静电加速度计对重力卫星平台的要求分析

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1、第27卷第6期航天器环境工程20lO年12月SPACECRAFTENVIRONMENTENGJNEERING763静电加速度计对重力卫星平台的要求分析王本利，廖鹤，林晓辉(哈尔滨丁业大学卫星技术研究所，哈尔滨150001)摘要：静电加速度计是重力卫星的核心有效载荷，其非保守力测量精度是地球重力场反演任务成功执行的有效保证。文章分析了静电加速度计的测量信号以及对重力卫星平台的指标要求，重点指出满足这些要求应解决的关键技术，最后建议我国开展重力卫星研究。关键词：静电加速度计：保守力：重力场反演；重力卫星平台中图分类号：V416．8；TH824十．4；文献标识

2、码：A文章编号：1673-1379(2010)06-0763-05DOI：10．3969／j．issn．1673·1379．2010．06．0220引言地球重力场的探测研究是大地测量学研究的热点之一。随着静电加速度计的研制成功，卫星重力测量技术已成为可能，意味着获取高精度的地球重力场信息时代已经来临。精确的重力场信息结合探测到的地球物理信息将有利于了解地球内部构造，为将来成功预测重大自然灾害提供参考，对人类生活具有莺要的意义llJ。卫星重力测量技术可以分为卫卫跟踪12J和重力梯度测量两种模式【31。卫卫跟踪模式需要利用静电加速度计测量卫星所受到的非保守力

3、；对于重力梯度测量模式而言，重力梯度仪由相隔一定距离布置的多个静电加速度计组成，其差模输出反映了重力梯度信息，共模输出反映卫星的非保守力，此测量信息町以用来指导微推进器补偿卫星受到的非保守力，实现无拖曳控制【4J。国外已发射了多颗重力测量卫星。2000年7月发射的由德国研制的卫卫跟踪模式的CHAMPJJ-星【5

4、，2002年3月发射的由美国和德国共同研制的卫卫跟踪模式的GRACE卫星【6J和2009年3月发射的由欧空局研制的GOCE重力梯度-卫星17J。静电加速度计是重力：p星的核心有效载荷，其量测数据对于重力场反演【8J，大气密度模型确定【9】和卫星的

5、精密定轨110】研究有重要意义。由于近地空间非保守力的量级非常小，为保证静电加速度计的非保守力测量精度，对重力卫星平台的工作环境提出了严格的要求。1静电加速度计及测量输出分析1．1静电加速度计的构成静电加速度计的敏感结构主要由探测质量块和电极两部分组成，其中探测质量块位于中心部位，探测质量块的四周是电极，敏感结构通过外壳固定在卫星上，如图1所示。图1静电加速度计的构型图Fig．1Configurationofelectrostaticaccelerometer1．2静电加速度计工作原理首先建立静电加速度计和卫星的动力学方程。相对地心惯性坐标系而言，探测质

6、量块和卫星的运动动力学方程分别为‰=‰+瓦／‰，(1)屯=岛+名／眠，(2)式中：‰和冀。分别表示探测质量块和卫星的位收稿日期：2010．06．20：修回日期：2010—06．29基金项目：长江学者和创新团队发展计划(项目编号：IRT0520)作者简介：王本利(1944一)，男，教授，博士生导师，主要从事卫星总体技术研究。E—mail：wangbenli_1944@126．corn。764航天器环境工程第27卷移加速度；gpm和蕊。分别表示探测质量块和卫星的引力加速度；Rl。表示静电反馈控制力；R。表示作用在卫星上的非保守力；％。和胆。分别表示探测质量块

7、和卫星的质量。对于静电加速度计而言，在控制误差范围内，探测质量块和卫星始终保持相对位置不变，这意味着探测质量块和卫星具有相同的加速度，即民／‰=名／蚝。(3)因此，作用在探测质量块上的静电反馈控制力可以反映作用在卫星上的非保守力，这正是静电加速度计工作的基本原理【4】。大气阻力、太阳辐射光压和地面反射等非保守力是静电加速度计的探测对象。1．3测量输出分析静电加速度计在探测过程中会受到各种扰动的影响，主要包括来自内部的各种噪声和来自卫星平台环境的各种扰动，如图2所示。这些冈素对静电加速度计测量输出的影响分析可详细参考文献[11～14]。为了提高探测精度，需

8、要严格控制或消除这些因素影响。大气阻力希望观测卜+卅太阳辐射光压地球反射电容传感位移噪卢内部噪声H-纠静Ib刚度噪声平台环境系统不对称噪声卫星结构振动。I!星温度环境卫星质心偏移卫星姿态运动图2静电加速度计测量输出信号Fig．2DetectionoutputsignalofelectrostaticaccelerometerGRACE卫星团队公布的资料[15-161显示，总的非保守力测量误差为小于10。9m／s2。根据这个误差指标要求，来自卫星平台的振动频率不得超过静电加速度计1×104～l×10以Hz的频带范围；探测质量块和电极间温度差必须控制在O．1

9、K以内；探测质量块质心与卫星质心间的偏移量需控制在0．1mm以内，质心变化率需控