CN114942602B - 一种静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及数据仿真技术领域，具体而言，涉及一种静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统，包括外部信号模块、系统仿真修正模块以及地面处理模块，其中：外部信号模块与系统仿真修正模块连接，系统仿真修正模块与地面处理模块连接；外部信号模块用于采集数据信号，并将数据信号传输至系统仿真修正模块，系统仿真修正模块用于对数据信号进行融合修正，得到在轨测量仿真数据，并传输给地面处理模块，地面处理模块对在轨测量仿真数据进行综合处理，得到有效测量数据信号。本申请实现了静电悬浮加速度计在轨应用的仿真研究，对静电悬浮加速度计设计、研制及在轨性能评价提供地面模拟的系统方法。
Description
技术领域
本申请涉及数据仿真技术领域，具体而言，涉及一种静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统。
背景技术
静电悬浮加速度计主要应用于测量大气阻力、光压等引起的准稳态加速度，航天器微推力形成的微小加速度，以及地球重力场测绘等方面，具有测量频段低、量程小、精度高的特点，其相关技术在卫星精密定轨、自主导航、空间引力波空间探测等方面有重要应用。
在应用方面，由于静电悬浮加速度计的量程小(＜10-2m/s2)，分辨率要求高(＜10- 6m/s2量级)，所以对卫星平台的稳定性要求较为苛刻。目前，从国内外应用来看，静电悬浮加速度计通常在超静超稳的卫星平台上进行测量，测量过程中，卫星上的动量轮等振动源需要关闭，防止扰动造成静电悬浮加速度计安装位置处的振动水平超出其量程。为了能够探索并扩展静电悬浮加速度计的在轨应用方式及范围，需要在仿真环境下，对空间应用过程进行模拟试验研究。如何利用地面实验条件及可测数据，进行精确的在轨数据仿真，成为目前急需解决的问题。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统，针对卫星在轨光压测量，采用多种数据源融合技术，结合静电悬浮加速度计仿真模型，探索静电悬浮加速度计在不同工况下的在轨测量结果，实现静电悬浮加速度计在轨应用的仿真研究。
为了实现上述目的，本申请提供了一种静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统，包括外部信号模块、系统仿真修正模块以及地面处理模块，其中：外部信号模块与系统仿真修正模块连接，系统仿真修正模块与地面处理模块连接；外部信号模块用于采集数据信号，并将数据信号传输至系统仿真修正模块，系统仿真修正模块用于对数据信号进行融合修正，得到在轨测量仿真数据，并传输给地面处理模块，地面处理模块对在轨测量仿真数据进行综合处理，得到有效测量数据信号。
进一步的，外部信号模块包括卫星高频振动噪声数据模块和光压仿真数据模块。
进一步的，系统仿真修正模块包括系统仿真模型、读出电路模型以及数据融合模块，系统仿真模型与读出电路模型连接，读出电路模型与数据融合模块连接。
进一步的，系统仿真模型为基于Matlab/Simulink建立静电悬浮加速度计的单轴向仿真模型。
进一步的，卫星高频振动噪声数据模块和光压仿真数据模块均与系统仿真模型连接。
进一步的，系统仿真修正模块还包括噪声修正模型和温度修正模型，噪声修正模型和温度修正模型均与数据融合模块连接。
进一步的，地面处理模块包括信号滤除模块和卫星坐标转换模块，数据融合模块与信号滤除模块连接，信号滤除模块与卫星坐标转换模块连接。
本发明提供的一种静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统，具有以下有益效果：
本申请针对卫星在轨光压测量，采用多种数据源融合技术，结合静电悬浮加速度计仿真模型，探索静电悬浮加速度计在不同工况下的在轨测量结果，实现静电悬浮加速度计在轨应用的仿真研究，对静电悬浮加速度计设计、研制及在轨性能评价提供地面模拟的系统方法，为难以在发射前期验证的各项性能指标提供仿真途径，同时为在轨数据处理提供指导性仿真建议。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统的结构图；
