歐空局通信衛(wèi)星OLYMPUS微重力加速度的在軌測量

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

2、歐空局計劃把這樣的設(shè)備安裝在其他的幾個航天器上，這些航天器要在歐空局的光通信有效負荷設(shè)計平臺SILEX發(fā)射之前發(fā)射。在這篇論文里，將會用實測的典型數(shù)據(jù)來描述OLYPUS上設(shè)備的運行情況。微振動環(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的水平，對設(shè)計光通信系統(tǒng)的跟蹤控制環(huán)路是很重要的。在軌測得的數(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)的時候，這項研究得到了一個不是很理想的的情況。測得的數(shù)據(jù)在125Hz的時候突然中止，而實際測得的數(shù)據(jù)有可能超過這一值。構(gòu)造一個適合這些數(shù)據(jù)的可能的

3、噪聲模型，如圖一中的模式一所示?；具\行的PSD/rad2/Hz頻率/Hz圖一 衛(wèi)星基本運行的PSD簡化的跟蹤控制環(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)計光通信有效負荷系統(tǒng)SILEX的平臺振動模型：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)計要求振動譜的在軌測量。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的一個終端，并將于1994年中期左右發(fā)射，因此，這樣的測量結(jié)果是不可用的。為了進行在軌測量，歐空局決定在1989年于KOUROU基地發(fā)射的衛(wèi)星OLYMPUS上安裝一個包括微重力加速度測試儀包裹。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微重力加速度的通信衛(wèi)星。2、PAX實驗PAX實驗的核心是一固定的微重力加速度測試基地。該基地屬于歐空局，由瑞士的CSEM公司依靠硅技術(shù)來經(jīng)營著。重力加速度的測量是通過使用不同的電容對彈簧質(zhì)量系統(tǒng)衰減偏移的測量來實現(xiàn)的。測量的范圍是

5、7;100mg，在0.5到1000Hz的帶寬上有5mg的衰減。這個設(shè)備安裝在OLYMPUS上，其原理框圖如圖三所示。三個微重力加速度測試儀安裝在PAX盒子里。1000Hz的信號在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個月。在1989年9月OLYMPUS的試運行期間，數(shù)據(jù)的接收是通過設(shè)在ESTEC的一個小型天線來完成的。PAX譯碼器連接在一臺HP9000的電子計算機上，用來預(yù)處理和保存測得

6、的數(shù)據(jù)。在總共大約7.5小時的時間內(nèi)，接收到了675兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。3、結(jié)果對于PAX系統(tǒng)，模擬信號是不可用的。圖四所示的是，在約10分鐘的時間內(nèi)通過一臺HP 3562A動態(tài)數(shù)據(jù)分析儀觀察到的光譜。從這個光譜和許多其他觀測的數(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的基本步進頻率；在300Hz處可以觀察到一個有趣的現(xiàn)象。大約每隔14秒，我們可以觀察到2-4個信號，如圖五所示。隨后可以由航天器最初的壓縮機證實，300Hz處的突起主要是由

7、SDAM的最小步進電流和發(fā)動機本身的干擾引起的，其另一個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。另一個高頻加速度源是推進器。圖七顯示的是一個單獨推進器點火時的振幅。圖八顯示的是在東-西航空站保持運行時推進器持續(xù)工作時的振幅。通過推進器的點火，可以觀察到波峰之間高達100mg的加速度。功率譜頻率/Hz圖四 測得的Y軸的PSD振幅時間/s圖五 SDAM現(xiàn)象中的一個脈沖振幅頻率/Hz圖六 微波開關(guān)的工作波形振幅頻率/Hz圖七 推進器點火時的波形振幅頻率/Hz圖八 航天器保持工作時推進器點火的波形測得的加速度是線性加速度。對于光學(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是接口部分的長度，w=2f.圖九所示的是，當l=10cm時測得的角度功率譜密度函數(shù)，OLYMPUS的線性加速度的測量是通過在約10分鐘的時間內(nèi)觀測得到的。圖十所示的是，助推器點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已測數(shù)據(jù)和計劃數(shù)據(jù)的比較頻率/Hz角PSD圖十 OLYMPUS某一時刻測得的數(shù)據(jù)和計劃數(shù)據(jù)的比較根據(jù)PAX試驗，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、每個信號都有一個短暫的持續(xù)，所以，在傳輸和觀察期間，信號將會以輻射擴散的形式顯現(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)十秒的推進器點火時的短暫的光譜。頻率/Hz加速度圖十一 航天器的加速度4、展望PAX對線性加速度的測量是通過面對衛(wèi)星平臺的地面測試站來完成的。因為光學(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正交的加速度而得到。但是，為了證實所測的結(jié)果，針對系統(tǒng)做一些假設(shè)是必要的。衛(wèi)星平臺上對某點的六度自由空間測量的另一個特征要求有六個不同的測量。因此，歐空局開始研制改進了的PAX設(shè)備，該實驗設(shè)備包括三套子設(shè)備，每套子設(shè)備有三個正交的加速度測試儀組成。有可能在衛(wèi)星Italsat F2、Locstar F1、Spot III上安裝改進的PAX系統(tǒng)。5、結(jié)論可以看出，對光通信載荷影響最大的振動干擾源是十分短暫的，這些干擾在地面上是無法精確的測量到的。在軌測量對光學(xué)有效載荷