無法很好地兼顧二者。因此，為了要實(shí)現(xiàn)高精度自主導(dǎo)航中的長時(shí)間軌道維持和高精度軌道預(yù)報(bào)，結(jié)合位移模式和加速度計(jì)模式的復(fù)合無拖曳模式是重要的實(shí)現(xiàn)手段。

現(xiàn)有技術(shù)中，空間引力波探測計(jì)劃LISA采用同一套靜電懸浮測量系統(tǒng)，在非科學(xué)測量階段，處于加速度計(jì)模式下用于質(zhì)量塊的狀態(tài)調(diào)整；而在科學(xué)測量階段，僅工作在位移模式下用于檢驗(yàn)質(zhì)量的相對位置測量。地球重力場測量衛(wèi)星GOCE通過更改加速度計(jì)配置的方式，在原有無拖曳控制的基礎(chǔ)上，還能實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)工作模式。GOCE在每一個(gè)軸上沿質(zhì)心對稱分布兩個(gè)靜電懸浮加速度計(jì)。同一維方向上的非引力干擾加速度，可以通過對稱安裝的兩個(gè)加速度計(jì)來得出。美國斯坦福大學(xué)在模塊化引力參考敏感器的基礎(chǔ)上通過改進(jìn)，提出了具備無拖曳性能的加速度計(jì)裝置，具體采用差分光學(xué)影像傳感器與靜電懸浮加速度計(jì)相結(jié)合的配置，前者是用光學(xué)的手段對檢驗(yàn)質(zhì)量的相對位置進(jìn)行測量，后者則用于加速度的測量，該裝置能夠在位移模式和加速度計(jì)模式之間切換使用。

但是根據(jù)高精度自主導(dǎo)航的科學(xué)任務(wù)需求，需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)位移和加速度計(jì)兩種模式，且加速度測量時(shí)不能夠破壞檢驗(yàn)質(zhì)量的無拖曳飛行。此外，現(xiàn)有無拖曳衛(wèi)星中加速度測量均采用靜電測量方式，其易受靈敏度的限制，附有電極片的腔壁與檢驗(yàn)質(zhì)量之間的間隙要足夠小，但是間隙變小會增大作用在檢驗(yàn)質(zhì)量上的干擾力，同時(shí)增大相對位置控制的難度。靜電測量方法還會引入干擾，在檢驗(yàn)質(zhì)量上產(chǎn)生靜電反作用力。光學(xué)測量方法可以增大檢驗(yàn)質(zhì)量與航天器腔體的間隙，這對干擾力的抑制有幫助，同時(shí)有利于航天器與檢驗(yàn)質(zhì)量相對位置的控制。但是主動的光照會對檢驗(yàn)質(zhì)量造成光壓干擾力，需要仔細(xì)控制投射光的功率，并保持光照的均勻性和對稱性。

發(fā)明內(nèi)容