[其他]空间飞行器加速度计自动校准

说明书

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。