CN107131949B - 一种利用星载加速度计间接测量微振动物理量参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用星载加速度计间接测量微振动物理量参数的方法，用于对被测对象进行微振动物理量参数的测量；首先在被测对象上选定一个安装平面，确定坐标系；然后在安装平面上选择p和q两点设置加速度计，加速度计的敏感轴与p和q连线相垂直、并在同一平面内；2个加速度计敏感到的加速度以数字信号下传到地面，地面处理后得两组微振动线加速度时域数据，分别进行FFT，并计算出线速度和线位移的幅度谱，线速度和线位移的幅度谱分别进行IFFT，得到线速度和线位移的时域数据；求出被测对象绕p,q两点确定的转轴线旋转的相对角加速度时域数据，进行FFT，得并计算出角速度和角位移的幅度谱，分别进行IFFT得到角速度和角位移的时域数据。

Description

一种利用星载加速度计间接测量微振动物理量参数的方法
技术领域
本发明属于非电量计量测试技术领域，尤其涉及一种利用星载加速度计间接测量微振动物理量参数的方法。
背景技术
卫星空间资源有着严格的限制，以尽可能少的资源实现任务目标是工程设计的基本原则。采用高精度加速度计测量航天器微振动是通用技术手段，获取微振动速度和位移通常通过对加速度一次积分和二次积分获得，由此则带来积分常数误差，如图3、图4和图5所示，存在明显图像畸变；同理，对时域角加速度进行一次积分和二次积分也可以得到时域角速度和角位移，存在的问题也是同样的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种利用星载加速度计间接测量微振动物理量参数的方法，本发明仅适用两个加速度计就能进行微振动物理量的测量，且采用时频域转换的方式进行计算，大大减小了误差。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种利用星载加速度计间接测量微振动物理量参数的方法，用于对被测对象进行微振动物理量参数的测量，其中微振动物理量参数包括被测对象的线速度、线位移、角速度和角位移；
步骤如下：
步骤(1)在被测对象上选定一个安装平面，确定坐标系；
步骤(2)在所述安装平面上选择p和q两点分别设置加速度计，p和q两点相距L，加速度计的敏感轴与p和q两点间的连线相垂直、并在同一平面内；
步骤(3)2个加速度计敏感所在环境的加速度，输出两组加速度模拟信号，两组加速度模拟信号经处理后以数字信号的形式下传到地面；
步骤(4)对下传的两组加速度数字信号解析后进行预处理，预处理包括：零偏修正、物理量变换、添加时间序列，得两组微振动线加速度时域数据：ap(kΔt)和aq(kΔt)；
其中k为采样序号，k＝0,l,2,…,N-1；Δt为采样时间间隔；N为样本量；
步骤(5)分别对测量得到的两组微振动线加速度时域数据进行快速傅里叶变换FFT，得到加速度幅度谱，进而计算出线速度和线位移的幅度谱，分别对线速度和线位移的幅度谱进行快速傅里叶逆变换IFFT，得到线速度和线位移的时域数据；
步骤(6)求出时间T＝kΔt时被测对象绕p,q两点确定的转轴线旋转的相对角加速度时域数据β(kΔt)：
步骤(7)对步骤(6)计算得到的角加速度时域数据β(kΔt)进行FFT，得到角加速度幅度谱，进而计算出角速度和角位移的幅度谱，分别对角速度和角位移的幅度谱进行IFFT得到角速度和角位移的时域数据。
进一步地，步骤(1)中所选安装平面具备被测对象的角振动特征。
进一步地，两个加速度计的测量方向平行，不平行度不大于0.5°。
进一步地，步骤(5)中，针对线加速度时域数据a(kΔt)的处理具体分为如下步骤：
其中a(kΔt)可以为ap(kΔt)和aq(kΔt)；
Step501、针对线加速度时域数据a(kΔt)进行FFT得到线加速度幅度谱：
式中：j为虚数单位；i为加速度幅度值序列的序号；Δf为频率间隔，单位为Hz；单位为rad；X(iΔf)为被测对象频率在频率f＝iΔf处的加速度FFT函数；
Step502、依据所述线加速度幅度谱，计算出线速度幅度谱和线位移幅度谱：
