衛(wèi)星微振動檢測技術(shù)

田玉春，曹樂，樊尚春

(1.山東華宇航天空間技術(shù)有限公司，山東煙臺264000;2.北京航空航天大學儀器科學光電工程學院，北京100191;3.北京航空航天大學慣性技術(shù)國防科技重點實驗室，北京100191)

0 引言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，在利用衛(wèi)星進行遙感、偵察、精密定位等領域，測量精度需求不斷地提高，微振動測量與抑制技術(shù)已經(jīng)作為關鍵技術(shù)，得到了各國航空航天人的重視，包括我國在內(nèi)的各國航天機構(gòu)紛紛建立相關研究實驗室進行相關技術(shù)的探索，以尋求新的解決方案和技術(shù)途徑。

微振動一般是指結(jié)構(gòu)本體受到環(huán)境變化、外部沖擊力、其他工作機構(gòu)運動的影響產(chǎn)生的低g值振動。目前，常用的測量方式有基于應變效應的測量、光學干涉、激光振動測量、高精度機械加速度計，因其具有體積大、功耗高、成本高等因素，在航空航天應用中受到了一定的限制。隨著微機械技術(shù)的發(fā)展，采用高精度微機械加速度計進行微振動測量開始出現(xiàn)，隨著研究的進一步深入，可以預測，其將成為微振動測量的主要技術(shù)手段。

本文將以衛(wèi)星微振動背景和測量技術(shù)的發(fā)展為主線，介紹和分析微振動測量技術(shù)的發(fā)展狀況，最后就微振動測量技術(shù)發(fā)展方向給出建議。

1 衛(wèi)星微振動分析

衛(wèi)星廣泛應用在通信、偵察、遙感、導航等領域，其有效載荷包含高清攝像機、高清照相機、合成孔徑雷達、微重力微振動測量系統(tǒng)、星載計算機等關鍵設備以及作為能源來源的太陽能帆板、艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及反作用輪和機動動力系統(tǒng)等組成部分。各設備動作時會產(chǎn)生一定的慣性力矩，導致衛(wèi)星星體或者局部部件的轉(zhuǎn)動，通過星體連接結(jié)構(gòu)，影響有高穩(wěn)定需求的有效載荷，令其不能工作在高穩(wěn)定性狀態(tài)，進而影響其工作性能，在一定程度上限制了衛(wèi)星應用的發(fā)展。

2013年12月，周東強等進行了我國在軌遙感衛(wèi)星微振動測量試驗［1］，分別對星載主要活動部件以及活動部件對星載有效載荷的影響進行了測量，試驗結(jié)果表明:遙感衛(wèi)星上的主要干擾源有反作用輪和輻射計、散射計轉(zhuǎn)動機構(gòu);微振動的最大幅度已經(jīng)達到57 mg(0.56 m/s2)。表1給出了待測試遙感衛(wèi)星的主要活動部件的最大振動值。同時表明活動部件的動作會導致有效載荷的振動，且頻率響應不與動作部件完全一致。

表1 遙感衛(wèi)星主要活動結(jié)構(gòu)的微振動最大值 mg

2011年2月，李寧等人對航天器地面微振動測試方法進行了研究，給出了測試方法和測試方案，并對微振動傳感器性能進行了分析，通過實驗表明，滿足測量分辨力為10－4g的微振動傳感器能夠滿足其測試型號衛(wèi)星的微振動測量［2］。張振華等對國內(nèi)外的微振動研究方法進行了分析［3］，并對常見的干擾源部件進行了時域和頻域模型建立，給出了系統(tǒng)級的輸入輸出模型，對于航天器設計提供了一定的依據(jù)。

2010年，石俊霞等人對TDICCD相機成像質(zhì)量與衛(wèi)星微振動的關系進行研究［4］，研究發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星振動對TDICCD相機的MTF影響與相機本身的積分級數(shù)密切相關;同時，作者提出了基于快速CCD衛(wèi)星振動檢測方法和基于振鏡的衛(wèi)星振動補償方法［3］，實驗結(jié)果表明，通過抑制微振動，TDICCD分辨力顯著提高。

