CN110793795A - 一种基于ccd探测器的飞行器振动干扰分析方法 - Google Patents

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邓雷
朱振才
蒋虎
赵丹
陈有梅
阳应权
余金培
周依林
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Abstract

一种基于CCD探测器的飞行器振动干扰分析方法，通过测量载荷反向发射的光束光斑在平行光管焦平面CCD上的抖动，并进行分析，以判断振动干扰是否对飞行器在轨试验产生影响。

Description

一种基于CCD探测器的飞行器振动干扰分析方法
技术领域
本发明涉及空间技术领域，特别涉及飞行器振动干扰的分析技术。
背景技术
目前，通常采用无线电或可见光手段对一般飞行器与地面站进行捕获或对准，其指向精度并不高，约0.3～0.5度左右。这种指向精度需求下，飞行器对微振动源影响通常不十分敏感。但是，科学飞行器要求星地对准精度优于3.5μ弧度，这就使得飞行器对于微振动源影响十分敏感。因此，为了确保这类高精度飞行器在轨实验的有效性，需要在地面试验阶段，对微振动源对于跟踪精度的影响做出事先评估分析。
发明内容
本发明提供一种基于CCD探测器的飞行器振动干扰分析方法，通过使用放置在平行光管焦面处的CCD探测器，来测量不同工况下载荷在跟踪的同时所发射的窄发散角量子光的光斑位置，从而对微振动影响进行分析，以确保飞行器在轨试验的有效性。
一种基于CCD探测器的飞行器振动干扰分析方法包括：
在平行光管焦面上放置单模光纤，产生远场模拟平行光作为捕获、跟踪、瞄准(Acquisition Tracking and Pointing,ATP)系统的信标光，同时，量子纠缠发射机发射量子光；以及
在平行光管焦面处用CCD探测器测量载荷反向发射的光束光斑在平行光管CCD上的抖动，得到瞄准光变化。
进一步地，所述单模光纤尺寸为5.6μm，所述平行光管焦距为17m。
进一步地，CCD相机最高帧频400Hz，可测量200Hz的扰动频率。
分别计算各工况下的误差数据，并计算所述误差数据的标准差及功率谱密度，以确认反作用飞轮引起的微振动对跟踪精度影响是否在系统要求范围内,是否可以确保科学飞行器任务完成。
进一步地，所述基于CCD探测器的飞行器振动干扰分析方法通过构建悬吊系统模拟飞行器在轨微重力状态。所述悬吊系统的频率小于2Hz，以保证悬吊系统不会与反作用飞轮的振动引起共振。所述悬吊系统的频率计算如下：
Figure BDA0002262657980000021
Figure BDA0002262657980000022
其中，S为单根弹力绳的拉伸刚度，N为弹力绳数量，M为卫星质量，L为悬吊状态下的系统长度：
Figure BDA0002262657980000023
其中l为弹力绳未拉伸时的长度。
本发明提供的基于CCD探测器的飞行器振动干扰分析方法，CCD探测器经过细分可探测到0.1μrad的角度变化，可评估瞄准性能，最终得到微振动源对于飞行器的影响，并有效判断飞行器在轨试验的有效性。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出应用于本发明一个实施例的结构星模型及内部布局示意图；
图2示出应用于本发明一个实施例的光学测量示意图；
图3示出本发明一个实施例的精跟踪工作状态下，反作用飞轮静止时的X、Y方向的误差及其功率谱密度示意图；
图4示出本发明一个实施例的精跟踪工作状态下，反作用飞轮2400转时的X、Y方向的误差及其功率谱密度示意图；以及
图5示出本发明一个实施例的精跟踪不工作状态下，反作用飞轮2400转时的X、Y方向的误差及其功率谱密度示意图。
具体实施方式
在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
本发明提供一种基于CCD探测器的飞行器振动干扰分析方法，包括：
构建模拟试验环境，包括：
使用弹力绳及结构星来构建悬吊系统，以模拟飞行器在轨微重力状态；以及
通过在平行光管焦面上放置单模光纤，产生远场模拟平行光作为ATP系统的信标光，同时，量子纠缠发射机发射量子光；
在平行光管焦面处用CCD探测器测量载荷反向发射的光束光斑在平行光管CCD上的抖动，将所述抖动作为误差数据；以及
计算所述误差数据的标准差及功率谱密度，以确认反作用飞轮引起的微振动对跟踪精度影响是否在系统要求范围内,是否可以确保科学飞行器任务完成。
下面根据一个实施例具体描述本发明提供的方法：
将如图1所示的未安装帆板结构星挂在弹力绳上以构建悬吊系统。所述结构星尺寸为1228mm*990mm*1530mm，质量为345kg，其中反作用飞轮为电性件，量子纠缠发射机为原理样机，其余平台单机为结构模拟件。所述弹力绳未拉伸时长度为1.7m，拉伸刚度为175N/m，所述弹力绳共有4束，每束包含10根弹力绳。
计算所述悬吊系统中单根弹力绳的承重为8.625kg,纵向振动频率为
Figure BDA0002262657980000041
横向摆动频率小于远低于2Hz，不会与频率为中高频的反作用飞轮的振动干扰产生共振，满足试验需求。
接下来，如图2所示，在平行光管201焦面上放置单模光纤202，产生远场模拟平行光210作为ATP系统100的信标光，同时，量子纠缠发射机101发射量子光230。所述单模光纤202尺寸为5.6μm，所述平行光管201焦距为17m。
在平行光管201焦面处用CCD探测器203，测量不同工况下，载荷反向发射的光束光斑在平行光管CCD上的抖动，所述工况包括：精跟踪工作状态下，反作用飞轮静止、反作用飞轮速度2400转，以及精跟踪不工作状态下，反作用飞轮速度2400转。所述CCD相机最高帧频400Hz，可测量200Hz的扰动频率。
计算各工况下X、Y两个方向的误差数据及其标准差和功率谱密度，反作用飞轮静止时，Xstd＝0.41μrad；Ystd＝0.65μrad，图3中左上角图片为X轴方向误差，左下角图片为X轴方向功率谱密度，右上角图片为Y轴方向误差，右下角图片为Y轴方向功率谱密度，如图所示，反作用飞轮静止时，有明显的低频光斑扰动，经分析，是由于大气造成的。反作用飞轮2400转时，若开启精跟踪，X、Y方向的跟踪误差分别为Xstd＝0.74μrad；Ystd＝1.02μrad。相比反作用飞轮静态有误差提高，约提高了0.5μrad，精跟踪不开启时，X、Y方向的跟踪误差分别为Xstd＝10.78μrad；Ystd＝10.25μrad。图4及图5中左上角图片为X轴方向误差，左下角图片为X轴方向功率谱密度，右上角图片为Y轴方向误差，右下角图片为Y轴方向功率谱密度，如图所示，2400转时，反作用飞轮会造成两个频段的干扰：35-45hz与22-25Hz。对无跟踪的质心数据进行频率分析，如表1所示，经判断，所述反作用飞轮引起的微振动对跟踪精度影响在系统要求范围内,可以确保科学飞行器任务完成。
频段 对应飞轮转速 干扰
35-45Hz 2100～2700rpm 0.14urad(X)；0.2urad(Y)
22-25Hz 1320～1500rpm 0.1urad(X)；0.3urad(Y)
表1
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (7)

