[发明专利]一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统及定位方法

说明书

一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统与定位方法，定位系统包括面内剪切波压电传感器(1)、数据传输线(2)、电荷放大器(3)和数据处理单元(4)。面内剪切波压电传感器(1)胶接固定在航天器结构(5)的内表面，多个面内剪切波压电传感器(1)组成传感器阵列，经数据传输线(2)与电荷放大器(3)连接，电荷放大器(3)经数据传输线(2)与数据处理单元(4)连接。撞击发生后，数据处理单元(4)实时采集面内剪切波压电传感器(1)的数据，定位系统通过面内剪切波SH0波和四点几何定位方法进行空间碎片的撞击定位，可实现撞击位置的高精度定位。

技术领域

本发明属于航天器结构健康监测领域，涉及一种航天器外壳体遭受空间碎片撞击的定位系统与定位方法，利用空间碎片撞击航天器壳体结构所产生的面内剪切波对撞击位置进行定位，具有较高的定位精度。

背景技术

随着人类航天活动的不断发展，空间碎片环境持续恶化，这给长寿命航天器的在轨运行安全造成了极大威胁。

对于航天器遭受空间碎片撞击的感知与定位技术主要包括基于声发射技术的感知定位、基于加速度计的感知定位、基于热成像的感知定位、基于光纤传感器的感知定位、基于电阻膜的感知定位、基于电磁波发射技术的感知定位和基于光学相机的表面检测等。综合考虑空间环境适应性、系统集成性、技术成熟度和经济性等因素，基于声发射技术的感知定位的综合性能表现最优，成为航天器结构健康监测领域的研究热点。

目前，基于声发射技术的感知定位系统主要是通过采集空间碎片撞击航天器壳体结构所产生的Lamb波进行感知与定位的，但是Lamb波在航天器壳体内的传播速度与频率和壳体厚度有关，因此在传感器数量一定的前提下，系统定位精度不高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统与定位方法，通过面内剪切波型压电传感器采集撞击引起的SH0波进行空间碎片的撞击感知定位，利用SH0波的波速在同一种材料里的波速恒定，并与波的频率和壳体厚度无关的特点，实现了撞击位置的高精度定位。

本发明的技术解决方案是：一种航天器遭受空间碎片撞击的定位系统，包括面内剪切波压电传感器、电荷放大器和数据处理单元，其中面内剪切波压电传感器固定在航天器结构的内表面，多个面内剪切波压电传感器组成传感器阵列，电荷放大器将各个面内剪切波压电传感器获取的信号进行放大后送至数据处理单元；所述的数据处理单元根据各个面内剪切波压电传感器采集信号最高峰值出现时刻的先后顺序，将面内剪切波压电传感器位置进行临时编号，并将前四个面内剪切波压电传感器位置分别记为A、B、C、D，将四处采集到的信号最大峰值出现的时刻分别记为t_A、t_B、t_C、t_D；然后以位置B为中心，以r_B＝v×(t_B-t_A)为半径作圆，其中v为面内剪切波波速，以位置C为中心，以r_C＝v×(t_C-t_A)为半径作圆，以位置D为中心，以r_D＝v×(t_D-t_A)为半径作圆，然后作三个圆的最小半径公切圆，圆心位置记为O；若距离|OA-v×t_A|≤δ，δ为可允许的定位误差，则判定O为撞击定位结果；否则根据各个面内剪切波压电传感器采集到的第二峰值出现的先后顺序，将面内剪切波压电传感器位置进行临时编号，重新将前四个面内剪切波压电传感器位置记为A、B、C、D后重新画圆并继续判断，每重复编号画圆定位一次，若定位不成功，则顺序使用更小的峰值进行下一次判断，直至满足距离|OA-v×t_A|≤δ后将位置O作为撞击定位结果。

一种航天器遭受空间碎片撞击的定位方法，包括如下步骤：

(a)在航天器结构的内表面布置面内剪切波压电传感器，多个面内剪切波压电传感器组成传感器阵列；