空间飞行器加速度计自动校准的制作方法

专利名称:空间飞行器加速度计自动校准的制作方法
本发明与空间飞行器导航有关，更具体地讲是为飞行器上导航加速度计的校准提供一种系统和方法。
目前，对空间飞行器导航的需求越来越多。以前，空间飞行器的导航是用于获得一个理想轨道和为维持该轨道而进行临时修正。但是，近年来，象多年飞行任务的出现，需要自动变轨或再入到远距离目标。这些程序飞行要求导航系统能够保证与目标相遇。这远比维持轨道要复杂的多，同时也远比为获得理想轨道所设计的导航系统要持久的多。
发展这种持久性导航系统所面临的一个挑战，是保持其相对于参照物的惯性坐标系的校准。无疑，要在地面或其它远距离站的一个常规基准上完成这一校准是不实际的。
一种导航方法是将三轴加速度计固定在远载火箭或空间飞行器的陀螺稳定平台上。陀螺稳定的三轴加速度计提供了加速度曲线，而这一曲线的一次积分，即可得到在已知坐标系中飞行器的速度曲线，二次积分即可得到位置曲线。所获得的这些曲线可用于达到精心选定的导航目标。陀螺的特性可以保持加速度计的瞄准。这种方法已被有效地应用在制导卫星上升到某一预定轨道中。
这种装置受发射载荷、极端的空间环境条件、机械变形，其它作用力以及无补偿随机漂移率和偏差方面的机械限制，它们限制了这种装置陀螺的长期精度。因此，第一次达到轨道之后，当根据飞行任务要求精选导航月数或年数时，陀螺上的加速度计装置就不能认为是令人满意的装置。这样，这种系统就需要加速度计的远程校准，如果这种校准能够提供的话。另一种系统要求在陀螺平面上安装专用天体跟踪系统，用以实现陀螺的调正和校准。还有其它系统，象康妮麦克卢尔，霍尔1960年发表的“惯性制导理论”中第286～291页中所讨论的“捷联式”方法。
自旋的空间飞行器有更多的，诸如姿态和章动敏感器的永久性方位测量辅助设备。但是，它们一方面很适合保持和调整姿态，但却又不能适合广泛的空间飞行器的导航。换句话说，它们不能轻易地取代加速度计，在推进阶段提供瞬时加速度曲线。
导航惯性坐标系的重新排定的系统和方法，能使这种系统提供自身校准，并能实质上是自主地延期工作，而不受导航陀螺的限制。这种系统应该具有在延长轨道周期后能操纵指令，导向目标的能力。
一个自旋稳定空间飞行器包括一个平面和一个旋转体。旋转体上的一对园周形布置的三轴加速度计，为导航提供加速度曲线。依照这项发明，与空间飞行器的角动量
h(图1)相关联的每一加速度计的径向校准是在静止期内完成的，而轴向校准则是在推进期内完成。
用一对园周形布置的加速度计，使得旋转产生的加速度分量数值上相抵消。其他非平移周期分量可通过时间平均或其他方法过滤各个加速度计的读数使其相约。因此，所关心的加速度分量，即称为向心的及轴向平移分量能够被分离出来，从而允许对加速度计进行校准。
相抵消的特性是有赖于两个加速度计的位置和方位。当加速度计在旋转体上处于正好相对的位置，且其各个轴是同方位时，数值计算可以大大简化。用这种方法加速度计的读数可以简单相加，用平均或其它过滤方法，以约去每个加速度计读数的旋转分量。
在静止期间，一个在轨道上是自旋稳定的空间飞行器可以忽略非重力加速度，章动和进动。在静止状态，轴向和切向加速度分量是可以忽略的。一个加速度计上的非零切向或轴向加速度读数，可以通过调整一个平面，使其垂直于角动量矢量
h，作为误差信号处理成为零。
在有大的轴向加速度分量的推进期间，位于加速度计处的加速度可以进行数值合并，以便消去由于力矩等原因引起的非平移、自旋周期性的加速度读数。其它非轴向的、周期性分量(如章动分量)一般即可用时间平均方法或数字滤波方法化为零。这样，通过调整角动量
h的径向和垂直方向，将合成的非零读数，作为轴向或切向加速度误差信号给予修正。推进期是发生在初始上升阶段，南北位置保持阶段，轨道校准时期，如有必要的话，也可发生在为加速度计校准所进行的机动时期。