1.一种基于CCD探测器的飞行器振动干扰分析方法，包括：
在平行光管焦面上放置单模光纤，将所述光纤产生的远场模拟平行光作为捕获、跟踪、瞄准ATP系统的信标光并且使量子纠缠发射机发送量子光；
在平行光管焦面处用CCD探测器测量载荷反向发射的光束光斑在平行光管CCD上的抖动以作为误差数据；
分别计算各工况下误差数据的标准差及功率谱密度；以及
根据所述标准差和所述功率谱密度判断误差是否在系统允许范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，采用弹力绳及结构星构建悬吊系统，以模拟飞行器在轨微重力状态。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述工况包括：
精跟踪工作状态下，反作用飞轮静止及不同转速时的状态；以及
精跟踪不工作状态下，反作用飞轮静止及不同转速时的状态。
4.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述悬吊系统的纵向振动频率及横向摆动频率均小于2Hz。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述悬吊系统的纵向振动频率及横向摆动频率，按如下公式计算得到：
Figure FDA0002262657970000011
Figure FDA0002262657970000012
其中，S为单根弹力绳的拉伸刚度，N为弹力绳数量，M为卫星质量，L为悬吊状态下的系统长度，并且其中：
Figure FDA0002262657970000013
其中l为弹力绳未拉伸时的长度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单模光纤尺寸为5.6μm，所述平行光管焦距为17m。
7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述CCD相机最高帧频为400Hz。
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