卫星微振动检测技术

田玉春，曹乐，樊尚春

(1.山东华宇航天空间技术有限公司，山东烟台264000;2.北京航空航天大学仪器科学光电工程学院，北京100191;3.北京航空航天大学惯性技术国防科技重点实验室，北京100191)

0 引言

随着航空航天技术的发展，在利用卫星进行遥感、侦察、精密定位等领域，测量精度需求不断地提高，微振动测量与抑制技术已经作为关键技术，得到了各国航空航天人的重视，包括我国在内的各国航天机构纷纷建立相关研究实验室进行相关技术的探索，以寻求新的解决方案和技术途径。

微振动一般是指结构本体受到环境变化、外部冲击力、其他工作机构运动的影响产生的低g值振动。目前，常用的测量方式有基于应变效应的测量、光学干涉、激光振动测量、高精度机械加速度计，因其具有体积大、功耗高、成本高等因素，在航空航天应用中受到了一定的限制。随着微机械技术的发展，采用高精度微机械加速度计进行微振动测量开始出现，随着研究的进一步深入，可以预测，其将成为微振动测量的主要技术手段。

本文将以卫星微振动背景和测量技术的发展为主线，介绍和分析微振动测量技术的发展状况，最后就微振动测量技术发展方向给出建议。

1 卫星微振动分析

卫星广泛应用在通信、侦察、遥感、导航等领域，其有效载荷包含高清摄像机、高清照相机、合成孔径雷达、微重力微振动测量系统、星载计算机等关键设备以及作为能源来源的太阳能帆板、舱内冷却系统、供电系统以及反作用轮和机动动力系统等组成部分。各设备动作时会产生一定的惯性力矩，导致卫星星体或者局部部件的转动，通过星体连接结构，影响有高稳定需求的有效载荷，令其不能工作在高稳定性状态，进而影响其工作性能，在一定程度上限制了卫星应用的发展。

2013年12月，周东强等进行了我国在轨遥感卫星微振动测量试验［1］，分别对星载主要活动部件以及活动部件对星载有效载荷的影响进行了测量，试验结果表明:遥感卫星上的主要干扰源有反作用轮和辐射计、散射计转动机构;微振动的最大幅度已经达到57 mg(0.56 m/s2)。表1给出了待测试遥感卫星的主要活动部件的最大振动值。同时表明活动部件的动作会导致有效载荷的振动，且频率响应不与动作部件完全一致。

表1 遥感卫星主要活动结构的微振动最大值 mg

2011年2月，李宁等人对航天器地面微振动测试方法进行了研究，给出了测试方法和测试方案，并对微振动传感器性能进行了分析，通过实验表明，满足测量分辨力为10－4g的微振动传感器能够满足其测试型号卫星的微振动测量［2］。张振华等对国内外的微振动研究方法进行了分析［3］，并对常见的干扰源部件进行了时域和频域模型建立，给出了系统级的输入输出模型，对于航天器设计提供了一定的依据。

2010年，石俊霞等人对TDICCD相机成像质量与卫星微振动的关系进行研究［4］，研究发现，卫星振动对TDICCD相机的MTF影响与相机本身的积分级数密切相关;同时，作者提出了基于快速CCD卫星振动检测方法和基于振镜的卫星振动补偿方法［3］，实验结果表明，通过抑制微振动，TDICCD分辨力显著提高。

2006年，谭庆贵等人针对卫星微振动对CDMA通信影响进行了力学振动分析，通过建立振动模型并结合波长、振动、码速率等因素综合分析，得出1550 nm波段更适合星间通信系统［5］。同时试验分析表明，在码率为622 Mbps的1550 nm波段通信系统中，卫星振动标准偏差 δ≥1.2×10－6时，星间难以实现通信。

卫星微振动存在于卫星系统之中，同时对星载设备的正常稳定工作带来了挑战。针对星载设备自身稳定性需求的不断提高，尤其是在下一代星载设备规划中其稳定需求远高于微振动的平均值，由此，一方面提高星载设备的自身抗振动能力，另一方面通过采取一定的措施抑制微振动的影响。对于后者，必须首先解决卫星微振动的测量。星载微振动测量系统必须满足星载载荷的低功耗、高精度、小体积、实时测量等需求，同时能够适应高冲击力、高温差、高辐射等空间环境。从发展历程上看，卫星微振动测量经历了从传统地面模拟测量、星载微振动实验到微振动实时在线监测等阶段。本文将就微振动测量中常用的测量手段进行分析。

2 微振动测量技术

卫星微振动测量是随着星载高精密仪器的高稳定性需求发展起来的关键技术，主要包括传统光学测量方法、电容式非接触测量方法和基于高精度加速度计的惯性测量方法。采用传统测量手段能够满足测量精度的需求，但因其功耗大和体积问题，难以应用到星载设备上。上世纪80年代发展起来的MEMS加工技术，逐步出现了满足高精度、低成本、低功耗等要求的微机械加速度计。随着微机械加速度计的应用，美欧航天局利用微重力测量系统对在轨卫星进行了大量实验，实验结果表明利用加速度计进行微振动测量的可行性。

2.1 光学测量技术

利用光学技术测量微振动是目前地面试验中最为常见的测量方式，主要包括光纤激光自混合干涉方法和数字全息干涉方法。光学测量主要是依赖于激光的高稳定性、高可靠性和一致性，借助于光学原理将微小振动位移通过激光干涉方法实现精密测量。

2009年，针对星载设备在真空环境中启动时必然产生振动，直接影响到辐射定标的光学系统，进而限制了辐射定标的精度，向艳红等人设计了利用激光干涉法测量星载设备微振动的测量系统［6］，其测量原理框图如图1所示。激光装置发射出的激光束经分光镜分解成两束等强光束，一路光束经过透镜聚焦入射到被测物体的表面，从被测物体的表面反射或散射回来的信号光束和另一路参考光束在光敏元件上产生干涉现象，然后通过解算干涉波形即可获得被测物体的振动频率和幅度。

图1 激光干涉法测量星载设备原理框图

2.2 传统机械测量技术

2012年，彭泳卿报道了一种专门测量航天器在轨微振动测量装置［7］，其测量精度可达亚μm级水平，同时具有高灵敏度、高抗冲击性，可同时进行三轴测量，能够满足航天航空高精度微振动测量。表2中给出了该微振动传感器的主要性能指标。电容式微振动传感器具有温度稳定性好、非接触测量、频率响应快等特点，在高精密测量中广泛采用。

表2 电容式非接触微振动传感器指标

高精度静电悬浮加速度计是卫星等航天器的关键载荷之一，用来测量空间振动加速度、微重力加速度，具有灵敏度高、频带窄、适合低频微弱加速度测量等优点，得到了航天机构的广泛关注。图2中，给出了静电悬浮加速度计敏感结构的实物图［8］，表3给出了当前国外产品的性能指标。

2007年，清华大学给出了一款高精度静电悬浮加速度计设计图［9］，其敏感结构如图3所示。根据设计参数，在量程5 g的范围内，测量分辨力可达10－6g。

图2 静电悬浮加速度计敏感结构

表3 静电悬浮加速度计成熟产品指标

图3 清华大学静电悬浮加速度计敏感结构版图

我国发射的载人航天航天器“神州”号，采用国产石英挠性加速度计作为核心器件进行飞船的瞬变加速度和振动加速度的测量［10］，其测量水平可达10－6g。其测量原理如图4所示。根据测量结果分析，航天器振动幅度在10－6g以上，频域相应一般在0～100 Hz之间，主要来源于飞船内设备的干扰和各种干扰的动力学响应。