为了备份和提高灵敏度，可以增设完全相反的第二对加速度计。第二对的每一个完全相反的加速度计位于相距第一对的每一个相应加速度计的四分之一园周处。这样，一个与旋转体的向心力相比很小的力，因不易作为第一对加速度计的径向分量进行测量，但可以由第二对加速度计作为切向分量测出来。如果一个加速度计失效，剩下一对仍可保留其导航功能。
依照以上的描述，一个安放在陀螺基准内的加速度计星上校准导航系统及方法就给定了。加速度计是为主导航任务而设置的，并且其长期误差低于陀螺仪。但当提供了远程校准以后，在获得初始轨道之后，星上校准设施可确保几个月或几年的自主导航能力。它主要依赖于星上星历表程序的完整性，敏感器的精确度，及与时间无关的星上姿态测定分系统。
图1表示的是依照这项发明，一个固定有加速度计的自旋稳定空间飞行器的旋转体。
图2是依照这项发明的导航系统方框图。
依照这项发明，如图1所示，自旋稳定空间飞行器的旋转体10，装有一对加速度A，C。加速度计A，C在静态轨道期是径向定位，而在推进期则为轴向定位。由于加速度计是园周形布置，其读数可合并，从而抵消自旋周期分量和向心加速度分量。其它非轴向周期性分量(如章动)，一般可用时间平均方法归到零，或其它滤波方法变成所关心的独立变量。
为了计点简便，加速度计A，C是径向相对安装的。例如环绕着旋转体10呈180°园周式布置，并且它们的各个轴分别是同方位的。但是，这项发明提供了间隔式园周式布置方案及相对方位。第二对加速度计B、D则用于提高灵敏度和作为备份。
尽管图中只表示了旋转体10和加速度计A，B，C，D，但是，我们可以理解到一个典型的自旋稳定空间飞行器应包括一个装载有许多有关完成飞行任务所需的设备的平台。这个平台是相对反旋的而旋转着的旋转体10为空间飞行器提供方向的稳定性。当然，象要求旋转的姿态敏感器等设备就被固定在旋转体10上。
空间飞行器的直线运动由速度矢量
v描述，而带有旋转体10的空间飞行器的位置由空间飞行器相对于参照物的惯性坐标X、Y、Z的质量中心cm的位移矢量R。来表示。通过质量中心cm的是空间飞行器的主轴或称几何轴X，Y，Z。后者是空间飞行器的旋转轴子。
瞬时自旋矢量
与自旋轴子不重合，如同有章动时一样。章动，更通俗地说是摇摆，它一般是不希望有的。因此，章动阻尼被广泛采用。在没有章动和其它干扰因素情况下，
和子轴是重合的。
在静态期间，例如在旋转体自旋时而没有章动，进动或推力时，角动量
与自旋轴
和旋转矢量
是共线的。但是
会由于方向偏离瞬时负量中心cm的推进力
的作用而偏离自旋轴
Z和自旋矢量
。
角动量
尤其重要，这是因为它的方位可利用天体，如恒星，太阳、月亮、地球来精确地确定。而天体特性敏感器安装在旋转体上。例如，一个恒星灵敏器可以确定相对于惯性坐标的空间飞行器角动量方向其精度在2角秒内。因此，依照这项发明，在惯性空间的加速度计的瞄准可以通过校准加速度计与空间飞行器的角动量
的关系来精确地确定。
在解释加速度计A、B、C、D的校准之前，先用图2解释一下它们在导航模式中的用途。当加速度计提供加速度曲线时，恒星和行星敏感器12提供姿态和角动量数据。这个数据是由星载数据处理器14测得的，以决定轨道变化和姿态。未处理的数据，也可以借助于跟踪，遥测和遥控(TT+C)舱16发往地面数据处理站。
地面站可以根据飞行任务编制TT+C16舱程序，由贮存有实时轨道和姿态数据的数据处理器14，将程序要求值和实时数据进行比较，以决定出适当指令给推进系统18。推进系统18的动作反馈给星上的数据处理器14，以更好地调整推进指令和它们在轨道姿态上的效果。推进系统18对自旋空间飞行器动力学20的作用，反映在加速度计对A，C和B，D的读数上。
为方便起见，加速度计按径向相对成对配置。这将引起加速度的向心和自旋周期分量。这种加速度分量是由于旋转体旋转引起的，而不是空间飞行器直线运动(可以相消)引起的。因此，由合并一对加速度计的数据，计点补偿或滤出其它的(如章动)周期性分量，可以直接获得由推力产生的直线加速度曲线。加速度曲线可以积分一次获得速度，而二次积分获得位置曲线。用这样的方法，每一对加速度计A，C和B，D，可以提供的信息，对复杂的导航任务是足够的。
除了提供备份外，第二对加速度计B和D还提供了更高的灵敏度。因为成对加速度计彼此之间相对正交排列，一个相对于一对加速度计是径向的力，相对于另一对加速度计就是切向的。一个轨道修正的径向推力脉冲与正在进行中的径向力相比，数量上是很小的，因此，很难被相对此脉冲来说是径向位置的加速度计测出。但是，一个相对于径向位置四分之一园周的加速度计能以很高精度测得此脉冲。这是因为正在进行中切向力是标准的零。不应该掩盖希望有的那样大小的径向脉冲力的效果。
但是，加速度计A，B，C，D的实用性是以它们的方位相对于一个惯性系是明确已知为前提的。本发明提供了关于相对于象下面所注明的那样一个惯性系的精确的校准方法。
加速度计A，B，C，D的每一个都是一个三轴加速加速度计，包括三个相互正交的一维加速度计。一个称为径向轴ar，一个称为切向轴at和一个称为轴向轴aa。三个轴彼此间可靠的和刚性地配置，因而可以假定当其中的两个轴正确调整后，那么第三个轴也就调整完毕。因此，问题就简化为相对于一个角动量
，来调整每一个加速度计的两个轴。而这个角动量在惯性坐标系里的方向可以从恒星或行星敏感器12的读数中得到。
需要调整的两个轴为径向轴和轴向轴，切向轴的校准自动完成。径向的校准是在飞行器处于静态时完成的，而轴向校准是在推进阶段完成的。因为静态是常态，很容易认为径向校准首先发生，随之发生的是轴向调整，然后是切向校准。但是，从概念上讲，这同时也与本发明相吻合，轴向校准先于径向校准，从而导致切向校准。
径向校准发生在静态期间，这种静态就是如上所述的，旋转体的本义就是转动，但是摄动，章动或进动是任意有的。在这种情况下，自旋轴Z，自旋向量
和角动量
是应被校准的。而在每一加速度计的位置上，轴向和切向的加速度分量为零。换句话说，相反的两个加速度计的读数可以加起来，因而，径向分量就加倍，切向加速度分量相抵消。因此，一对被正确校准的加速度计给出一个真实的径向的读数，而切向和轴向的读数为零。
任何切向或轴向不为零的读数，将作为一个误差信号，并由数据处理器14转换成为校准修正指令，通过TT+C舱执行，这种修正是由发出指令移动加速度计所在的机械支点完成的。但是，电子补偿优于机械的补偿，这样有利于运用星载的数据处理器14的记忆功能。
实施径向校正时，空间飞行器不需要完全处于静态。以下描述的隔离轴向加速度消除装置，可以用来补偿静态偏差。例如，章动可以对章动环球平均值来进行计点，或者进行章动补偿测量，并调整相应的加速度数据。然而实际上，为了径向校准，所要求的静态程度是可以达到的。
轴向校正是在推进期
F≠0实现的。这些可以首先由地面发出改变轨道和姿态或其它参数的指令。指令是借助于TT+C舱16送给推进系统18，依次影响空间飞行器动力学20，其影响是从加速度计A，B，C和D的读数中反映出来的。每对加速度计的读数相加，消去或补偿飞行器的进动或章动引起的周期性加速度分量。然后，积分若干圈，以得出沿三对对应加速度计的轴对中的每一对速度变化数据2(△Vi)，i＝1，2，3。
由于△Vi的非平移分量大部分被抵消，它们的值被用来显示推力
的有效的轴向分量
a。推力
的径向分量，实质上因旋转平均变为零。
a与h的平均方向平行。因此，每个加速度aa的调整，可以通过把径向和切向的读数调零来完成。假定径向校准已精确完成，每个aa轴在相应的切向轴at的调整过程中自动校准。
径向校准可以象所希望的那样经常地方便地完成，而轴向和切向的校准应在南北位置保持机动期间进行，以达到最大的校准灵敏度。
不同的途径都可以达到类似的效果。轴向校准包括使轴向轴方位达最大值而不是使径向和切向轴方向归零，虽然这是低灵敏度的方法。另外，直径方向上相对放置的加速度计不需要同方位。例如，一对加速度计中的每一个，其径向轴可以指向自旋轴，而它们的切向轴相互平行。在这种情况下，增加读数能抵消非平移向心加速度分量，虽然这是低灵敏度的方法。
