歐空局通信衛(wèi)星OLYMPUS微重力加速度的在軌測(cè)量

1、歐空局通信衛(wèi)星OLYMPUS微重力加速度的在軌測(cè)量摘要在歐空局的大型通信衛(wèi)星OLYPUS上，安裝了一套由三個(gè)正交的微加速度測(cè)試儀組成的設(shè)備。這次試驗(yàn)的目的是了解和觀察不同設(shè)備在太空中的運(yùn)行特性，和測(cè)量對(duì)光通信有效載荷有重要影響的的振動(dòng)水平。在1989年10月的此航天器的試運(yùn)行期間，大量的數(shù)據(jù)由ESTEC記錄下來。把測(cè)得的加速度的頻譜轉(zhuǎn)換成物體的基本的運(yùn)轉(zhuǎn)頻譜，再和以前對(duì)航天器Landsat測(cè)得的數(shù)據(jù)相比，可以看出，振動(dòng)的頻率包含有100Hz以上的高頻。振動(dòng)的主要干擾源，比如太陽能電池驅(qū)動(dòng)和火箭點(diǎn)火，在發(fā)射之前要精確的測(cè)量是不可能的。這也就證實(shí)了，在光有效載荷運(yùn)行之前的空間測(cè)量是必不可少的。因此

2、歐空局計(jì)劃把這樣的設(shè)備安裝在其他的幾個(gè)航天器上，這些航天器要在歐空局的光通信有效負(fù)荷設(shè)計(jì)平臺(tái)SILEX發(fā)射之前發(fā)射。在這篇論文里，將會(huì)用實(shí)測(cè)的典型數(shù)據(jù)來描述OLYPUS上設(shè)備的運(yùn)行情況。微振動(dòng)環(huán)境與光學(xué)有效載荷的規(guī)格通過分析后方可得出。1、介紹了解航天器上的微振動(dòng)的水平，對(duì)設(shè)計(jì)光通信系統(tǒng)的跟蹤控制環(huán)路是很重要的。在軌測(cè)得的數(shù)據(jù)第一次公布是在1984年，并在Hughes Aircraft公司推出的一項(xiàng)研究中使用，在把角振幅能量譜密度轉(zhuǎn)化成功率譜密度函數(shù)的時(shí)候，這項(xiàng)研究得到了一個(gè)不是很理想的的情況。測(cè)得的數(shù)據(jù)在125Hz的時(shí)候突然中止，而實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)有可能超過這一值。構(gòu)造一個(gè)適合這些數(shù)據(jù)的可能的

3、噪聲模型，如圖一中的模式一所示。基本運(yùn)行的PSD/rad2/Hz頻率/Hz圖一 衛(wèi)星基本運(yùn)行的PSD簡(jiǎn)化的跟蹤控制環(huán)路的開環(huán)傳遞函數(shù)如下：如圖二所示，作為控制環(huán)路帶寬的函數(shù)，兩個(gè)模型（模型二將在下文提起）之間的偏差是線性的，。根據(jù)選擇的噪聲模型，輸出的誤差可能會(huì)以十倍頻的規(guī)律的變化。偏差urad-2環(huán)路帶寬/RAD/S圖二 線性偏差因此，歐空局用如下的功率譜密度函數(shù)作為設(shè)計(jì)光通信有效負(fù)荷系統(tǒng)SILEX的平臺(tái)振動(dòng)模型：上式和圖一中的模式二很相似，其均方根值是16rad。光通信系統(tǒng)的工作性能被噪聲模式嚴(yán)重的影響著，這些噪聲主要由主航天器和跟蹤控制環(huán)路的最佳接收系統(tǒng)的容量(帶寬)產(chǎn)生的。最佳控制環(huán)路

4、的設(shè)計(jì)要求振動(dòng)譜的在軌測(cè)量。執(zhí)行該技術(shù)的任務(wù)衛(wèi)星將攜帶歐空局第一代光學(xué)有效載荷系統(tǒng)SILEX的一個(gè)終端，并將于1994年中期左右發(fā)射，因此，這樣的測(cè)量結(jié)果是不可用的。為了進(jìn)行在軌測(cè)量，歐空局決定在1989年于KOUROU基地發(fā)射的衛(wèi)星OLYMPUS上安裝一個(gè)包括微重力加速度測(cè)試儀包裹。OLYMPUS不僅僅完全是執(zhí)行此技術(shù)的任務(wù)衛(wèi)星的代表，而且還希望通過它來觀測(cè)微重力加速度的通信衛(wèi)星。2、PAX實(shí)驗(yàn)PAX實(shí)驗(yàn)的核心是一固定的微重力加速度測(cè)試基地。該基地屬于歐空局，由瑞士的CSEM公司依靠硅技術(shù)來經(jīng)營(yíng)著。重力加速度的測(cè)量是通過使用不同的電容對(duì)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)衰減偏移的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的。測(cè)量的范圍是

5、7;100mg，在0.5到1000Hz的帶寬上有5mg的衰減。這個(gè)設(shè)備安裝在OLYMPUS上，其原理框圖如圖三所示。三個(gè)微重力加速度測(cè)試儀安裝在PAX盒子里。1000Hz的信號(hào)在3.125Hz處被抽樣，經(jīng)過12bit的A/D轉(zhuǎn)換器以后，在用12GHz的載波以ASK的方式發(fā)送出去。圖三 PA X設(shè)備框圖PAX的重量是2.37kg，消耗的功率是6.3瓦，是由ESTEC和MATRA共同研發(fā)的，從開始研發(fā)到安裝在航天器上僅僅用了6個(gè)月。在1989年9月OLYMPUS的試運(yùn)行期間，數(shù)據(jù)的接收是通過設(shè)在ESTEC的一個(gè)小型天線來完成的。PAX譯碼器連接在一臺(tái)HP9000的電子計(jì)算機(jī)上，用來預(yù)處理和保存測(cè)得

6、的數(shù)據(jù)。在總共大約7.5小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，接收到了675兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。3、結(jié)果對(duì)于PAX系統(tǒng)，模擬信號(hào)是不可用的。圖四所示的是，在約10分鐘的時(shí)間內(nèi)通過一臺(tái)HP 3562A動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析儀觀察到的光譜。從這個(gè)光譜和許多其他觀測(cè)的數(shù)據(jù)可以推出，重力加速度在100Hz內(nèi)，大約每10Hz就增加10dB，在100-500Hz內(nèi)保持不變，在500Hz以上，大約每10Hz就減小10dB。在圖四中可以明顯的看到兩處尖峰：在2.2Hz處是SDAM的基本步進(jìn)頻率；在300Hz處可以觀察到一個(gè)有趣的現(xiàn)象。大約每隔14秒，我們可以觀察到2-4個(gè)信號(hào)，如圖五所示。隨后可以由航天器最初的壓縮機(jī)證實(shí)，300Hz處的突起主要是由

7、SDAM的最小步進(jìn)電流和發(fā)動(dòng)機(jī)本身的干擾引起的，其另一個(gè)加速度源來自微波開關(guān)。圖六顯示的是在OLYMPUS觀察到的最高的加速度。另一個(gè)高頻加速度源是推進(jìn)器。圖七顯示的是一個(gè)單獨(dú)推進(jìn)器點(diǎn)火時(shí)的振幅。圖八顯示的是在東-西航空站保持運(yùn)行時(shí)推進(jìn)器持續(xù)工作時(shí)的振幅。通過推進(jìn)器的點(diǎn)火，可以觀察到波峰之間高達(dá)100mg的加速度。功率譜頻率/Hz圖四 測(cè)得的Y軸的PSD振幅時(shí)間/s圖五 SDAM現(xiàn)象中的一個(gè)脈沖振幅頻率/Hz圖六 微波開關(guān)的工作波形振幅頻率/Hz圖七 推進(jìn)器點(diǎn)火時(shí)的波形振幅頻率/Hz圖八 航天器保持工作時(shí)推進(jìn)器點(diǎn)火的波形測(cè)得的加速度是線性加速度。對(duì)于光學(xué)有效載荷來說，角加速度更加適合。如果旋轉(zhuǎn)

8、體是無限剛性的，那么，把線性加速度轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)加速度就是無限接近的。通過PAX測(cè)得的功率譜密度函數(shù)和角旋轉(zhuǎn)的功率譜密度函數(shù)的關(guān)系如下式所示：式中，l是接口部分的長(zhǎng)度，w=2f.圖九所示的是，當(dāng)l=10cm時(shí)測(cè)得的角度功率譜密度函數(shù)，OLYMPUS的線性加速度的測(cè)量是通過在約10分鐘的時(shí)間內(nèi)觀測(cè)得到的。圖十所示的是，助推器點(diǎn)火所引起的短暫的角功率譜密度函數(shù)，300Hz突起來自SDAM。角PSD頻率/Hz圖九 OLYMPUS已測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)劃數(shù)據(jù)的比較頻率/Hz角PSD圖十 OLYMPUS某一時(shí)刻測(cè)得的數(shù)據(jù)和計(jì)劃數(shù)據(jù)的比較根據(jù)PAX試驗(yàn)，我們可以推導(dǎo)出航天器和光學(xué)有效載荷接口的線性加速度的頻譜。一般的，

9、每個(gè)信號(hào)都有一個(gè)短暫的持續(xù)，所以，在傳輸和觀察期間，信號(hào)將會(huì)以輻射擴(kuò)散的形式顯現(xiàn)出來。因此我們必須區(qū)分線性加速度的平均光譜和瞬間光譜。圖十一顯示的是，平均光譜和約持續(xù)十秒的推進(jìn)器點(diǎn)火時(shí)的短暫的光譜。頻率/Hz加速度圖十一 航天器的加速度4、展望PAX對(duì)線性加速度的測(cè)量是通過面對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的地面測(cè)試站來完成的。因?yàn)楣鈱W(xué)有效載荷的線性改變很重要，原則上，這些改變可以通過兩個(gè)正交的加速度而得到。但是，為了證實(shí)所測(cè)的結(jié)果，針對(duì)系統(tǒng)做一些假設(shè)是必要的。衛(wèi)星平臺(tái)上對(duì)某點(diǎn)的六度自由空間測(cè)量的另一個(gè)特征要求有六個(gè)不同的測(cè)量。因此，歐空局開始研制改進(jìn)了的PAX設(shè)備，該實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括三套子設(shè)備，每套子設(shè)備有三個(gè)正交的加速度測(cè)試儀組成。有可能在衛(wèi)星Italsat F2、Locstar F1、Spot III上安裝改進(jìn)的PAX系統(tǒng)。5、結(jié)論可以看出，對(duì)光通信載荷影響最大的振動(dòng)干擾源是十分短暫的，這些干擾在地面上是無法精確的測(cè)量到的。在軌測(cè)量對(duì)光學(xué)有效載荷