空間飛行器加速度計自動校準的製作方法

2023-05-21 02:55:11

專利名稱:空間飛行器加速度計自動校準的製作方法
本發明與空間飛行器導航有關，更具體地講是為飛行器上導航加速度計的校準提供一種系統和方法。
目前，對空間飛行器導航的需求越來越多。以前，空間飛行器的導航是用於獲得一個理想軌道和為維持該軌道而進行臨時修正。但是，近年來，象多年飛行任務的出現，需要自動變軌或再入到遠距離目標。這些程序飛行要求導航系統能夠保證與目標相遇。這遠比維持軌道要複雜的多，同時也遠比為獲得理想軌道所設計的導航系統要持久的多。
發展這種持久性導航系統所面臨的一個挑戰，是保持其相對於參照物的慣性坐標系的校準。無疑，要在地面或其它遠距離站的一個常規基準上完成這一校準是不實際的。
一種導航方法是將三軸加速度計固定在遠載火箭或空間飛行器的陀螺穩定平臺上。陀螺穩定的三軸加速度計提供了加速度曲線，而這一曲線的一次積分，即可得到在已知坐標系中飛行器的速度曲線，二次積分即可得到位置曲線。所獲得的這些曲線可用於達到精心選定的導航目標。陀螺的特性可以保持加速度計的瞄準。這種方法已被有效地應用在制導衛星上升到某一預定軌道中。
這種裝置受發射載荷、極端的空間環境條件、機械變形，其它作用力以及無補償隨機漂移率和偏差方面的機械限制，它們限制了這種裝置陀螺的長期精度。因此，第一次達到軌道之後，當根據飛行任務要求精選導航月數或年數時，陀螺上的加速度計裝置就不能認為是令人滿意的裝置。這樣，這種系統就需要加速度計的遠程校準，如果這種校準能夠提供的話。另一種系統要求在陀螺平面上安裝專用天體跟蹤系統，用以實現陀螺的調正和校準。還有其它系統，象康妮麥克盧爾，霍爾1960年發表的「慣性制導理論」中第286～291頁中所討論的「捷聯式」方法。
自旋的空間飛行器有更多的，諸如姿態和章動敏感器的永久性方位測量輔助設備。但是，它們一方面很適合保持和調整姿態，但卻又不能適合廣泛的空間飛行器的導航。換句話說，它們不能輕易地取代加速度計，在推進階段提供瞬時加速度曲線。
導航慣性坐標系的重新排定的系統和方法，能使這種系統提供自身校準，並能實質上是自主地延期工作，而不受導航陀螺的限制。這種系統應該具有在延長軌道周期後能操縱指令，導向目標的能力。
一個自旋穩定空間飛行器包括一個平面和一個旋轉體。旋轉體上的一對園周形布置的三軸加速度計，為導航提供加速度曲線。依照這項發明，與空間飛行器的角動量
h(圖1)相關聯的每一加速度計的徑向校準是在靜止期內完成的，而軸向校準則是在推進期內完成。
用一對園周形布置的加速度計，使得旋轉產生的加速度分量數值上相抵消。其他非平移周期分量可通過時間平均或其他方法過濾各個加速度計的讀數使其相約。因此，所關心的加速度分量，即稱為向心的及軸向平移分量能夠被分離出來，從而允許對加速度計進行校準。
相抵消的特性是有賴於兩個加速度計的位置和方位。當加速度計在旋轉體上處於正好相對的位置，且其各個軸是同方位時，數值計算可以大大簡化。用這種方法加速度計的讀數可以簡單相加，用平均或其它過濾方法，以約去每個加速度計讀數的旋轉分量。
在靜止期間，一個在軌道上是自旋穩定的空間飛行器可以忽略非重力加速度，章動和進動。在靜止狀態，軸向和切向加速度分量是可以忽略的。一個加速度計上的非零切向或軸向加速度讀數，可以通過調整一個平面，使其垂直於角動量矢量
h，作為誤差信號處理成為零。
在有大的軸向加速度分量的推進期間，位於加速度計處的加速度可以進行數值合併，以便消去由於力矩等原因引起的非平移、自旋周期性的加速度讀數。其它非軸向的、周期性分量(如章動分量)一般即可用時間平均方法或數字濾波方法化為零。這樣，通過調整角動量
h的徑向和垂直方向，將合成的非零讀數，作為軸向或切向加速度誤差信號給予修正。推進期是發生在初始上升階段，南北位置保持階段，軌道校準時期，如有必要的話，也可發生在為加速度計校準所進行的機動時期。