图2是根据本申请实施例提供的静电悬浮加速度计单一轴向的仿真模型图；
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本申请提供了一种静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统，包括外部信号模块、系统仿真修正模块以及地面处理模块，其中：外部信号模块与系统仿真修正模块连接，系统仿真修正模块与地面处理模块连接；外部信号模块用于采集数据信号，并将数据信号传输至系统仿真修正模块，系统仿真修正模块用于对数据信号进行融合修正，得到在轨测量仿真数据，并传输给地面处理模块，地面处理模块对在轨测量仿真数据进行综合处理，得到有效测量数据信号。
具体的，现有静电悬浮加速度计成功在轨应用的实例都是在稳定卫星平台上实现的，在测量期间卫星不采用动量轮进行姿轨控，主要采用微推力装置，本申请实施例中可以通过地面实测数据，对具有较大幅度高频振动的卫星平台上搭载的静电悬浮加速度计的在轨测量结果进行仿真预判，通过仿真预判得到的在轨测量信号数据，可以对卫星平台在各个频带的振动水平提出明确指标，也可以对静电悬浮加速度计的量程设计、在轨分辨率指标作出指导，通过约束卫星平台振动条件、温控范围、电路噪声水平、静电悬浮加速度计的测量有效范围等，完成符合实际需求的设计。
更具体的，本申请实施例提供的静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统通过仿真系统及数据处理方法，可以得到卫星环境影响下，静电悬浮加速度计在轨测量结果的仿真数据，然后将仿真数据与实测数据相结合，并且结合静电悬浮加速度计仿真模型，能够得到在轨光压有效信号仿真模拟结果。外部信号模块主要用于将卫星的振动数据和光压仿真数据传输至系统仿真修正模块中进行融合修正处理，得到在轨测量仿真数据，然后传输至地面处理模块，对在轨数据进行带外信号滤除及卫星坐标转换，最终得到在轨有效测量信号。
进一步的，外部信号模块包括卫星高频振动噪声数据模块和光压仿真数据模块。卫星高频振动噪声数据模块采用结构星实测的振动数据，通过地面模拟实验得到，测试过程中，静电悬浮加速度计需要放置于被动隔振平台上，且所有的测试导线均需要胶带固定，确保不引入额外振动，卫星振动数据可以通过石英挠性加速度计测量，得到三个方向的振动数据，作为系统仿真模型的高频噪声。光压仿真数据模块根据卫星结构及轨道数据仿真得到，光压产生的加速度信号属于低频信号，因此仿真频率可以在0.1Hz～0.01Hz，针对不同轨道卫星，可以得到不同的光压仿真结果，作为系统仿真模型的光压测量输入信号。
进一步的，系统仿真修正模块包括系统仿真模型、读出电路模型以及数据融合模块，系统仿真模型与读出电路模型连接，读出电路模型与数据融合模块连接。系统仿真模型采用单通道电路仿真模型，考虑各环节引入噪声及信号延迟、温度的影响。读出电路模型主要用于对系统仿真模型的数据进行数据筛选读出，主要包括信号降幅及抽取模块，用于将电极板处的电压数据进行降幅，随后进行滤波处理，得到低频的系统输出电压，用于和噪声数据及温度数据进行融合。数据融合模块用于对振动数据、光压数据、电路噪声及温度修正进行综合，得到在轨实际测试结果的仿真数据。
进一步的，系统仿真模型为基于Matlab/Simulink建立静电悬浮加速度计的单轴向仿真模型，如图2所示，图中aext表示该轴向对应的外界输入加速度，xmass为检验质量相对电极笼中心的位移，Uo为电荷放大器的输出电压，Vf为施加到传感器电极板上的反馈控制电压，amass为质量块受到静电力作用后产生的加速度。在仿真模型中，通过对质量块受到的加速度积分，得到质量块的位移信号xmass，之后按照差动放大器电路对位移信号的放大规律，得到位移电压信号Uo，再通过检测电路和PID控制器环节的处理，将位移电压信号转换为反馈调节电压Vf，由驱动放大器施加到传感器探头的电极板上，从而实现对检验质量块的伺服反馈控制。
