静电悬浮加速度计在卫星导航应用展望

关键词：静电悬浮加速度计； 导航； 六自由度 中图分类号：Ｖ４７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４⁃７１３５（２０１８）０１⁃００３７⁃０５ Ｄ Ｏ Ｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４⁃７１３５．２０１８．０１．００７
Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｉｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ
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空间电子技术
２０１８ 年第 １ 期
１ 静电悬浮加速度计及其特性
静电悬浮加速度计是采用差分电容位移检测与 伺服静电力反馈方式工作，对传感器悬浮质量（ 静止 参考点） 和外围结构输入位移差获知相关摄动加速 度、速度、位移等信息的测量仪。 传感器的核心是由 检验质量与电极笼共同构成的敏感结构（ 如图 １ 所 示），检验质量四周围绕着电极，在 ３ 个方向上形成 差分电容检测的电极对，承载这些电极的结构称为 电极笼。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；Ｓｉｘ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ
０ 引言
随着技术和经济的发展以及军民融合战略推进 下民资注入航天器应用，专用小卫星将会得到大力 发展。 另有主动、被动失去信息支援的特殊任务飞 行器需要自主导航，这些飞行器由于微小特征，其自 主测量导航能力非常有限，利用静电悬浮加速度计 可解决小卫星高精度导航资源不足的困难，实现微
ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｑｉｎｇ， ＬＩ Ｃｕｎｈｕｉ， ＷＡＮＧ Ｚｕｏｌｅｉ， ＭＩＮ Ｊｉａｎ
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３１６４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｔｅｃｈ． Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１８１６，Ｃｈｉｎａ）
小卫星可感知六自由度摄动状况的基础上实现智能 化高精度控制以及自主生存飞行；同时，可为攻击、 侦查型飞行器长期在轨静默提供精密导航服务，助 其实现长达半年的长航时自主管理飞行。 利用高精 度加速度计实现轨道总摄动和推力矢量测量实时纠 偏，使飞行器飞行控制更加接近设计理论轨迹，更好 地为应用服务。
① 收稿日期：２０１７⁃１０⁃１８；修回日期：２０１８⁃０１⁃１６。 作者简介：张小青（１９６６—） ，高级工程师，研究方向为空间物理及技术应用。
空间电子技术
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静电悬浮加速度计在卫星导航应用展望①
张小青，李存惠，王佐磊，敏 健
（ 中国航天科技集团公司五院 ５１０ 所，兰州 ７３００００）
摘 要：通过对静电加速度计特征分析，研究提出了用其六轴高精度加速度测量输出参数进行空间飞行体自主 导航、长航时盲飞过程中加速度导航的可能性，并给出该过程实现的基本的工作模式。 研究分析了高精度轨道姿态 控制发展趋势，对静电悬浮加速度计导航应用的技术需求、导航用静电悬浮加速度计技术可行性、导航加速度计特 征和基本参数，及目前高精度静电悬浮加速度计导航的技术指标体系、同时实现大量程高精度测量、难以实现地面 验证等主要问题和解决措施等内容进行了为全面的讨论，并提出了初步的建议。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｐｒｏ⁃ ｐｏｓｅｄ ａ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｐａｃｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ ｂｌｉｎｄ ｆｌｙｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｉｔ＇ｓ ｓｉｘ⁃ａｘｉｓ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｕｔｐｕｔ ｄａｔａ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｒｂｉｔ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ ｍａｄｅ ａ ｔｈｏｒｏｕｇｈ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ａｄｖｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ＇ｓ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｂａｓｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｔａｒｇｅｔ ｓｙｓ⁃ ｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｉｎ ｇｒｏｕｎｄ⁃ｂａｓｅｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．
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图 １ 静电悬浮加速度计基本结构原理 Ｆｉｇ．１ Ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