空间高微重力主动隔振系统加速度测量研究

　　空间高微重力主动隔振系统是一套服务于我国未来空间实验室上有着高微重力水平要求的空间科学实验载荷的支撑平台。它采用磁悬浮主动隔振技术,帮助载荷实现高于目前“神舟”系列飞船上的微重力水平,为空间科学实验载荷提供更好的实验环境保障。该系统由定子和浮子两部分组成(见图1),定子是系统的支撑单元,由底板和四块侧板构成,而浮子是科学实验载荷的定位安装台。浮子和定子之间通过脐带线(主要是电缆线)相连,脐带线是定子传递给浮子扰动的唯一途径。

　　为了对浮子(包括试验载荷)进行有效的振动隔离,隔振系统采用惯性加速度和相对位置双回路测量的主动控制方案(见图2)。方案采用惯性加速度测量回路,通过浮子上的多个加速度计测量其惯性加速度,同时采用相对位置测量回路,通过三套分体式位移传感器来感知隔振对象与定子之间的相对平动和转动,将测量结果反馈给控制器后按照既定控制策略驱动致动器提供作用力来抵消隔振单元的运动实现振动隔离。

　　要控制载荷达到理想的微重力加速度水平,首先要精确测量载荷的空间运动。本文主要侧重浮子加速度测量与加速度计的配置。采用多个线加速度计测量刚体的线加速度和角加速度的方法在上世纪六十年代就由Victor[1]提出。目前,该方法常见于无陀螺捷联惯导系统的研究中。布局上通常在远离载体质心位置的三维空间上配置6~12个线加速度计,多于6个的加速度计配置方式变化很多,其目的是获得更多的冗余信息来提高角速度的解算精度[1-4]。然而,空间高微重力主动隔振系统上的载荷运动是空间微振动,对线加速度测量的精度要求较高。这需要对加速度计配置和加速度测量做新的研究。

　　1　刚体动力学基本原理

　　设P是刚体上的一个固定点(见图3),其在刚体坐标系B下的位置矢量为rOP刚体坐标系B相对惯性坐标系N的转动角速度和转动角加速度矢量分别为ω和ω·。

　　根据刚体力学原理有

　　其中:ap表示P点在惯性坐标系下的线加速度矢量;aO表示刚体坐标系原点O(可以取在质心)在惯性坐标系下的线加速度矢量。

　　如果在P点安装一个单轴线加速度计,那么沿加速度计敏感轴方向θ的输出值A可表示为:

　　假设aO,ω相对刚体坐标系而言,且有:

　　在安装位置r1,…, rn处分别安装敏感方向为θ1,…,θn的n个加速度计(ri,θi也是相对刚体坐标系而言的),加速度计输出值分别为A1,…,An。那么,根据式(2)得到:

　　其中Ω为ω的反对称阵,有:

　　根据式(3),进一步得到: