[发明专利]一种面向高精度自主导航的复合无拖曳模式实现装置及方法

说明书

本发明提供了一种面向高精度自主导航的复合无拖曳模式实现装置及方法，包括激光器阵列、激光光束整形装置、检验质量块、光电转换阵列、数据处理模块、航天器腔体和输入窗。激光光束整形装置将激光器发射的光束均分为左右两部分，整形后得到矩形光束，并分配到输入窗；矩形光束分别通过左输入窗和右输入窗进入航天器腔体内，由光电转换阵列探测；光电转换阵列将探测到的光信号转换成电信号输出功率给数据处理模块；数据处理模块根据两个不同时刻的功率之差和检验质量块的相对位置之间的关系解算检验质量块的相对位置和相对加速度大小。本发明采用纯光学测量手段，能够同时完成相对位移和非保守力加速度的测量，提高对检验质量的干扰抑制。

技术领域

本发明涉及无拖曳卫星系统技术领域，具体涉及一种面向高精度自主导航的复合无拖曳模式实现装置及方法。

背景技术

无拖曳卫星主要由检验质量和卫星本体构成。检验质量位于卫星腔体内部，卫星腔体相当于一个屏障，它能屏蔽外部环境干扰，因此理想情况下检验质量只受引力的作用，它所在的轨道即为纯引力轨道。而卫星本体由于受到外部环境扰动，会与检验质量产生相对位移，卫星通过推进器产生的推力来使自己跟随检验质量块，即卫星的质心和检验质量的质心始终保持重合，那么卫星本体也能运行在纯引力轨道上，实现无拖曳飞行。无拖曳卫星以其低干扰的独特优势，可以为空间任务或精密科学实验提供超稳、超静实验平台。

相比于传统的导航方式，自主导航能够摆脱对地面测控系统的依赖，提高自主生存能力。卫星自主导航系统的位置和速度信息的确定，通常是利用外部环境扰动下的导航系统模型，采用估计的方法来确定的。但由于卫星运行在复杂的太空环境中，会受到许多干扰影响，这些干扰有的是已知的，有的是未知的，这使得卫星的轨道动力学模型无法准确描述出来。为实现卫星的高精度自主导航，并做到长时间的轨道维持和高精度的轨道预报。一个有效的方法便是采用无拖曳控制技术对卫星进行实时位移控制，并对卫星非保守力加速度进行测量，以建立更完善的导航系统模型。

根据检验质量是否受到主动控制，以及与卫星本体之间的相互跟踪方式，无拖曳卫星的工作模式可以分为位移模式和加速度计模式两种。位移模式下卫星能运行在纯引力轨道上，因此能做到长时间的轨道维持；而加速度计模式下卫星能对所受非引力干扰加速度进行读出，从而用于高精度的轨道预报。出于具体的任务需求，大多数无拖曳卫星只是单一的位移模式或加速度计模式，无法很好地兼顾二者。因此，为了要实现高精度自主导航中的长时间轨道维持和高精度轨道预报，结合位移模式和加速度计模式的复合无拖曳模式是重要的实现手段。

现有技术中，空间引力波探测计划LISA采用同一套静电悬浮测量系统，在非科学测量阶段，处于加速度计模式下用于质量块的状态调整；而在科学测量阶段，仅工作在位移模式下用于检验质量的相对位置测量。地球重力场测量卫星GOCE通过更改加速度计配置的方式，在原有无拖曳控制的基础上，还能实现加速度计工作模式。GOCE在每一个轴上沿质心对称分布两个静电悬浮加速度计。同一维方向上的非引力干扰加速度，可以通过对称安装的两个加速度计来得出。美国斯坦福大学在模块化引力参考敏感器的基础上通过改进，提出了具备无拖曳性能的加速度计装置，具体采用差分光学影像传感器与静电悬浮加速度计相结合的配置，前者是用光学的手段对检验质量的相对位置进行测量，后者则用于加速度的测量，该装置能够在位移模式和加速度计模式之间切换使用。

但是根据高精度自主导航的科学任务需求，需要同时实现位移和加速度计两种模式，且加速度测量时不能够破坏检验质量的无拖曳飞行。此外，现有无拖曳卫星中加速度测量均采用静电测量方式，其易受灵敏度的限制，附有电极片的腔壁与检验质量之间的间隙要足够小，但是间隙变小会增大作用在检验质量上的干扰力，同时增大相对位置控制的难度。静电测量方法还会引入干扰，在检验质量上产生静电反作用力。光学测量方法可以增大检验质量与航天器腔体的间隙，这对干扰力的抑制有帮助，同时有利于航天器与检验质量相对位置的控制。但是主动的光照会对检验质量造成光压干扰力，需要仔细控制投射光的功率，并保持光照的均匀性和对称性。

发明内容