基于等效变预载法的静电加速度计闭环零点调节

闭环零点位置对差动电容式静电加速度计性能具有重要影响,闭环零点偏离机械零点会增大标度因子非线性。为精确调节闭环零点,提出了一种等效变预载闭环零点调节方法,能够在预载和反馈电压不对称情况下实现闭环零点位置的精确辨识和调节。利用静电加速度计原理样机测试了闭环零点调节前后的系统非线性特性,实验结果表明采用上述方法进行闭环零点调节后,表征标度因子非线性的二次项系数由-1.7×10-7降低为-3.3×10-8,验证了上述方法的有效性。

静电加速度计悬浮质量块质心偏移量在轨标定

高精度静电加速度计已广泛地应用于航天任务中,用于测量作用于航天器的非引力加速度。如果静电加速度计悬浮质量块的质心与航天器的质心安装有偏差时,重力梯度力、姿态耦合产生的干扰加速度,静电加速度计控制系统引入的干扰加速度等干扰力会夹杂在测量数据中。针对这一问题,研究了航天器小质量特性变化情况下,当静电加速度计处于动态设计良好并进入稳态后,利用静电加速度计、陀螺仪和磁强计作为敏感元件,基于非线性卡尔曼滤波理论的静电加速度计悬浮质量块质心偏移量的在轨标定。仿真结果表明,该方案的精度X向可以达到0.1mm,Y和Z向能达到0.04mm。

一种重力测量卫星静电加速度计在轨标定算法

静电加速度计是低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星的关键载荷之一,其性能直接影响地球重力场空间变化率的测定结果。为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合扩展卡尔曼滤波估计算法,提出了一种应用动力学方法确定静电加速度计校准参数的算法。首先建立静电加速度计及K频段测距(KBR)系统的量测模型;然后将高精度地球重力场模型和静电加速度计观测数据代入扩展卡尔曼滤波算法的状态方程中,将KBR系统观测数据代入观测方程中,建立静电加速度计在轨标定模型。数学仿真结果表明:静电加速度计的标度因子和零偏估计误差均在0.2%以内,实现了卫星静电加速度计较为精确的标定。

星载静电加速度计的支承技术研究

以高精度重力测量为目标,研究基于静电悬浮的卫星重力探测技术。首先给出了静电加速度计的硬件电路,包括高精度位移测量电路、数字化控制电路以及静电力发生器。然后在分析了静电支承特性的基础上,将其工作状态分为起支和支承两种状态,并设计了相应的数字控制器,保证系统可靠悬浮。仿真和实验结果表明,转子支承中心的重复性优于0.01μm,支承电压的重复性优于0.5‰,48 h稳定性优于2‰,满足星载静电加速度计的需求。

硅微静电加速度计的支承刚度特性

静电加速度计通过降低带宽和量程在空间微重力环境下可以实现极高的分辨率。设计了一种采用玻璃-硅-玻璃"三明治"结构、平行六面体状检验质量、体硅加工工艺的三轴硅微静电加速度计,推导并讨论了静电支承回路的典型刚度特性与控制参数之间的关系式。采用基于DSP的数字控制器,实现了敏感质量的六自由度稳定支承,在大气环境下测试了静电支承回路的主要性能。分析与测试结果表明,在支承系统频带内,支承刚度特性与控制器参数及气膜阻尼系数密切相关;同时,改变预载电压可以在较大范围内在线调整加速度计的量程和支承刚度等指标。

星载静电加速度计加转回路建模与分析

新型等效原理实验通过检验两个相同材料但自旋运动有显著差异的宏观物体的自由落体运动来验证等效原理可能存在的破坏。根据新型等效原理空间实验的科学目标,提出了一种星载差分静电加速度计方案,设计了基于可变电容式电机原理的静电加转回路;在分析了作用于转子上的静电加转力矩、残余气体阻尼及磁场阻尼的基础上,建立了转子加转回路的动力学模型并进行了仿真分析;仿真结果表明,启动过程使转子达到目标转速(10 000 rpm)的启动时间为9.8天。静电加转方法可在电极筒上同时配置加转电极与悬浮电极,结构紧凑,同时避免了传统的异步电机加转产生的电磁干扰。

空间静电加速度计研究之进展

介绍了空间静电加速度计的发展过程和已经达到的精度。

静电加速度计对重力卫星平台的要求分析

静电加速度计是重力卫星的核心有效载荷,其非保守力测量精度是地球重力场反演任务成功执行的有效保证。文章分析了静电加速度计的测量信号以及对重力卫星平台的指标要求,重点指出满足这些要求应解决的关键技术,最后建议我国开展重力卫星研究。

