CN106645406A - 一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统及定位方法 - Google Patents

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Abstract

一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统与定位方法，定位系统包括面内剪切波压电传感器(1)、数据传输线(2)、电荷放大器(3)和数据处理单元(4)。面内剪切波压电传感器(1)胶接固定在航天器结构(5)的内表面，多个面内剪切波压电传感器(1)组成传感器阵列，经数据传输线(2)与电荷放大器(3)连接，电荷放大器(3)经数据传输线(2)与数据处理单元(4)连接。撞击发生后，数据处理单元(4)实时采集面内剪切波压电传感器(1)的数据，定位系统通过面内剪切波SH0波和四点几何定位方法进行空间碎片的撞击定位，可实现撞击位置的高精度定位。

Description

一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统及定位方法
技术领域
本发明属于航天器结构健康监测领域，涉及一种航天器外壳体遭受空间碎片撞击的定位系统与定位方法，利用空间碎片撞击航天器壳体结构所产生的面内剪切波对撞击位置进行定位，具有较高的定位精度。
背景技术
随着人类航天活动的不断发展，空间碎片环境持续恶化，这给长寿命航天器的在轨运行安全造成了极大威胁。
对于航天器遭受空间碎片撞击的感知与定位技术主要包括基于声发射技术的感知定位、基于加速度计的感知定位、基于热成像的感知定位、基于光纤传感器的感知定位、基于电阻膜的感知定位、基于电磁波发射技术的感知定位和基于光学相机的表面检测等。综合考虑空间环境适应性、系统集成性、技术成熟度和经济性等因素，基于声发射技术的感知定位的综合性能表现最优，成为航天器结构健康监测领域的研究热点。
目前，基于声发射技术的感知定位系统主要是通过采集空间碎片撞击航天器壳体结构所产生的Lamb波进行感知与定位的，但是Lamb波在航天器壳体内的传播速度与频率和壳体厚度有关，因此在传感器数量一定的前提下，系统定位精度不高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统与定位方法，通过面内剪切波型压电传感器采集撞击引起的SH0波进行空间碎片的撞击感知定位，利用SH0波的波速在同一种材料里的波速恒定，并与波的频率和壳体厚度无关的特点，实现了撞击位置的高精度定位。
本发明的技术解决方案是：一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，包括面内剪切波压电传感器、电荷放大器和数据处理单元，其中面内剪切波压电传感器固定在航天器结构的内表面，多个面内剪切波压电传感器组成传感器阵列，电荷放大器将各个面内剪切波压电传感器获取的信号进行放大后送至数据处理单元；所述的数据处理单元根据各个面内剪切波压电传感器采集信号最高峰值出现时刻的先后顺序，将面内剪切波压电传感器位置进行临时编号，并将前四个面内剪切波压电传感器位置分别记为A、B、C、D，将四处采集到的信号最大峰值出现的时刻分别记为tA、tB、tC、tD；然后以位置B为中心，以rB＝v×(tB-tA)为半径作圆，其中v为面内剪切波波速，以位置C为中心，以rC＝v×(tC-tA)为半径作圆，以位置D为中心，以rD＝v×(tD-tA)为半径作圆，然后作三个圆的最小半径公切圆，圆心位置记为O；若距离|OA-v×tA|≤δ，δ为可允许的定位误差，则判定O为撞击定位结果；否则根据各个面内剪切波压电传感器采集到的第二峰值出现的先后顺序，将面内剪切波压电传感器位置进行临时编号，重新将前四个面内剪切波压电传感器位置记为A、B、C、D后重新画圆并继续判断，每重复编号画圆定位一次，若定位不成功，则顺序使用更小的峰值进行下一次判断，直至满足距离|OA-v×tA|≤δ后将位置O作为撞击定位结果。