进一步的，卫星高频振动噪声数据模块和光压仿真数据模块均与系统仿真模型连接。如图2所示，在系统仿真模型中，卫星高频振动噪声数据模块中的振动数据首先作为加速度信号输入系统中，之后通过积分环节转换成检验质量块的位移数据，再经过电容桥路及检测电路的放大和解调，得到位移检测电压，该电压经PID控制器计算，得到控制电压，经过驱动电路放大，得到极板上的反馈电压，即振动数据经过系统仿真模型后以反馈电压的形式传输至读出电路模型中，同理，光压数据也是以同样的传输过程传输至读出电路模型中，但是由于两种数据的采样率差异较大(光压数据为1Hz～0.1Hz，反馈电压数据为1kHz～10Hz)，因此两个模块分别与系统仿真模型连接，两种数据采用分别输入仿真的方式进行传输。
进一步的，系统仿真修正模块还包括噪声修正模型和温度修正模型，噪声修正模型和温度修正模型均与数据融合模块连接。数据融合模块用于进行在轨数据的初步修正，其中，电路噪声数据为实测数据，可以在融合过程中直接加入，根据实际电路测试结果进行叠加，需要包括电路噪声长周期漂移、本底噪声、读出电路固有偏值。温度修正模型主要针对读出电路数据，该模型通过实际电路测试结果与温度数据拟合得出，应用温度修正模型，可以对系统输出数据及电路噪声数据进行修正，得到某特定温度下的实际输出数据。在温度修正模型中，温度的变化规律可以根据仿真，也可以根据设计初期的输入条件进行设置，实际就是将高频的振动数据先通过1Hz低通滤波后进行抽样，使其和光压数据具有相同的采样率，电路噪声在测试过程中已经通过硬件滤波，故不再进行滤波，可以直接叠加，温度数据则根据仿真或设计初期输入条件进行设置，温度变化对读出电路造成的影响，可以通过温度修正模型进行修正，温度修正模型通过实际的温度响应试验得到，主要为线性拟合模型，也可以采用非线性拟合模型，或神经网络的算法作为温度修正模型。
进一步的，地面处理模块包括信号滤除模块和卫星坐标转换模块，数据融合模块与信号滤除模块连接，信号滤除模块与卫星坐标转换模块连接。地面处理模块用于对系统数据进行进一步处理，主要包括带外信号滤除、振动信号耦合影响剔除、信号坐标转换，经过地面模块处理后，可以得到最终的有效测量信号。
更具体的，本申请实施提供的静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统在测量仿真过程中，首先通过实验测试得到卫星高频振动数据，通过仿真软件得到光压仿真数据，将这两组数据输入静电悬浮加速度计的测量模型(系统仿真模型)中，得到相应的极板电压的数据，再经过读出电路模型，得到两组仿真数据对应到读出电路输出端的信号，在读出端还需要加入电路噪声、温度波动引起的噪声两项，这两项和读出电路输出端信号进行数据的融合与修正，得到最终的在轨仿真数据，最后通过地面处理模块处理，主要由滤波和卫星坐标转换两步，对在轨仿真数据进行处理，处理后可以得到最终的有效测量信号。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统，其特征在于，包括外部信号模块、系统仿真修正模块以及地面处理模块，其中：
所述外部信号模块与所述系统仿真修正模块连接，所述系统仿真修正模块与所述地面处理模块连接；
所述外部信号模块用于采集数据信号，并将数据信号传输至所述系统仿真修正模块，所述系统仿真修正模块用于对数据信号进行融合修正，得到在轨测量仿真数据，并传输给所述地面处理模块，所述地面处理模块对在轨测量仿真数据进行综合处理，得到有效测量数据信号；
所述外部信号模块包括卫星高频振动噪声数据模块和光压仿真数据模块；
所述系统仿真修正模块包括系统仿真模型、读出电路模型以及数据融合模块，所述系统仿真模型与所述读出电路模型连接，所述读出电路模型与所述数据融合模块连接；
所述系统仿真模型为基于Matlab/Simulink建立静电悬浮加速度计的单轴向仿真模型；
所述卫星高频振动噪声数据模块和所述光压仿真数据模块均与所述系统仿真模型连接；
所述系统仿真修正模块还包括噪声修正模型和温度修正模型，所述噪声修正模型和所述温度修正模型均与所述数据融合模块连接。
2.如权利要求1所述的静电悬浮加速度计在轨光压测量仿真系统，其特征在于，所述地面处理模块包括信号滤除模块和卫星坐标转换模块，所述数据融合模块与所述信号滤除模块连接，所述信号滤除模块与所述卫星坐标转换模块连接。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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