用于新型等效原理空间实验检验的静电加速度计设计

等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一,在更高精度上检验等效原理是否成立可以预言新型基本相互作用力。新型等效原理是我国科技工作者提出的一种假设,通过检验两个相同材料但自旋状态不同的宏观物体的自由落体运动来检验等效原理可能存在的破坏。提出了一种面向空间检验新型等效原理的差分静电加速度计设计方案,给出了地面实验用原理样机的结构设计,对结构模态和温度应力进行了有限元仿真;依据支承刚度和量程约束条件,对径向和轴向静电支承控制回路进行了设计和仿真分析;建模分析了高真空下转子静电加转驱动回路的主要性能,仿真结果表明启动过程中达到目标转速（10^4 rpm）的启动时间为36.9 min。

静电加速度计标度因数和零偏误差标定

为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合非线性Batch估计算法,研究了静电加速度计标度因数和零偏误差标定。首先,充分考虑静电加速度计量测过程中可能出现的各种误差源并进行分析,建立了静电加速度计在动态设计良好并进入稳态后,卫星姿态稳定度优于0.01°/s,卫星质心保持精度优于2mm的情况下的量测模型。然后,将高精度地球引力场模型和静电加速度计量测数据代入非线性Batch估计算法的的动力学方程中,将GPS量测数据代入非线性Batch估计算法的量测方程中,建立了静电加速度计标定因数和零偏误差标定模型。最后,通过数学仿真验证了该方法的可行性,其标定精度可达到0.2%,具有一定工程应用参考价值。

高压悬浮静电加速度计地面测试隔振系统研究

静电加速度计是卫星重力测量、空间等效原理检验以及空间引力波探测的关键技术,在地面对其性能进行测试时,会受到地面振动噪声的限制。因此,设计地面振动隔离与抑制装置,对静电加速度计的地面测试与研究具有重要意义。文章对基于平动-倾斜补偿原理的隔振摆台开展了深入研究,搭建了一套基于平动-倾斜补偿原理的加速度计地面测试摆台,配合高压悬浮静电加速度计地面测试装置,实现了高压悬浮静电加速度计与摆台的联合地面测试,水平方向分辨率测试水平在0.2Hz附近达到了3×10^(-9)m/s^(2)/Hz^(1/2),噪声水平相较于直接在地面测试提高了两个数量级。

基于BP神经网络的静电悬浮加速度计温漂补偿研究

静电悬浮加速度计在运行过程中受到温度的影响,会在低频带与被测加速度信号耦合,导致输出产生漂移。为进一步提高其测量精度,提出了一种基于神经网络的温漂补偿方法。模拟静电悬浮加速度计实际在轨环境条件,在热真空罐中进行温控实验,采集测温点温度及其相对应的加速度计位移检测和反馈电压数据。利用BP神经网络的非线性映射能力,建立了关于静电悬浮加速度计的测温点温度与温漂影响的补偿模型。根据静电悬浮加速度计采集到的测温点温度数据,直接预测得到六个输出通道的温漂影响数据。实验结果表明,利用所提出的神经网络模型进行温漂补偿,能有效抑制静电悬浮加速度计的温度漂移。

基于DSP和FPGA的静电悬浮加速度计控制器设计

针对静电悬浮加速度计高稳定悬浮控制和极微小加速度信号处理需求,设计了一种基于数字信号处理(digital signal processor,DSP)和现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的加速度计控制器。该控制器采用DSP作为主控芯片,FPGA为辅助控制芯片。基于加速度计的工作特性,设计了一种加速度计工作模式切换控制策略,可根据加速度计当前工作状态,自动或者手动切换工作模式。基于加速度计的工作原理和测量需求,设计开发了基于FPGA的比例、积分、微分(proportional integral derivative,PID)控制算法和有限冲击响应(finite impulse response,FIR)滤波算法。为验证该控制器的控制性能,开展了地面高压悬浮实验。结果表明,该控制器及控制算法可以快速准确地实现加速度计稳定悬浮控制和模式切换,并且可以实现软件在轨重构和控制参数在轨更新,为后续重力场探测、空间引力波探测以及自主导航等提供了工程参考依据。

空间静电加速度计研究与应用

综述了空间静电加速度计研制中的关键技术,包括敏感探头研制、精密测量和控制、地面性能测试等,重点介绍了华中科技大学引力中心团队在高精度空间静电加速度计研制中的研究进展,并给出了多次空间飞行实验的结果,最后对静电加速度计性能进一步提高,以及对今后空间引力波探测中的惯性传感器设计与应用进行了展望.