2006年，譚慶貴等人針對衛(wèi)星微振動對CDMA通信影響進行了力學振動分析，通過建立振動模型并結(jié)合波長、振動、碼速率等因素綜合分析，得出1550 nm波段更適合星間通信系統(tǒng)［5］。同時試驗分析表明，在碼率為622 Mbps的1550 nm波段通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星振動標準偏差 δ≥1.2×10－6時，星間難以實現(xiàn)通信。

衛(wèi)星微振動存在于衛(wèi)星系統(tǒng)之中，同時對星載設備的正常穩(wěn)定工作帶來了挑戰(zhàn)。針對星載設備自身穩(wěn)定性需求的不斷提高，尤其是在下一代星載設備規(guī)劃中其穩(wěn)定需求遠高于微振動的平均值，由此，一方面提高星載設備的自身抗振動能力，另一方面通過采取一定的措施抑制微振動的影響。對于后者，必須首先解決衛(wèi)星微振動的測量。星載微振動測量系統(tǒng)必須滿足星載載荷的低功耗、高精度、小體積、實時測量等需求，同時能夠適應高沖擊力、高溫差、高輻射等空間環(huán)境。從發(fā)展歷程上看，衛(wèi)星微振動測量經(jīng)歷了從傳統(tǒng)地面模擬測量、星載微振動實驗到微振動實時在線監(jiān)測等階段。本文將就微振動測量中常用的測量手段進行分析。

2 微振動測量技術(shù)

衛(wèi)星微振動測量是隨著星載高精密儀器的高穩(wěn)定性需求發(fā)展起來的關鍵技術(shù)，主要包括傳統(tǒng)光學測量方法、電容式非接觸測量方法和基于高精度加速度計的慣性測量方法。采用傳統(tǒng)測量手段能夠滿足測量精度的需求，但因其功耗大和體積問題，難以應用到星載設備上。上世紀80年代發(fā)展起來的MEMS加工技術(shù)，逐步出現(xiàn)了滿足高精度、低成本、低功耗等要求的微機械加速度計。隨著微機械加速度計的應用，美歐航天局利用微重力測量系統(tǒng)對在軌衛(wèi)星進行了大量實驗，實驗結(jié)果表明利用加速度計進行微振動測量的可行性。

2.1 光學測量技術(shù)

利用光學技術(shù)測量微振動是目前地面試驗中最為常見的測量方式，主要包括光纖激光自混合干涉方法和數(shù)字全息干涉方法。光學測量主要是依賴于激光的高穩(wěn)定性、高可靠性和一致性，借助于光學原理將微小振動位移通過激光干涉方法實現(xiàn)精密測量。

2009年，針對星載設備在真空環(huán)境中啟動時必然產(chǎn)生振動，直接影響到輻射定標的光學系統(tǒng)，進而限制了輻射定標的精度，向艷紅等人設計了利用激光干涉法測量星載設備微振動的測量系統(tǒng)［6］，其測量原理框圖如圖1所示。激光裝置發(fā)射出的激光束經(jīng)分光鏡分解成兩束等強光束，一路光束經(jīng)過透鏡聚焦入射到被測物體的表面，從被測物體的表面反射或散射回來的信號光束和另一路參考光束在光敏元件上產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，然后通過解算干涉波形即可獲得被測物體的振動頻率和幅度。

圖1 激光干涉法測量星載設備原理框圖

2.2 傳統(tǒng)機械測量技術(shù)

2012年，彭泳卿報道了一種專門測量航天器在軌微振動測量裝置［7］，其測量精度可達亞μm級水平，同時具有高靈敏度、高抗沖擊性，可同時進行三軸測量，能夠滿足航天航空高精度微振動測量。表2中給出了該微振動傳感器的主要性能指標。電容式微振動傳感器具有溫度穩(wěn)定性好、非接觸測量、頻率響應快等特點，在高精密測量中廣泛采用。

