欧空局通信卫星OLYMPUS微重力加速度的在轨测量

1、欧空局通信卫星OLYMPUS微重力加速度的在轨测量摘要在欧空局的大型通信卫星OLYPUS上，安装了一套由三个正交的微加速度测试仪组成的设备。这次试验的目的是了解和观察不同设备在太空中的运行特性，和测量对光通信有效载荷有重要影响的的振动水平。在1989年10月的此航天器的试运行期间，大量的数据由ESTEC记录下来。把测得的加速度的频谱转换成物体的基本的运转频谱，再和以前对航天器Landsat测得的数据相比，可以看出，振动的频率包含有100Hz以上的高频。振动的主要干扰源，比如太阳能电池驱动和火箭点火，在发射之前要精确的测量是不可能的。这也就证实了，在光有效载荷运行之前的空间测量是必不可少的。因此

2、欧空局计划把这样的设备安装在其他的几个航天器上，这些航天器要在欧空局的光通信有效负荷设计平台SILEX发射之前发射。在这篇论文里，将会用实测的典型数据来描述OLYPUS上设备的运行情况。微振动环境与光学有效载荷的规格通过分析后方可得出。1、介绍了解航天器上的微振动的水平，对设计光通信系统的跟踪控制环路是很重要的。在轨测得的数据第一次公布是在1984年，并在Hughes Aircraft公司推出的一项研究中使用，在把角振幅能量谱密度转化成功率谱密度函数的时候，这项研究得到了一个不是很理想的的情况。测得的数据在125Hz的时候突然中止，而实际测得的数据有可能超过这一值。构造一个适合这些数据的可能的

3、噪声模型，如图一中的模式一所示。基本运行的PSD/rad2/Hz频率/Hz图一 卫星基本运行的PSD简化的跟踪控制环路的开环传递函数如下：如图二所示，作为控制环路带宽的函数，两个模型（模型二将在下文提起）之间的偏差是线性的，。根据选择的噪声模型，输出的误差可能会以十倍频的规律的变化。偏差urad-2环路带宽/RAD/S图二 线性偏差因此，欧空局用如下的功率谱密度函数作为设计光通信有效负荷系统SILEX的平台振动模型：上式和图一中的模式二很相似，其均方根值是16rad。光通信系统的工作性能被噪声模式严重的影响着，这些噪声主要由主航天器和跟踪控制环路的最佳接收系统的容量(带宽)产生的。最佳控制环路

4、的设计要求振动谱的在轨测量。执行该技术的任务卫星将携带欧空局第一代光学有效载荷系统SILEX的一个终端，并将于1994年中期左右发射，因此，这样的测量结果是不可用的。为了进行在轨测量，欧空局决定在1989年于KOUROU基地发射的卫星OLYMPUS上安装一个包括微重力加速度测试仪包裹。OLYMPUS不仅仅完全是执行此技术的任务卫星的代表，而且还希望通过它来观测微重力加速度的通信卫星。2、PAX实验PAX实验的核心是一固定的微重力加速度测试基地。该基地属于欧空局，由瑞士的CSEM公司依靠硅技术来经营着。重力加速度的测量是通过使用不同的电容对弹簧质量系统衰减偏移的测量来实现的。测量的范围是

5、7;100mg，在0.5到1000Hz的带宽上有5mg的衰减。这个设备安装在OLYMPUS上，其原理框图如图三所示。三个微重力加速度测试仪安装在PAX盒子里。1000Hz的信号在3.125Hz处被抽样，经过12bit的A/D转换器以后，在用12GHz的载波以ASK的方式发送出去。图三 PA X设备框图PAX的重量是2.37kg，消耗的功率是6.3瓦，是由ESTEC和MATRA共同研发的，从开始研发到安装在航天器上仅仅用了6个月。在1989年9月OLYMPUS的试运行期间，数据的接收是通过设在ESTEC的一个小型天线来完成的。PAX译码器连接在一台HP9000的电子计算机上，用来预处理和保存测得

6、的数据。在总共大约7.5小时的时间内，接收到了675兆字节的数据。3、结果对于PAX系统，模拟信号是不可用的。图四所示的是，在约10分钟的时间内通过一台HP 3562A动态数据分析仪观察到的光谱。从这个光谱和许多其他观测的数据可以推出，重力加速度在100Hz内，大约每10Hz就增加10dB，在100-500Hz内保持不变，在500Hz以上，大约每10Hz就减小10dB。在图四中可以明显的看到两处尖峰：在2.2Hz处是SDAM的基本步进频率；在300Hz处可以观察到一个有趣的现象。大约每隔14秒，我们可以观察到2-4个信号，如图五所示。随后可以由航天器最初的压缩机证实，300Hz处的突起主要是由

7、SDAM的最小步进电流和发动机本身的干扰引起的，其另一个加速度源来自微波开关。图六显示的是在OLYMPUS观察到的最高的加速度。另一个高频加速度源是推进器。图七显示的是一个单独推进器点火时的振幅。图八显示的是在东-西航空站保持运行时推进器持续工作时的振幅。通过推进器的点火，可以观察到波峰之间高达100mg的加速度。功率谱频率/Hz图四 测得的Y轴的PSD振幅时间/s图五 SDAM现象中的一个脉冲振幅频率/Hz图六 微波开关的工作波形振幅频率/Hz图七 推进器点火时的波形振幅频率/Hz图八 航天器保持工作时推进器点火的波形测得的加速度是线性加速度。对于光学有效载荷来说，角加速度更加适合。如果旋转

8、体是无限刚性的，那么，把线性加速度转换成旋转加速度就是无限接近的。通过PAX测得的功率谱密度函数和角旋转的功率谱密度函数的关系如下式所示：式中，l是接口部分的长度，w=2f.图九所示的是，当l=10cm时测得的角度功率谱密度函数，OLYMPUS的线性加速度的测量是通过在约10分钟的时间内观测得到的。图十所示的是，助推器点火所引起的短暂的角功率谱密度函数，300Hz突起来自SDAM。角PSD频率/Hz图九 OLYMPUS已测数据和计划数据的比较频率/Hz角PSD图十 OLYMPUS某一时刻测得的数据和计划数据的比较根据PAX试验，我们可以推导出航天器和光学有效载荷接口的线性加速度的频谱。一般的，

9、每个信号都有一个短暂的持续，所以，在传输和观察期间，信号将会以辐射扩散的形式显现出来。因此我们必须区分线性加速度的平均光谱和瞬间光谱。图十一显示的是，平均光谱和约持续十秒的推进器点火时的短暂的光谱。频率/Hz加速度图十一 航天器的加速度4、展望PAX对线性加速度的测量是通过面对卫星平台的地面测试站来完成的。因为光学有效载荷的线性改变很重要，原则上，这些改变可以通过两个正交的加速度而得到。但是，为了证实所测的结果，针对系统做一些假设是必要的。卫星平台上对某点的六度自由空间测量的另一个特征要求有六个不同的测量。因此，欧空局开始研制改进了的PAX设备，该实验设备包括三套子设备，每套子设备有三个正交的加速度测试仪组成。有可能在卫星Italsat F2、Locstar F1、Spot III上安装改进的PAX系统。5、结论可以看出，对光通信载荷影响最大的振动干扰源是十分短暂的，这些干扰在地面上是无法精确的测量到的。在轨测量对光学有效载荷