根据前面所述细节，提供了一个改进了续航时间和导航能力的空间飞行器自主校准的导航系统。有许多改进和变化的技术公开具体方案可由本发明完成例如，不同加速度计的相对位置和方向，涉及到的不同数学方法已经找出，因而，本发明仅仅限制在下列专利要求书范围内。
权利要求
1.一个具有自动导航加速度计较准的空间飞行器包括一个自旋稳定的空间飞行器，它有一个平台和一个有自旋轴的旋转体；一对三轴加速度计，园周形地布置在上述旋转体上；用于对上述空间飞行器施力，引起包括实质上是平移的轴向分量在内的加速度的装置；前述空间飞行器处于静态时，对每个加速度计径向校准误差进行测定和修正的装置；在上述空间飞行器处于在所述的轴向有一个实际分量的加速情况下，测定和修正每个加速度计轴向校准误差的装置。
2.权利要求
1中，空间飞行器的进一步特征在于所述加速度计是在相对于上述自旋轴来说实质上是完全方向相对安装的。
3.权利要求
2中的空间飞行器的进一步特征在于所述加速度计的各个轴是同方位的。
4.权利要求
2中的空间飞行器至少包括第二对在所述旋转体上的彼此相对的，完全相反安置的加速度计，所述第二对加速度计中的每一个实质上安置在距所述第一对加速度计中每一个四分之一园周的位置上。
5.具有可控推力器沿轨道自旋稳定的空间飞行器有一个平台和一个围绕自旋轴旋转的旋转体，这种飞行器受动力学不稳定性影响，导致参考座标系不一致，空间飞行器的三维参考系的重新校准方法包括下述步骤(a)在旋转体上，至少配置一对加速度计，它们各自的位置相对前述的自旋轴来说是离开的，彼此相对成园周形配置，每个加速度计对于旋转体各自的敏感加速度来说，有三个敏感轴。(b)当空间飞行器在没有推力作用时，校准相对于上述自旋轴径向的加速度计，(c)当空间飞行器在有推力作用时，校准相当于上述自旋轴轴向加速度计。
6.权利要求
5所述的方法，对于步骤(a)，其进一步特征在于，所述的加速度计被安置在上述的旋转体的完全相对位置上。
7.权利要求
6，对于步骤(a)，进一步包括至少在上述旋转体的完全相对位置配置第二对加速度计，相对于上述的第一对加速度计中的每一个而言，第二对加速度计中的每一个在空间相隔四分之一园周配置。
8.一个自旋稳定的空间飞行器包括一个旋转体;一对在空间成园周排列和固定在上述旋转体上的三轴加速度计;从上述加速度计上获得的静态读数装置;由上述静态读数误差决定前述每个加速度计径向校准的装置;上述的径向校准误差的修正装置;从上述每个加速度计上获得推进态读数的装置;对上述加速度计的推进态读数进行数学合并和时间平均，从而得以推算轴向平移分量的装置;轴向校正每个所述的加速度计，从而使其轴向读数与推算的轴向平移分量相匹配的装置。
9.一种校准导航系统的方法包括下述步骤在旋转体上成园周状布置，安装一对三轴加速度计;从每个前述加速度计上获得静态读数;根据每个加速度计径向校准中的静态读数误差作出决策;修正在径向校正中上述误差;从每个加速度计上读出推进态曲线;用数字方法合并上述的推进态曲线，以抵消旋转的自旋周期对上述加速度计读数的影响，并且滤出上述推进态曲线，以抵消加速度的其他非轴向周期分量，从而得出推算轴向平移分量;对每个加速度计，决定其轴的方向以使推进态曲线相应于前述轴向平移分量，并进行精确校准。
专利摘要
一个自旋稳定的空间飞行器有一对安装在空间飞行器旋转体上的三轴加速度计，用来提供自我校准，持久和完善的导航能力。另加的第二对加速度计用来做备份和提高灵敏度。每对加速度计安置在旋转体完全相对的位置上，各自的轴共同校准。空间飞行器角动量h的方向由恒星和行星敏感器测出。
文档编号G01C21/16GK87105637SQ87105637
公开日1988年4月20日 申请日期1987年8月18日
发明者约弗尔德·穆雷 申请人:休斯航空公司