為了備份和提高靈敏度，可以增設完全相反的第二對加速度計。第二對的每一個完全相反的加速度計位於相距第一對的每一個相應加速度計的四分之一園周處。這樣，一個與旋轉體的向心力相比很小的力，因不易作為第一對加速度計的徑向分量進行測量，但可以由第二對加速度計作為切向分量測出來。如果一個加速度計失效，剩下一對仍可保留其導航功能。
依照以上的描述，一個安放在陀螺基準內的加速度計星上校準導航系統及方法就給定了。加速度計是為主導航任務而設置的，並且其長期誤差低於陀螺儀。但當提供了遠程校準以後，在獲得初始軌道之後，星上校準設施可確保幾個月或幾年的自主導航能力。它主要依賴於星上星曆表程序的完整性，敏感器的精確度，及與時間無關的星上姿態測定分系統。
圖1表示的是依照這項發明，一個固定有加速度計的自旋穩定空間飛行器的旋轉體。
圖2是依照這項發明的導航系統方框圖。
依照這項發明，如圖1所示，自旋穩定空間飛行器的旋轉體10，裝有一對加速度A，C。加速度計A，C在靜態軌道期是徑向定位，而在推進期則為軸向定位。由於加速度計是園周形布置，其讀數可合併，從而抵消自旋周期分量和向心加速度分量。其它非軸向周期性分量(如章動)，一般可用時間平均方法歸到零，或其它濾波方法變成所關心的獨立變量。
為了計點簡便，加速度計A，C是徑向相對安裝的。例如環繞著旋轉體10呈180°園周式布置，並且它們的各個軸分別是同方位的。但是，這項發明提供了間隔式園周式布置方案及相對方位。第二對加速度計B、D則用於提高靈敏度和作為備份。
儘管圖中只表示了旋轉體10和加速度計A，B，C，D，但是，我們可以理解到一個典型的自旋穩定空間飛行器應包括一個裝載有許多有關完成飛行任務所需的設備的平臺。這個平臺是相對反旋的而旋轉著的旋轉體10為空間飛行器提供方向的穩定性。當然，象要求旋轉的姿態敏感器等設備就被固定在旋轉體10上。
空間飛行器的直線運動由速度矢量
v描述，而帶有旋轉體10的空間飛行器的位置由空間飛行器相對於參照物的慣性坐標X、Y、Z的質量中心cm的位移矢量R。來表示。通過質量中心cm的是空間飛行器的主軸或稱幾何軸X，Y，Z。後者是空間飛行器的旋轉軸子。
瞬時自旋矢量
與自旋軸子不重合，如同有章動時一樣。章動，更通俗地說是搖擺，它一般是不希望有的。因此，章動阻尼被廣泛採用。在沒有章動和其它幹擾因素情況下，
和子軸是重合的。
在靜態期間，例如在旋轉體自旋時而沒有章動，進動或推力時，角動量
與自旋軸
和旋轉矢量
是共線的。但是
會由於方向偏離瞬時負量中心cm的推進力
的作用而偏離自旋軸
Z和自旋矢量
。
角動量
尤其重要，這是因為它的方位可利用天體，如恆星，太陽、月亮、地球來精確地確定。而天體特性敏感器安裝在旋轉體上。例如，一個恆星靈敏器可以確定相對於慣性坐標的空間飛行器角動量方向其精度在2角秒內。因此，依照這項發明，在慣性空間的加速度計的瞄準可以通過校準加速度計與空間飛行器的角動量
的關係來精確地確定。
在解釋加速度計A、B、C、D的校準之前，先用圖2解釋一下它們在導航模式中的用途。當加速度計提供加速度曲線時，恆星和行星敏感器12提供姿態和角動量數據。這個數據是由星載數據處理器14測得的，以決定軌道變化和姿態。未處理的數據，也可以藉助於跟蹤，遙測和遙控(TT+C)艙16發往地面數據處理站。
地面站可以根據飛行任務編制TT+C16艙程序，由貯存有實時軌道和姿態數據的數據處理器14，將程序要求值和實時數據進行比較，以決定出適當指令給推進系統18。推進系統18的動作反饋給星上的數據處理器14，以更好地調整推進指令和它們在軌道姿態上的效果。推進系統18對自旋空間飛行器動力學20的作用，反映在加速度計對A，C和B，D的讀數上。
為方便起見，加速度計按徑向相對成對配置。這將引起加速度的向心和自旋周期分量。這種加速度分量是由於旋轉體旋轉引起的，而不是空間飛行器直線運動(可以相消)引起的。因此，由合併一對加速度計的數據，計點補償或濾出其它的(如章動)周期性分量，可以直接獲得由推力產生的直線加速度曲線。加速度曲線可以積分一次獲得速度，而二次積分獲得位置曲線。用這樣的方法，每一對加速度計A，C和B，D，可以提供的信息，對複雜的導航任務是足夠的。