表2 電容式非接觸微振動傳感器指標

高精度靜電懸浮加速度計是衛(wèi)星等航天器的關鍵載荷之一，用來測量空間振動加速度、微重力加速度，具有靈敏度高、頻帶窄、適合低頻微弱加速度測量等優(yōu)點，得到了航天機構(gòu)的廣泛關注。圖2中，給出了靜電懸浮加速度計敏感結(jié)構(gòu)的實物圖［8］，表3給出了當前國外產(chǎn)品的性能指標。

2007年，清華大學給出了一款高精度靜電懸浮加速度計設計圖［9］，其敏感結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)設計參數(shù)，在量程5 g的范圍內(nèi)，測量分辨力可達10－6g。

圖2 靜電懸浮加速度計敏感結(jié)構(gòu)

表3 靜電懸浮加速度計成熟產(chǎn)品指標

圖3 清華大學靜電懸浮加速度計敏感結(jié)構(gòu)版圖

我國發(fā)射的載人航天航天器“神州”號，采用國產(chǎn)石英撓性加速度計作為核心器件進行飛船的瞬變加速度和振動加速度的測量［10］，其測量水平可達10－6g。其測量原理如圖4所示。根據(jù)測量結(jié)果分析，航天器振動幅度在10－6g以上，頻域相應一般在0～100 Hz之間，主要來源于飛船內(nèi)設備的干擾和各種干擾的動力學響應。

2.3 MEMS加速度計檢測技術(shù)

圖4 神州飛船微重力微振動測量原理示意圖

微機械加速度計技術(shù)是上世紀80年代發(fā)展起來的基于微納技術(shù)的高新技術(shù)，在硅等材料的基片上刻蝕結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)加速度計效應，其特點有批量成本低、體積小、功耗低、易于批量生產(chǎn)等，在航空航天領域微型化、微功耗、低成本的需求趨勢下，得到各國的高度重視，紛紛投入大量人力財力進行研發(fā)試制。微振動測量要求測量精度達到μg量級，針對此要求，以下分析介紹當前高精度MEMS加速度計和衛(wèi)星微振動測量應用的發(fā)展。

2011年，臺灣國立清華大學設計的一種高靈敏度高穩(wěn)定性的MEMS微機械加速度計［11］，其靈敏度為595 mV/g，等效噪聲水平為50 μg /2013年，清華大學設計的一款微機械加速度計靈敏度為650 mV/g，噪聲等效加速度為 23.17 μg/，非線性為0.098%。

2007年，由W T Pike等人提出的基于電容檢測的微機械加速度計［12］，通過采用質(zhì)量塊由疊加的中字型框架作為支撐，通過疊加支撐結(jié)構(gòu)，能夠在保證結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的基礎上增加檢測靈敏度，綜合實驗表明其檢測精度達到了10－8g / ■ Hz，能夠滿足衛(wèi)星微振動檢測需求，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

NASA最初使用美國高級微重力加速度測量系統(tǒng)(AMAMS)測量國際空間站的微重力。隨著測量的不斷深入，2001年，DeLombard等人利用準穩(wěn)態(tài)高精度加速度計測量的數(shù)據(jù)分析得到了國際空間站存在頻率低至0.01 Hz的微振動。該系統(tǒng)采用小體積、低功耗的微機械加速度計作為核心檢測器件，同時將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。目前，該項目已經(jīng)應用到多個航天任務和國際空間站的微振動測量。

在國外，已經(jīng)開始使用MEMS加速度計進行衛(wèi)星微振動測量并得到了大量的有效數(shù)據(jù)，實測數(shù)據(jù)說明MEMS作為衛(wèi)星在軌微振動和微重力測量的有效性和可行性。根據(jù)前面分析可知，我國當前階段，為了保證測量精度和可靠性，仍主要采用依靠傳統(tǒng)機械加速度計進行在軌衛(wèi)星微振動測量實驗的方案。因此，在保持傳統(tǒng)測量方案的同時，應大力發(fā)展MEMS技術(shù)。

