本發(fā)明屬于航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，涉及一種航天器外殼體遭受空間碎片撞擊的定位系統(tǒng)與定位方法，利用空間碎片撞擊航天器殼體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的面內(nèi)剪切波對(duì)撞擊位置進(jìn)行定位，具有較高的定位精度。

背景技術(shù)：

隨著人類(lèi)航天活動(dòng)的不斷發(fā)展，空間碎片環(huán)境持續(xù)惡化，這給長(zhǎng)壽命航天器的在軌運(yùn)行安全造成了極大威脅。

對(duì)于航天器遭受空間碎片撞擊的感知與定位技術(shù)主要包括基于聲發(fā)射技術(shù)的感知定位、基于加速度計(jì)的感知定位、基于熱成像的感知定位、基于光纖傳感器的感知定位、基于電阻膜的感知定位、基于電磁波發(fā)射技術(shù)的感知定位和基于光學(xué)相機(jī)的表面檢測(cè)等。綜合考慮空間環(huán)境適應(yīng)性、系統(tǒng)集成性、技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性等因素，基于聲發(fā)射技術(shù)的感知定位的綜合性能表現(xiàn)最優(yōu)，成為航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前，基于聲發(fā)射技術(shù)的感知定位系統(tǒng)主要是通過(guò)采集空間碎片撞擊航天器殼體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的Lamb波進(jìn)行感知與定位的，但是Lamb波在航天器殼體內(nèi)的傳播速度與頻率和殼體厚度有關(guān)，因此在傳感器數(shù)量一定的前提下，系統(tǒng)定位精度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種航天器遭受空間碎片撞擊的定位系統(tǒng)與定位方法，通過(guò)面內(nèi)剪切波型壓電傳感器采集撞擊引起的SH0波進(jìn)行空間碎片的撞擊感知定位，利用SH0波的波速在同一種材料里的波速恒定，并與波的頻率和殼體厚度無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了撞擊位置的高精度定位。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種航天器遭受空間碎片撞擊的定位系統(tǒng)，包括面內(nèi)剪切波壓電傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)處理單元，其中面內(nèi)剪切波壓電傳感器固定在航天器結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面，多個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器組成傳感器陣列，電荷放大器將各個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器獲取的信號(hào)進(jìn)行放大后送至數(shù)據(jù)處理單元；所述的數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)各個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器采集信號(hào)最高峰值出現(xiàn)時(shí)刻的先后順序，將面內(nèi)剪切波壓電傳感器位置進(jìn)行臨時(shí)編號(hào)，并將前四個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器位置分別記為A、B、C、D，將四處采集到的信號(hào)最大峰值出現(xiàn)的時(shí)刻分別記為t_A、t_B、t_C、t_D；然后以位置B為中心，以r_B＝v×(t_B-t_A)為半徑作圓，其中v為面內(nèi)剪切波波速，以位置C為中心，以r_C＝v×(t_C-t_A)為半徑作圓，以位置D為中心，以r_D＝v×(t_D-t_A)為半徑作圓，然后作三個(gè)圓的最小半徑公切圓，圓心位置記為O；若距離|OA-v×t_A|≤δ，δ為可允許的定位誤差，則判定O為撞擊定位結(jié)果；否則根據(jù)各個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器采集到的第二峰值出現(xiàn)的先后順序，將面內(nèi)剪切波壓電傳感器位置進(jìn)行臨時(shí)編號(hào)，重新將前四個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器位置記為A、B、C、D后重新畫(huà)圓并繼續(xù)判斷，每重復(fù)編號(hào)畫(huà)圓定位一次，若定位不成功，則順序使用更小的峰值進(jìn)行下一次判斷，直至滿足距離|OA-v×t_A|≤δ后將位置O作為撞擊定位結(jié)果。

一種航天器遭受空間碎片撞擊的定位方法，包括如下步驟：

(a)在航天器結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面布置面內(nèi)剪切波壓電傳感器，多個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器組成傳感器陣列；

(b)各個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器實(shí)時(shí)采集撞擊引起的電壓隨時(shí)間變化的信號(hào)；

(c)根據(jù)各個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器采集信號(hào)最高峰值出現(xiàn)時(shí)刻的先后順序，將面內(nèi)剪切波壓電傳感器位置進(jìn)行臨時(shí)編號(hào)，并將前四個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器位置分別記為A、B、C、D，將四處采集到的信號(hào)最大峰值出現(xiàn)的時(shí)刻分別記為t_A、t_B、t_C、t_D；