A(iΔf)为被测对象频率在f＝iΔf处的加速度幅度值，为X(iΔf)的共轭复数；Ph(iΔf)为X(iΔf)在频率f＝iΔf处的相位；Re(X(iΔf)为X(iΔf)在频率f＝iΔf处的实部；Im(X(iΔf)为X(iΔf)在频率f＝iΔf处的虚部；
式中：V(iΔf)为被测对象在频率f＝iΔf处的速度幅度值；S(iΔf)为被测对象在频率f＝iΔf处的位移幅度值；Phv(iΔf)为V(iΔf)在频率f＝iΔf处的相位；Phs(iΔf)为S(iΔf)在频率f＝iΔf处的相位；
Step503、分别使用iΔf、V(iΔf)、Phv(iΔf)和iΔf、S(iΔf)、Phs(iΔf)进行IFFT，可得到速度和位移的时域数据v(kΔt)和s(kΔt),：
k＝0,1,2,...,N-1
所述样本量N为2的整数次幂。
有益效果：
本发明通过设置加速度计的位置，并以两个加速度计检测得到的加速度数据进行反演计算，就能够得到全参数(速度、位移、角加速度以及角速度，角位移)的时频域的数据，并且在计算的过程中摒弃了传统的时域积分算法，而采用时频域转换的方式进行计算，大大减小了误差，且由于仅使用了两个加速度计，实现简单。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为采用加速度计测量刚体角加速度的原理示意图；
图3为微振动加速度测量时域结果；
图4为速度量时域结果；
图5为位移量时域结果；
图6为IFFT运算后得到的时域速度结果；
图7为IFFT运算后得到的时域位移结果。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1、一种利用星载加速度计间接测量微振动物理量参数的方法，用于对被测对象进行微振动物理量参数的测量，其中微振动物理量参数包括被测对象的线速度、线位移、角速度和角位移；
如图2所示，本发明方法流程如下：
步骤(1)在被测对象上选定一个安装平面，确定坐标系；被测对象可以为卫星或其有效载荷，可视为刚体；所选安装平面代表被测对象的角振动特征。
步骤(2)在安装平面上选择p和q两点，p和q两点可以随机选择分别设置加速度计，p和q两点相距L，加速度计的敏感轴与p和q两点间的连线相垂直、并在同一平面内。安装方式如图2所示。
两个加速度计的测量方向平行，不平行度不大于0.5°。
步骤(3)2个加速度计敏感所在环境的加速度，输出两组加速度模拟信号，两组加速度模拟信号经处理后以数字信号的形式下传到地面。
步骤(4)对下传的两组加速度数字信号解析后进行预处理，预处理包括：零偏修正、物理量变换、添加时间序列，得两组微振动线加速度时域数据：ap(kΔt)和aq(kΔt)；如图3为微振动加速度测量时域结果。
其中k为采样序号，k＝0,l,2,…,N-1；Δt为采样时间间隔，s；N为样本量；
步骤(5)分别对测量得到的两组加速度时域数据进行快速傅里叶变换FFT，得到加速度幅度谱，进而计算出线速度和线位移的幅度谱，分别对线速度和线位移的幅度谱进行快速傅里叶逆变换IFFT，得到线速度和线位移的时域数据；
针对线加速度时域数据a(kΔt)的处理具体分为如下步骤：
其中a(kΔt)可以为ap(kΔt)和aq(kΔt)；
Step501、针对线加速度时域数据a(kΔt)进行FFT得到线加速度幅度谱：
式中：j为虚数单位；i为加速度幅度值序列的序号；Δf为频率间隔，单位为Hz；单位为rad；X(iΔf)为被测对象频率在频率f＝iΔf处的加速度FFT函数；
Step502、依据线加速度幅度谱，计算出线速度幅度谱和线位移幅度谱：
A(iΔf)为被测对象频率在f＝iΔf处的加速度幅度值，为X(iΔf)的共轭复数；Ph(iΔf)为X(iΔf)在频率f＝iΔf处的相位；Re(X(iΔf)为X(iΔf)在频率f＝iΔf处的实部；Im(X(iΔf)为X(iΔf)在频率f＝iΔf处的虚部；如图4为速度量时域结果。
式中：V(iΔf)为被测对象在频率f＝iΔf处的速度幅度值；S(iΔf)为被测对象在频率f＝iΔf处的位移幅度值；Phv(iΔf)为V(iΔf)在频率f＝iΔf处的相位；Phs(iΔf)为S(iΔf)在频率f＝iΔf处的相位；图5为位移量时域结果。