圖5 采用疊加支撐結(jié)構(gòu)的MEMS加速度計

2.4 諧振式微機械加速度計

諧振式微機械加速度計是一種直接輸出頻率的新型加速度計，因其具有數(shù)字信號輸出、工作穩(wěn)定等特點，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)進行了研究。隨著新結(jié)構(gòu)、新檢測方式的出現(xiàn)，其測量精度正接近傳統(tǒng)高精度加速度計，就其性能指標而言，已可以應用于星載微振動測量。郭占社等人設計了基于音叉結(jié)構(gòu)的諧振式微機械加速度計［13］，結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。其基本原理是，當外界有一水平方向的加速度，由于慣性作用，采用柔性支撐的質(zhì)量塊沿加速度相反方向產(chǎn)生相應的位移，即在左右兩個音叉上產(chǎn)生一拉一壓的大小相等的作用力，從而令諧振梁的剛度發(fā)生改變，其諧振頻率也相應改變，通過檢測諧振頻率的變化可反推出外部加速度的變化，實現(xiàn)對加速度的測量。

圖6 諧振式微機械加速度計結(jié)構(gòu)框圖

2006年，韓國S.Seok等人采用真空封裝技術(shù)結(jié)合硅－玻璃陽極鍵合技術(shù)，設計制作了一款高性能諧振式加速度計［14］，該加速度傳感器通過加速度產(chǎn)生的慣性力改變諧振梁的剛度，從而起到改變諧振梁諧振頻率的目的，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。實驗表明，該傳感器諧振梁基準諧振頻率為24 kHz，測量靈敏度達128 Hz/g，最小可實現(xiàn)5.2 μg加速度的測量。

圖7 諧振式加速度計設計版圖

He Lin等人采用將 DETF的兩根諧振梁中部連接的方式，實現(xiàn)了兩諧振梁的振動相位正好相差180°，有效地避免了因加工工藝等因素帶來的諧振梁的參數(shù)不完全一致，為提高諧振梁的穩(wěn)定性提供了一種很好的解決方式，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。根據(jù)其報道［15］，該加速度計的靈敏度可達140 Hz/g，零偏穩(wěn)定性達4 μg，分辨力為20 μg /。

隨著MEMS加工工藝和結(jié)構(gòu)設計的發(fā)展，諧振式加速度計其性能指標將不斷提高，結(jié)合其高穩(wěn)定性、數(shù)字頻率輸出，將開始應用于星載設備微振動測量等領域。

3 結(jié)束語

圖8 諧振音叉中間連接結(jié)構(gòu)圖

本文通過對衛(wèi)星微振動的來源、作用機理等進行了分析，并通過實例說明了當前微振動已經(jīng)限制了衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展。在此基礎上，本文重點介紹了衛(wèi)星微振動測量方法，通過分析對比發(fā)現(xiàn)，檢測技術(shù)正在從傳統(tǒng)檢測方法向以MEMS技術(shù)為核心的低體積、低功耗方向發(fā)展，并隨著技術(shù)的發(fā)展，進一步走向更高精度的諧振式加速度計解決方案。針對我國衛(wèi)星振動檢測技術(shù)多是采用傳統(tǒng)檢測技術(shù)的現(xiàn)狀，為了滿足將來衛(wèi)星小型化、有效載荷進一步壓縮等需求，在當前微振動測量技術(shù)發(fā)展基礎之上，本文認為應重視以下幾個方面:

1)加快發(fā)展高精度微機械加速度計，并加快配套集成電路 (IC)設計研發(fā)進程，同時從結(jié)構(gòu)和電路處理兩方面提高微機械加速度計的性能;

2)研究直接輸出頻率的諧振式MEMS加速度傳感器，直接輸出數(shù)字信號，在此方向上縮短與發(fā)達國家的差距;

3)結(jié)合微振動測量技術(shù)，研究基于主動抑制的阻尼減振平臺，并進一步研究空間環(huán)境的微振動模型，從機理上提高微振動的檢測精度;

4)建立空間、地面微振動測試環(huán)境平臺，通過實驗方法獲得有效的減振模型。

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