一种航天器遭受空间碎片撞击的定位方法，包括如下步骤：
(a)在航天器结构的内表面布置面内剪切波压电传感器，多个面内剪切波压电传感器组成传感器阵列；
(b)各个面内剪切波压电传感器实时采集撞击引起的电压随时间变化的信号；
(c)根据各个面内剪切波压电传感器采集信号最高峰值出现时刻的先后顺序，将面内剪切波压电传感器位置进行临时编号，并将前四个面内剪切波压电传感器位置分别记为A、B、C、D，将四处采集到的信号最大峰值出现的时刻分别记为tA、tB、tC、tD；
(d)以位置B为中心，以rB＝v×(tB-tA)为半径作圆，其中v为面内剪切波波速，以位置C为中心，以rC＝v×(tC-tA)为半径作圆，以位置D为中心，以rD＝v×(tD-tA)为半径作圆；
(e)作步骤(d)中三个圆的最小半径公切圆，圆心位置记为O；
(f)若距离|OA-v×tA|≤δ，δ为可允许的定位误差，则判定O为撞击定位结果；否则根据各个面内剪切波压电传感器采集到的第二峰值出现的先后顺序，将面内剪切波压电传感器位置进行临时编号，重新将前四个面内剪切波压电传感器位置记为A、B、C、D后返回步骤(d)，当再次执行本步骤时，若定位不成功，则顺序使用更小的峰值再次返回步骤(d)，直至满足距离|OA-v×tA|≤δ后将位置O作为撞击定位结果。
所述的传感器阵列中，任意相邻的两个面内剪切波压电传感器的间距小于2m。
所述的面内剪切波压电传感器的工作频率范围为120kHz～230kHz。
所述面内剪切波压电传感器获取的信号为碰撞产生的SH0波。
所述的δ为2mm。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法首次采用面内剪切波传感器进行空间碎片的撞击定位，能够将空间碎片撞击航天器舱壁产生的复杂板波信号中120kHz～230kHz频域范围内的面内剪切波SH0波转化为电信号，而传统方法利用超声传感器只能采集到的Lamb波。虽然面内剪切波传感器采集到的原始信号仍然含有对称波和反对称波，造成电压-时间曲线上的多个峰值，本发明进而提出四点定位方法用于确定撞击位置，该方法分别以最先接收到信号的4个传感器中的后3个传感器位置为圆心，分别以后3个传感器与第1个传感器峰值信号时间差乘以面内剪切波波速为半径做3个圆，然后做这3个圆的最小公切圆，公切圆圆心即可能的撞击位置，进而通过判断该公切圆是否与第1个传感器位置重叠，来判断该峰值是否为面内剪切波SH0波，若否，顺序使用更小的峰值进行下一次判断，直至找到撞击位置。该定位方法，是一种基于几何作图的定位方法，操作简单，计算量小，从撞击发生到获得撞击位置结果的响应速度快，而且由于SH0波速不随频率或舱壁厚度而变化，克服了基于Lamb波(对称波和反对称波)和虚拟波速的传统定位方法存在的定位误差大的缺点，具有定位精度高的优势。
附图说明
图1为本发明定位系统的组成原理框图；
图2为本发明传感器采集的撞击信号示意图，横轴为时间，纵轴为电压；
图3为本发明数据处理单元的四点几何定位方法原理图；
图4为本发明据处理单元的四点几何定位方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明定位系统的组成原理框图，本发明系统主要包括面内剪切波压电传感器1、数据传输线2、电荷放大器3和数据处理单元4，图中5为航天器结构。面内剪切波压电传感器1通过胶接固定在航天器结构5的内表面，多个面内剪切波压电传感器1组成传感器阵列(例如，任意最近邻传感器间距小于2m)，经数据传输线2与电荷放大器3连接，电荷放大器3经数据传输线2与数据处理单元4连接。