Step503、分别使用iΔf、V(iΔf)、Phv(iΔf)和iΔf、S(iΔf)、Phs(iΔf)进行IFFT，可得到速度和位移的时域数据v(kΔt)和s(kΔt),：
k＝0,1,2,...,N-1
样本量N为2的整数次幂。
步骤(6)求出时间T＝kΔt时被测对象绕p,q两点确定的转轴线旋转的相对角加速度时域数据β(kΔt)：
当p、q两点间的线加速度相反时，转轴线位于p、q两点之间；当p、q的线加速度相同时，如图2所示，转轴线位于p、q两点连线的延长线上。
步骤(7)对计算得到的角加速度时域数据采用步骤(5)的方法进行FFT，得到角加速度幅度谱，进而计算出角速度和角位移的幅度谱，分别对角速度和角位移的幅度谱进行IFFT得到角速度和角位移的时域数据。
其中图6为IFFT运算后得到的时域速度结果；图7为IFFT运算后得到的时域位移结果。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用星载加速度计间接测量微振动物理量参数的方法，其特征在于，用于对被测对象进行微振动物理量参数的测量，其中微振动物理量参数包括被测对象的线速度、线位移、角速度和角位移；
步骤如下：
步骤(1)在被测对象上选定一个安装平面，确定坐标系；
步骤(2)在所述安装平面上选择p和q两点分别设置加速度计，p和q两点相距L，加速度计的敏感轴与p和q两点间的连线相垂直、并在同一平面内；
步骤(3)2个加速度计敏感所在环境的加速度，输出两组加速度模拟信号，两组加速度模拟信号经处理后以数字信号的形式下传到地面；
步骤(4)对下传的两组加速度数字信号解析后进行预处理，预处理包括：零偏修正、物理量变换、添加时间序列，得两组微振动线加速度时域数据：ap(kΔt)和aq(kΔt)；
其中k为采样序号，k＝0,l,2,…,N-1；Δt为采样时间间隔；N为样本量；
步骤(5)分别对测量得到的两组微振动线加速度时域数据进行快速傅里叶变换FFT，得到加速度幅度谱，进而计算出线速度和线位移的幅度谱，分别对线速度和线位移的幅度谱进行快速傅里叶逆变换IFFT，得到线速度和线位移的时域数据；
步骤(6)求出时间T＝kΔt时被测对象绕p,q两点确定的转轴线旋转的相对角加速度时域数据β(kΔt)：
步骤(7)对步骤(6)计算得到的相对角加速度时域数据β(kΔt)进行FFT，得到角加速度幅度谱，进而计算出角速度和角位移的幅度谱，分别对角速度和角位移的幅度谱进行IFFT得到角速度和角位移的时域数据；
所述步骤(5)中，针对线加速度时域数据a(kΔt)的处理具体分为如下步骤：
其中a(kΔt)可以为ap(kΔt)和aq(kΔt)；
Step501、针对线加速度时域数据a(kΔt)进行FFT得到线加速度幅度谱：
式中：j为虚数单位；i为加速度幅度值序列的序号；Δf为频率间隔，单位为Hz；X(iΔf)为被测对象频率在频率f＝iΔf处的加速度FFT函数；
Step502、依据所述线加速度幅度谱，计算出线速度幅度谱和线位移幅度谱：
A(iΔf)为被测对象频率在f＝iΔf处的加速度幅度值，为X(iΔf)的共轭复数；Ph(iΔf)为X(iΔf)在频率f＝iΔf处的相位；Re(X(iΔf)为X(iΔf)在频率f＝iΔf处的实部；Im(X(iΔf)为X(iΔf)在频率f＝iΔf处的虚部；
式中：V(iΔf)为被测对象在频率f＝iΔf处的速度幅度值；S(iΔf)为被测对象在频率f＝iΔf处的位移幅度值；Phv(iΔf)为V(iΔf)在频率f＝iΔf处的相位；Phs(iΔf)为S(iΔf)在频率f＝iΔf处的相位；
Step503、分别使用iΔf、V(iΔf)、Phv(iΔf)和iΔf、S(iΔf)、Phs(iΔf)进行IFFT，可得到速度和位移的时域数据v(kΔt)和s(kΔt),：
所述样本量N为2的整数次幂。
2.如权利要求1所述的一种利用星载加速度计间接测量微振动物理量参数的方法，其特征在于，所述步骤(1)中所选安装平面具备被测对象的角振动特征。
3.如权利要求1所述的一种利用星载加速度计间接测量微振动物理量参数的方法，其特征在于，所述两个加速度计的测量方向平行，不平行度不大于0.5°。
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