2.3 MEMS加速度计检测技术

图4 神州飞船微重力微振动测量原理示意图

微机械加速度计技术是上世纪80年代发展起来的基于微纳技术的高新技术，在硅等材料的基片上刻蚀结构，实现加速度计效应，其特点有批量成本低、体积小、功耗低、易于批量生产等，在航空航天领域微型化、微功耗、低成本的需求趋势下，得到各国的高度重视，纷纷投入大量人力财力进行研发试制。微振动测量要求测量精度达到μg量级，针对此要求，以下分析介绍当前高精度MEMS加速度计和卫星微振动测量应用的发展。

2011年，台湾国立清华大学设计的一种高灵敏度高稳定性的MEMS微机械加速度计［11］，其灵敏度为595 mV/g，等效噪声水平为50 μg /2013年，清华大学设计的一款微机械加速度计灵敏度为650 mV/g，噪声等效加速度为 23.17 μg/，非线性为0.098%。

2007年，由W T Pike等人提出的基于电容检测的微机械加速度计［12］，通过采用质量块由叠加的中字型框架作为支撑，通过叠加支撑结构，能够在保证结构抗冲击性能的基础上增加检测灵敏度，综合实验表明其检测精度达到了10－8g / ■ Hz，能够满足卫星微振动检测需求，结构图如图5所示。

NASA最初使用美国高级微重力加速度测量系统(AMAMS)测量国际空间站的微重力。随着测量的不断深入，2001年，DeLombard等人利用准稳态高精度加速度计测量的数据分析得到了国际空间站存在频率低至0.01 Hz的微振动。该系统采用小体积、低功耗的微机械加速度计作为核心检测器件，同时将模拟信号转换为数字信号输出。目前，该项目已经应用到多个航天任务和国际空间站的微振动测量。

在国外，已经开始使用MEMS加速度计进行卫星微振动测量并得到了大量的有效数据，实测数据说明MEMS作为卫星在轨微振动和微重力测量的有效性和可行性。根据前面分析可知，我国当前阶段，为了保证测量精度和可靠性，仍主要采用依靠传统机械加速度计进行在轨卫星微振动测量实验的方案。因此，在保持传统测量方案的同时，应大力发展MEMS技术。

图5 采用叠加支撑结构的MEMS加速度计

2.4 谐振式微机械加速度计

谐振式微机械加速度计是一种直接输出频率的新型加速度计，因其具有数字信号输出、工作稳定等特点，国内外多家研究机构进行了研究。随着新结构、新检测方式的出现，其测量精度正接近传统高精度加速度计，就其性能指标而言，已可以应用于星载微振动测量。郭占社等人设计了基于音叉结构的谐振式微机械加速度计［13］，结构框图如图6所示。其基本原理是，当外界有一水平方向的加速度，由于惯性作用，采用柔性支撑的质量块沿加速度相反方向产生相应的位移，即在左右两个音叉上产生一拉一压的大小相等的作用力，从而令谐振梁的刚度发生改变，其谐振频率也相应改变，通过检测谐振频率的变化可反推出外部加速度的变化，实现对加速度的测量。

图6 谐振式微机械加速度计结构框图

2006年，韩国S.Seok等人采用真空封装技术结合硅－玻璃阳极键合技术，设计制作了一款高性能谐振式加速度计［14］，该加速度传感器通过加速度产生的惯性力改变谐振梁的刚度，从而起到改变谐振梁谐振频率的目的，其结构如图7所示。实验表明，该传感器谐振梁基准谐振频率为24 kHz，测量灵敏度达128 Hz/g，最小可实现5.2 μg加速度的测量。

图7 谐振式加速度计设计版图

He Lin等人采用将 DETF的两根谐振梁中部连接的方式，实现了两谐振梁的振动相位正好相差180°，有效地避免了因加工工艺等因素带来的谐振梁的参数不完全一致，为提高谐振梁的稳定性提供了一种很好的解决方式，其结构如图8所示。根据其报道［15］，该加速度计的灵敏度可达140 Hz/g，零偏稳定性达4 μg，分辨力为20 μg /。