面内剪切波压电传感器1由压电陶瓷PZT制作而成，制作方法同文献SmartMater.Struc.25(2016)和Ultrasonics 74,167(2017)。该传感器利用压电系数d24进行机电信号转换，能对120kHz～230kHz频率范围内面内剪切波SH0波进行感知。数据传输线2采用BNC-Microdot同轴电缆、电荷放大器3采用Olympus公司的5660B设备，数据处理单元4采用National Instruments公司的PXI-5105和PXIe-8840设备。航天器结构5为网格加筋铝合金密封舱。
当航天器发生空间碎片撞击事件时，撞击导致的声发射信号在航天器壳体内传播形成Lamb波和SH0波，两种波在航天器壳体内传播至各个面内剪切波压电传感器1，面内剪切波压电传感器1能够在120kHz～230kHz频率范围内将SH0波以高灵敏度转化为电信号，而将其它成分的波转化为非常微弱的电信号，数据处理单元4根据四个面内剪切波压电传感器1采集到信号峰值的时刻，进行几何定位，得到撞击位置。
图2为本发明传感器采集的撞击信号示意图，是电压随时间的变化曲线。从该信号曲线中可以提取各个电压峰值对应的时刻。
数据处理单元4根据采集信号进行定位的原理如图3所示，定位方法流程如图4所示，具体包括：
a.对航天器撞击定位系统通电，进行实时信号采集；
b.发生空间碎片撞击航天器事件；
c.各个面内剪切波压电传感器1采集撞击引起的电压随时间变化信号，如图2所示，从该信号曲线中可以提取各个电压峰值对应的时刻；
d.根据各面内剪切波压电传感器1采集信号最高峰值出现的时刻先后顺序，将面内剪切波压电传感器1位置进行临时编号，前四个面内剪切波压电传感器1位置分别记为A、B、C、D；
e.A、B、C、D四处面内剪切波压电传感器1采集到的信号最大峰值出现的时刻分别记为tA、tB、tC、tD，以μs作为单位；
f.以位置B为中心，以rB＝v×(tB-tA)为半径作圆，其中v为面内剪切波波速，v＝3km/s；以位置C为中心，以rC＝v×(tC-tA)为半径作圆；以位置D为中心，以rD＝v×(tD-tA)为半径作圆；
g.作以上三个圆的最小半径公切圆，圆心位置记为O，如图3所示；以B、C、D为圆心的三个圆上的每个点均为tA时刻面内剪切波波峰的可能位置，撞击产生的真实面内剪切波波峰必定是经每个圆中的某一点并沿着该圆半径方向由远及近传播到该传感器位置。而且，真实面内剪切波波峰在tA时刻一定分布在以撞击位置为圆心的同一个圆上，沿着圆的所有半径方向由近及远传播，该圆只有与其它三个圆均相切，才能满足波的直线传播规律，真实传播路径即过每个切点的两个相切圆半径的连线。
h.若公切圆与位置A重叠，即距离|OA-v×tA|≤δ，δ为可允许的定位误差，根据实际需求确定(通常δ可取为2mm量级)，则O为撞击定位结果；
i.若公切圆与位置A不重叠，即距离|OA-v×tA|＞δ，则根据面内剪切波压电传感器1采集到的第二峰值(每重复一次，峰值数加一，也即第一次以第一峰值的排序来进行，第二次以第二峰值的，以此类推)出现的先后顺序，将面内剪切波压电传感器1位置进行临时编号，前四个面内剪切波压电传感器1位置分别记为A、B、C、D，重复步骤e～i，直至公切圆与位置A重叠，即距离|OA-v×tA|≤δ，位置O即为撞击定位结果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，其特征在于：包括面内剪切波压电传感器(1)、电荷放大器(3)和数据处理单元(4)，其中面内剪切波压电传感器(1)固定在航天器结构(5)的内表面，多个面内剪切波压电传感器(1)组成传感器阵列，电荷放大器(3)将各个面内剪切波压电传感器(1)获取的信号进行放大后送至数据处理单元(4)；
所述的数据处理单元(4)根据各个面内剪切波压电传感器(1)采集信号最高峰值出现时刻的先后顺序，将面内剪切波压电传感器(1)位置进行临时编号，并将前四个面内剪切波压电传感器(1)位置分别记为A、B、C、D，将四处采集到的信号最大峰值出现的时刻分别记为tA、tB、tC、tD；然后以位置B为中心，以rB＝v×(tB-tA)为半径作圆，其中v为面内剪切波波速，以位置C为中心，以rC＝v×(tC-tA)为半径作圆，以位置D为中心，以rD＝v×(tD-tA)为半径作圆，然后作三个圆的最小半径公切圆，圆心位置记为O；若距离|OA-v×tA|≤δ，δ为可允许的定位误差，则判定O为撞击定位结果；否则根据各个面内剪切波压电传感器(1)采集到的第二峰值出现的先后顺序，将面内剪切波压电传感器(1)位置进行临时编号，重新将前四个面内剪切波压电传感器(1)位置记为A、B、C、D后重新画圆并继续判断，每重复编号画圆定位一次，若定位不成功，则顺序使用更小的峰值进行下一次判断，直至满足距离|OA-v×tA|≤δ后将位置O作为撞击定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，其特征在于：所述的传感器阵列中，任意相邻的两个面内剪切波压电传感器(1)的间距小于2m。
3.根据权利要求1或2所述的一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，其特征在于：所述的面内剪切波压电传感器(1)的工作频率范围为120kHz～230kHz。
4.根据权利要求1或2所述的一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，其特征在于：所述面内剪切波压电传感器(1)获取的信号为碰撞产生的SH0波。
5.根据权利要求1或2所述的一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，其特征在于：所述的δ为2mm。
6.一种航天器遭受空间碎片撞击的定位方法，其特征在于包括如下步骤：
(a)在航天器结构(5)的内表面布置面内剪切波压电传感器(1)，多个面内剪切波压电传感器(1)组成传感器阵列；
(b)各个面内剪切波压电传感器(1)实时采集撞击引起的电压随时间变化的信号；
(c)根据各个面内剪切波压电传感器(1)采集信号最高峰值出现时刻的先后顺序，将面内剪切波压电传感器(1)位置进行临时编号，并将前四个面内剪切波压电传感器(1)位置分别记为A、B、C、D，将四处采集到的信号最大峰值出现的时刻分别记为tA、tB、tC、tD；
(d)以位置B为中心，以rB＝v×(tB-tA)为半径作圆，其中v为面内剪切波波速，以位置C为中心，以rC＝v×(tC-tA)为半径作圆，以位置D为中心，以rD＝v×(tD-tA)为半径作圆；
(e)作步骤(d)中三个圆的最小半径公切圆，圆心位置记为O；
(f)若距离|OA-v×tA|≤δ，δ为可允许的定位误差，则判定O为撞击定位结果；否则根据各个面内剪切波压电传感器(1)采集到的第二峰值出现的先后顺序，将面内剪切波压电传感器(1)位置进行临时编号，重新将前四个面内剪切波压电传感器(1)位置记为A、B、C、D后返回步骤(d)，当再次执行本步骤时，若定位不成功，则顺序使用更小的峰值再次返回步骤(d)，直至满足距离|OA-v×tA|≤δ后将位置O作为撞击定位结果。
7.根据权利要求6所述的一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，其特征在于：所述的传感器阵列中，任意相邻的两个面内剪切波压电传感器(1)的间距小于2m。
8.根据权利要求6或7所述的一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，其特征在于：所述的面内剪切波压电传感器(1)的工作频率范围为120kHz～230kHz。
9.根据权利要求6或7所述的一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，其特征在于：所述面内剪切波压电传感器(1)获取的信号为碰撞产生的SH0波。
10.根据权利要求6或7所述的一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，其特征在于：所述的δ为2mm。
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