(d)以位置B為中心，以r_B＝v×(t_B-t_A)為半徑作圓，其中v為面內(nèi)剪切波波速，以位置C為中心，以r_C＝v×(t_C-t_A)為半徑作圓，以位置D為中心，以r_D＝v×(t_D-t_A)為半徑作圓；

(e)作步驟(d)中三個(gè)圓的最小半徑公切圓，圓心位置記為O；

(f)若距離|OA-v×t_A|≤δ，δ為可允許的定位誤差，則判定O為撞擊定位結(jié)果；否則根據(jù)各個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器采集到的第二峰值出現(xiàn)的先后順序，將面內(nèi)剪切波壓電傳感器位置進(jìn)行臨時(shí)編號(hào)，重新將前四個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器位置記為A、B、C、D后返回步驟(d)，當(dāng)再次執(zhí)行本步驟時(shí)，若定位不成功，則順序使用更小的峰值再次返回步驟(d)，直至滿足距離|OA-v×t_A|≤δ后將位置O作為撞擊定位結(jié)果。

所述的傳感器陣列中，任意相鄰的兩個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器的間距小于2m。

所述的面內(nèi)剪切波壓電傳感器的工作頻率范圍為120kHz～230kHz。

所述面內(nèi)剪切波壓電傳感器獲取的信號(hào)為碰撞產(chǎn)生的SH0波。

所述的δ為2mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明方法首次采用面內(nèi)剪切波傳感器進(jìn)行空間碎片的撞擊定位，能夠?qū)⒖臻g碎片撞擊航天器艙壁產(chǎn)生的復(fù)雜板波信號(hào)中120kHz～230kHz頻域范圍內(nèi)的面內(nèi)剪切波SH0波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，而傳統(tǒng)方法利用超聲傳感器只能采集到的Lamb波。雖然面內(nèi)剪切波傳感器采集到的原始信號(hào)仍然含有對(duì)稱波和反對(duì)稱波，造成電壓-時(shí)間曲線上的多個(gè)峰值，本發(fā)明進(jìn)而提出四點(diǎn)定位方法用于確定撞擊位置，該方法分別以最先接收到信號(hào)的4個(gè)傳感器中的后3個(gè)傳感器位置為圓心，分別以后3個(gè)傳感器與第1個(gè)傳感器峰值信號(hào)時(shí)間差乘以面內(nèi)剪切波波速為半徑做3個(gè)圓，然后做這3個(gè)圓的最小公切圓，公切圓圓心即可能的撞擊位置，進(jìn)而通過(guò)判斷該公切圓是否與第1個(gè)傳感器位置重疊，來(lái)判斷該峰值是否為面內(nèi)剪切波SH0波，若否，順序使用更小的峰值進(jìn)行下一次判斷，直至找到撞擊位置。該定位方法，是一種基于幾何作圖的定位方法，操作簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，從撞擊發(fā)生到獲得撞擊位置結(jié)果的響應(yīng)速度快，而且由于SH0波速不隨頻率或艙壁厚度而變化，克服了基于Lamb波(對(duì)稱波和反對(duì)稱波)和虛擬波速的傳統(tǒng)定位方法存在的定位誤差大的缺點(diǎn)，具有定位精度高的優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明定位系統(tǒng)的組成原理框圖；

圖2為本發(fā)明傳感器采集的撞擊信號(hào)示意圖，橫軸為時(shí)間，縱軸為電壓；

圖3為本發(fā)明數(shù)據(jù)處理單元的四點(diǎn)幾何定位方法原理圖；

圖4為本發(fā)明據(jù)處理單元的四點(diǎn)幾何定位方法流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，為本發(fā)明定位系統(tǒng)的組成原理框圖，本發(fā)明系統(tǒng)主要包括面內(nèi)剪切波壓電傳感器1、數(shù)據(jù)傳輸線2、電荷放大器3和數(shù)據(jù)處理單元4，圖中5為航天器結(jié)構(gòu)。面內(nèi)剪切波壓電傳感器1通過(guò)膠接固定在航天器結(jié)構(gòu)5的內(nèi)表面，多個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器1組成傳感器陣列(例如，任意最近鄰傳感器間距小于2m)，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線2與電荷放大器3連接，電荷放大器3經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線2與數(shù)據(jù)處理單元4連接。

面內(nèi)剪切波壓電傳感器1由壓電陶瓷PZT制作而成，制作方法同文獻(xiàn)Smart Mater.Struc.25(2016)和Ultrasonics 74,167(2017)。該傳感器利用壓電系數(shù)d₂₄進(jìn)行機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換，能對(duì)120kHz～230kHz頻率范圍內(nèi)面內(nèi)剪切波SH0波進(jìn)行感知。數(shù)據(jù)傳輸線2采用BNC-Microdot同軸電纜、電荷放大器3采用Olympus公司的5660B設(shè)備，數(shù)據(jù)處理單元4采用National Instruments公司的PXI-5105和PXIe-8840設(shè)備。航天器結(jié)構(gòu)5為網(wǎng)格加筋鋁合金密封艙。