随着MEMS加工工艺和结构设计的发展，谐振式加速度计其性能指标将不断提高，结合其高稳定性、数字频率输出，将开始应用于星载设备微振动测量等领域。

3 结束语

图8 谐振音叉中间连接结构图

本文通过对卫星微振动的来源、作用机理等进行了分析，并通过实例说明了当前微振动已经限制了卫星技术的发展。在此基础上，本文重点介绍了卫星微振动测量方法，通过分析对比发现，检测技术正在从传统检测方法向以MEMS技术为核心的低体积、低功耗方向发展，并随着技术的发展，进一步走向更高精度的谐振式加速度计解决方案。针对我国卫星振动检测技术多是采用传统检测技术的现状，为了满足将来卫星小型化、有效载荷进一步压缩等需求，在当前微振动测量技术发展基础之上，本文认为应重视以下几个方面:

1)加快发展高精度微机械加速度计，并加快配套集成电路 (IC)设计研发进程，同时从结构和电路处理两方面提高微机械加速度计的性能;

2)研究直接输出频率的谐振式MEMS加速度传感器，直接输出数字信号，在此方向上缩短与发达国家的差距;

3)结合微振动测量技术，研究基于主动抑制的阻尼减振平台，并进一步研究空间环境的微振动模型，从机理上提高微振动的检测精度;

4)建立空间、地面微振动测试环境平台，通过实验方法获得有效的减振模型。

［1］周东强，曹瑞，赵煜，等.遥感系列卫星在轨微振动测量与分析 ［J］.航天器环境工程，2013，30(6):627－630.

［2］李宁，韩晓健，李俊慧，等.航天器微振动信号的地面测试方法 ［J］.航天器环境工程，2011，28(1):67－71.

［3］张振华，杨雷，庞世伟.高精度航天器微振动动力学环境分析 ［J］.航天器环境工程，2009，26(6):528－534.

［4］石俊霞，薛旭成，郭永飞.卫星振动对 TDICCD成像质量的影响及补偿方法 ［J］.光电工程，2010，37(12):11－16.

［5］谭庆贵，胡渝，赵悦莹.卫星振动对星间光码分多址系统性能的影响 ［J］.光子学报，2006，35(11):1730－1733.

［6］向艳红，赵寿根，杨林华.关于微小振动的激光多普勒测量 ［J］.强度与环境，2009，36(6):50－54.

［7］彭泳卿，陈巍，陈青松.高精度电容式微振动传感器的设计与实现 ［J］.遥测遥控，2012，33(2):67－71.

［8］宋仁旺，陈琳英.静电悬浮加速度计关键技术剖析 ［J］.计算机工程与应用，2009，45(34):67－70.

［9］刘云峰，蘅高，董景新.静电悬浮微机械加速度计设计［J］.清华大学学报:自然科学版，2007，47(2):181－185.

［10］薛大同，雷军刚，程玉峰，等.神州号飞船的微重力测量［J］.物理，2004，33(5):351－358.

［11］张霞.微机械加速度计的研究现状综述 ［J］.功能材料和器件学报，2013，19(6):275－282.

［12］ Pike W T，Kumar S.Improved design of micromachined lateral suspensions using intermediate frames［J］.J.MICROMECH MICROENG，2007，17:1680－1694.

［13］郭占社，樊尚春.一种谐振式加速度传感器及其设计［J］.中国机械工程，2008，19(21):2570－2572.

［14］Seok S，Chun K.Inertial-grade in-plane resonant silicon accelerometer［J］.Electronics Letters，2006，42(19):1092 －1094.

［15］He Lin，Xu Yongping.A CMOS readout circuit for Sol resonant accelerometer with bias stability and resolution［J］ .IEEE Journal of Solid-State Circuits，2008，43(6):1480－1490.