静电悬浮加速度计在轨质心位置的最小二乘估计

本文使用国内首次搭载飞行的静电悬浮加速度计在轨数据与卫星姿态数据,对加速度计与卫星质心的相对位置进行了估计测量.文中分析得到,在卫星姿态机动时,加速度计的输入加速度主要来自于离心加速度及角加速度引入的线加速度.结合卫星姿态机动时陀螺仪的测量数据,使用最小二乘法对加速度计质心位置的三个分量进行了联合估计.结果表明:质心位置的估计精度达到约6 mm水平,主要受限于卫星平台条件和加速度计测量精度限制.利用本文方法对未来重力卫星任务进行了分析,若使用精度为1×10^(-10)m·s^(-2)加速度计以及2角秒分辨率的星敏感器,可将质心位置估计精度提高至4.6×10^(-6)m水平.

闭环点位置对静电悬浮加速度计性能影响研究

为研究差动电容式静电悬浮加速度计非线性、零偏、标度因数、噪声以及量程与闭环点位置的关系,推导了闭环点位置与上述参数关系的数学模型,分析了闭环点偏移来源。通过仿真和实验对比了闭环点调节前后系统非线性、零偏和量程,通过实验研究了闭环点位置波动对系统噪声的影响。仿真和实验结果表明,将敏感质量闭环点位置调节在机械零点附近可以降低系统非线性、零偏和系统噪声,并能提高理论量程。

基于八对差分电容极板的静电悬浮加速度计的设计

针对GOCE重力梯度卫星中使用的静电悬浮加速度计,对其采用的八对电容极板冗余设计的位移传感与反馈控制组合策略进行了讨论,并分析了其相对于CHAMP和GRACE重力卫星中使用的同类型加速度计的可靠度改善程度。

静电伺服微加速度计的量程设计

详细推导了静电伺服加速度计在定极板上施加直流偏压、交流驱动电压,动极板上有反馈直流电压和交流检测电压的情况下,检测质量(动极板)受到的静电力。通过对静电力的分析,得出静电伺服微加速度计的量程除了受系统能提供的最大静电力限制外,还需满足电刚度小于与机械刚度的条件,该电刚度是极板上所有的直流电压、交流电压产生的电刚度之和。离心实验证明,利用该原则设计的“叉指”结构静电伺服微加速度计的量程达到了设计值。该设计原则可以为此类加速度计的设计提供参考。

静电悬浮加速度计轴间耦合误差角的在线测量

静电悬浮加速度计轴间耦合误差角与悬浮质量块的平行度误差有关,而常规方法很难测量其大小和方向,故本文提出了一种变预载轴间耦合误差角在线测量方法。通过分析悬浮质量块平行度误差、耦合误差角、姿态角与静电力耦合的关系,推导了变预载法进行在线耦合误差角精确测量的原理和公式。设计了静电悬浮加速度计原理样机,并利用该样机对提出的测量方法进行了实验验证。实验测得X向对Y/Z向耦合误差角分别为-5.10×10-4 rad和2.36×10-5rad,与理论分析相符。该方法同样适用于Y向对X/Z及Z向对X/Y的耦合误差角的在线测量。上述结果表明该方法可以有效、精确地完成静电悬浮加速度计不同轴之间耦合误差角的在线测量。

一种地面用静电悬浮加速度计的误差分析及仿真

针对航空/航海重力及重力梯度测量、惯性导航等领域对高精度加速度计的迫切需求,提出了一种适合地面应用环境的高精度三轴静电加速度计方案。该加速度计敏感质量采用一种中心固定有一薄法兰盘的空心薄壁圆筒,圆筒内外侧与法兰盘两侧布置检测和加力电极。对影响静电加速度计性能的误差源及其作用机理进行了研究。基于MATLAB/Simulink,建立了一套三轴静电悬浮加速度计控制系统仿真模型,设计了加速度计的控制参数,并比较分别采用盘面电极与柱面电极作为敏感质量位移与姿态检测的测量电极时,典型误差源对加速度计标度因数的影响程度。仿真结果表明,采用柱面电极用于测量时标度因数稳定性可达10-9 V/g量级,比采用盘面电极提高了一个数量级。因此在工程中选择柱面电极作为敏感质量位移与姿态检测的测量电极。