當(dāng)航天器發(fā)生空間碎片撞擊事件時(shí)，撞擊導(dǎo)致的聲發(fā)射信號(hào)在航天器殼體內(nèi)傳播形成Lamb波和SH0波，兩種波在航天器殼體內(nèi)傳播至各個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器1，面內(nèi)剪切波壓電傳感器1能夠在120kHz～230kHz頻率范圍內(nèi)將SH0波以高靈敏度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，而將其它成分的波轉(zhuǎn)化為非常微弱的電信號(hào)，數(shù)據(jù)處理單元4根據(jù)四個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器1采集到信號(hào)峰值的時(shí)刻，進(jìn)行幾何定位，得到撞擊位置。

圖2為本發(fā)明傳感器采集的撞擊信號(hào)示意圖，是電壓隨時(shí)間的變化曲線。從該信號(hào)曲線中可以提取各個(gè)電壓峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

數(shù)據(jù)處理單元4根據(jù)采集信號(hào)進(jìn)行定位的原理如圖3所示，定位方法流程如圖4所示，具體包括：

a.對(duì)航天器撞擊定位系統(tǒng)通電，進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)采集；

b.發(fā)生空間碎片撞擊航天器事件；

c.各個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器1采集撞擊引起的電壓隨時(shí)間變化信號(hào)，如圖2所示，從該信號(hào)曲線中可以提取各個(gè)電壓峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；

d.根據(jù)各面內(nèi)剪切波壓電傳感器1采集信號(hào)最高峰值出現(xiàn)的時(shí)刻先后順序，將面內(nèi)剪切波壓電傳感器1位置進(jìn)行臨時(shí)編號(hào)，前四個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器1位置分別記為A、B、C、D；

e.A、B、C、D四處面內(nèi)剪切波壓電傳感器1采集到的信號(hào)最大峰值出現(xiàn)的時(shí)刻分別記為t_A、t_B、t_C、t_D，以μs作為單位；

f.以位置B為中心，以r_B＝v×(t_B-t_A)為半徑作圓，其中v為面內(nèi)剪切波波速，v＝3km/s；以位置C為中心，以r_C＝v×(t_C-t_A)為半徑作圓；以位置D為中心，以r_D＝v×(t_D-t_A)為半徑作圓；

g.作以上三個(gè)圓的最小半徑公切圓，圓心位置記為O，如圖3所示；以B、C、D為圓心的三個(gè)圓上的每個(gè)點(diǎn)均為t_A時(shí)刻面內(nèi)剪切波波峰的可能位置，撞擊產(chǎn)生的真實(shí)面內(nèi)剪切波波峰必定是經(jīng)每個(gè)圓中的某一點(diǎn)并沿著該圓半徑方向由遠(yuǎn)及近傳播到該傳感器位置。而且，真實(shí)面內(nèi)剪切波波峰在t_A時(shí)刻一定分布在以撞擊位置為圓心的同一個(gè)圓上，沿著圓的所有半徑方向由近及遠(yuǎn)傳播，該圓只有與其它三個(gè)圓均相切，才能滿足波的直線傳播規(guī)律，真實(shí)傳播路徑即過(guò)每個(gè)切點(diǎn)的兩個(gè)相切圓半徑的連線。

h.若公切圓與位置A重疊，即距離|OA-v×t_A|≤δ，δ為可允許的定位誤差，根據(jù)實(shí)際需求確定(通常δ可取為2mm量級(jí))，則O為撞擊定位結(jié)果；

i.若公切圓與位置A不重疊，即距離|OA-v_×t_A|＞δ，則根據(jù)面內(nèi)剪切波壓電傳感器1采集到的第二峰值(每重復(fù)一次，峰值數(shù)加一，也即第一次以第一峰值的排序來(lái)進(jìn)行，第二次以第二峰值的，以此類(lèi)推)出現(xiàn)的先后順序，將面內(nèi)剪切波壓電傳感器1位置進(jìn)行臨時(shí)編號(hào)，前四個(gè)面內(nèi)剪切波壓電傳感器1位置分別記為A、B、C、D，重復(fù)步驟e～i，直至公切圓與位置A重疊，即距離|OA-v_×t_A|≤δ，位置O即為撞擊定位結(jié)果。

本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。