除了提供備份外，第二對加速度計B和D還提供了更高的靈敏度。因為成對加速度計彼此之間相對正交排列，一個相對於一對加速度計是徑向的力，相對於另一對加速度計就是切向的。一個軌道修正的徑向推力脈衝與正在進行中的徑向力相比，數量上是很小的，因此，很難被相對此脈衝來說是徑向位置的加速度計測出。但是，一個相對於徑向位置四分之一園周的加速度計能以很高精度測得此脈衝。這是因為正在進行中切向力是標準的零。不應該掩蓋希望有的那樣大小的徑向脈衝力的效果。
但是，加速度計A，B，C，D的實用性是以它們的方位相對於一個慣性系是明確已知為前提的。本發明提供了關於相對於象下面所註明的那樣一個慣性系的精確的校準方法。
加速度計A，B，C，D的每一個都是一個三軸加速加速度計，包括三個相互正交的一維加速度計。一個稱為徑向軸ar，一個稱為切向軸at和一個稱為軸向軸aa。三個軸彼此間可靠的和剛性地配置，因而可以假定當其中的兩個軸正確調整後，那麼第三個軸也就調整完畢。因此，問題就簡化為相對於一個角動量
，來調整每一個加速度計的兩個軸。而這個角動量在慣性坐標系裡的方向可以從恆星或行星敏感器12的讀數中得到。
需要調整的兩個軸為徑向軸和軸向軸，切向軸的校準自動完成。徑向的校準是在飛行器處於靜態時完成的，而軸向校準是在推進階段完成的。因為靜態是常態，很容易認為徑向校準首先發生，隨之發生的是軸向調整，然後是切向校準。但是，從概念上講，這同時也與本發明相吻合，軸向校準先於徑向校準，從而導致切向校準。
徑向校準發生在靜態期間，這種靜態就是如上所述的，旋轉體的本義就是轉動，但是攝動，章動或進動是任意有的。在這種情況下，自旋軸Z，自旋向量
和角動量
是應被校準的。而在每一加速度計的位置上，軸向和切向的加速度分量為零。換句話說，相反的兩個加速度計的讀數可以加起來，因而，徑向分量就加倍，切向加速度分量相抵消。因此，一對被正確校準的加速度計給出一個真實的徑向的讀數，而切向和軸向的讀數為零。
任何切向或軸向不為零的讀數，將作為一個誤差信號，並由數據處理器14轉換成為校準修正指令，通過TT+C艙執行，這種修正是由發出指令移動加速度計所在的機械支點完成的。但是，電子補償優於機械的補償，這樣有利於運用星載的數據處理器14的記憶功能。
實施徑向校正時，空間飛行器不需要完全處於靜態。以下描述的隔離軸向加速度消除裝置，可以用來補償靜態偏差。例如，章動可以對章動環球平均值來進行計點，或者進行章動補償測量，並調整相應的加速度數據。然而實際上，為了徑向校準，所要求的靜態程度是可以達到的。
軸向校正是在推進期
F≠0實現的。這些可以首先由地面發出改變軌道和姿態或其它參數的指令。指令是藉助於TT+C艙16送給推進系統18，依次影響空間飛行器動力學20，其影響是從加速度計A，B，C和D的讀數中反映出來的。每對加速度計的讀數相加，消去或補償飛行器的進動或章動引起的周期性加速度分量。然後，積分若干圈，以得出沿三對對應加速度計的軸對中的每一對速度變化數據2(△Vi)，i＝1，2，3。
由於△Vi的非平移分量大部分被抵消，它們的值被用來顯示推力
的有效的軸向分量
a。推力
的徑向分量，實質上因旋轉平均變為零。
a與h的平均方向平行。因此，每個加速度aa的調整，可以通過把徑向和切向的讀數調零來完成。假定徑向校準已精確完成，每個aa軸在相應的切向軸at的調整過程中自動校準。
徑向校準可以象所希望的那樣經常地方便地完成，而軸向和切向的校準應在南北位置保持機動期間進行，以達到最大的校準靈敏度。
不同的途徑都可以達到類似的效果。軸向校準包括使軸向軸方位達最大值而不是使徑向和切向軸方向歸零，雖然這是低靈敏度的方法。另外，直徑方向上相對放置的加速度計不需要同方位。例如，一對加速度計中的每一個，其徑向軸可以指向自旋軸，而它們的切向軸相互平行。在這種情況下，增加讀數能抵消非平移向心加速度分量，雖然這是低靈敏度的方法。
根據前面所述細節，提供了一個改進了續航時間和導航能力的空間飛行器自主校準的導航系統。有許多改進和變化的技術公開具體方案可由本發明完成例如，不同加速度計的相對位置和方向，涉及到的不同數學方法已經找出，因而，本發明僅僅限制在下列專利要求書範圍內。
權利要求
1.一個具有自動導航加速度計較準的空間飛行器包括一個自旋穩定的空間飛行器，它有一個平臺和一個有自旋軸的旋轉體；一對三軸加速度計，園周形地布置在上述旋轉體上；用於對上述空間飛行器施力，引起包括實質上是平移的軸向分量在內的加速度的裝置；前述空間飛行器處於靜態時，對每個加速度計徑向校準誤差進行測定和修正的裝置；在上述空間飛行器處於在所述的軸向有一個實際分量的加速情況下，測定和修正每個加速度計軸向校準誤差的裝置。
2.權利要求
1中，空間飛行器的進一步特徵在於所述加速度計是在相對於上述自旋軸來說實質上是完全方向相對安裝的。
3.權利要求
2中的空間飛行器的進一步特徵在於所述加速度計的各個軸是同方位的。
4.權利要求
2中的空間飛行器至少包括第二對在所述旋轉體上的彼此相對的，完全相反安置的加速度計，所述第二對加速度計中的每一個實質上安置在距所述第一對加速度計中每一個四分之一園周的位置上。
5.具有可控推力器沿軌道自旋穩定的空間飛行器有一個平臺和一個圍繞自旋軸旋轉的旋轉體，這種飛行器受動力學不穩定性影響，導致參考座標系不一致，空間飛行器的三維參考系的重新校準方法包括下述步驟(a)在旋轉體上，至少配置一對加速度計，它們各自的位置相對前述的自旋軸來說是離開的，彼此相對成園周形配置，每個加速度計對於旋轉體各自的敏感加速度來說，有三個敏感軸。(b)當空間飛行器在沒有推力作用時，校準相對於上述自旋軸徑向的加速度計，(c)當空間飛行器在有推力作用時，校準相當於上述自旋軸軸向加速度計。
6.權利要求
5所述的方法，對於步驟(a)，其進一步特徵在於，所述的加速度計被安置在上述的旋轉體的完全相對位置上。
7.權利要求
6，對於步驟(a)，進一步包括至少在上述旋轉體的完全相對位置配置第二對加速度計，相對於上述的第一對加速度計中的每一個而言，第二對加速度計中的每一個在空間相隔四分之一園周配置。
8.一個自旋穩定的空間飛行器包括一個旋轉體;一對在空間成園周排列和固定在上述旋轉體上的三軸加速度計;從上述加速度計上獲得的靜態讀數裝置;由上述靜態讀數誤差決定前述每個加速度計徑向校準的裝置;上述的徑向校準誤差的修正裝置;從上述每個加速度計上獲得推進態讀數的裝置;對上述加速度計的推進態讀數進行數學合併和時間平均，從而得以推算軸向平移分量的裝置;軸向校正每個所述的加速度計，從而使其軸向讀數與推算的軸向平移分量相匹配的裝置。
9.一種校準導航系統的方法包括下述步驟在旋轉體上成園周狀布置，安裝一對三軸加速度計;從每個前述加速度計上獲得靜態讀數;根據每個加速度計徑向校準中的靜態讀數誤差作出決策;修正在徑向校正中上述誤差;從每個加速度計上讀出推進態曲線;用數字方法合併上述的推進態曲線，以抵消旋轉的自旋周期對上述加速度計讀數的影響，並且濾出上述推進態曲線，以抵消加速度的其他非軸向周期分量，從而得出推算軸向平移分量;對每個加速度計，決定其軸的方向以使推進態曲線相應於前述軸向平移分量，並進行精確校準。
專利摘要
一個自旋穩定的空間飛行器有一對安裝在空間飛行器旋轉體上的三軸加速度計，用來提供自我校準，持久和完善的導航能力。另加的第二對加速度計用來做備份和提高靈敏度。每對加速度計安置在旋轉體完全相對的位置上，各自的軸共同校準。空間飛行器角動量h的方向由恆星和行星敏感器測出。
文檔編號G01C21/16GK87105637SQ87105637
公開日1988年4月20日 申請日期1987年8月18日
發明者約弗爾德·穆雷 申請人:休斯航空公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan