一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法

技术领域

涉及航天等离子体推进器技术领域。

背景技术

在高精度的航天任务中，推进系统除承担主推进任务外，还需要负责卫星平台的轨道控制以及精确姿态调整等，因此需要等离子体推进器快速并且频繁地启动关闭以在多变的在轨环境中满足推力响应。对于引力波探测任务，等离子体推进器承担了实时补偿阻力的任务，必须保证推进器瞬间点火成功以维持系统的稳定状态。电子回旋共振离子推进器凭借高精度、长寿命的优势成为任务备选的推进装置之一，具有巨大的应用潜力。然而，电子回旋共振离子推进器的启动过程分为电离与加速两步，为保证推进装置在轨快速响应，首先要保证点火顺利进行。推进器的点火启动是保证航天任务顺利进行的基础，对点火状态的判定有助于地面人员快速判断推进器的工作状态。对于多台推进器协同工作的应用场景，点火状态的判定有助于地面人员及时调整推力分配，对航天任务的顺利开展起决定性作用。

现有技术中尚不存在一种点火状态的判定方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的，现有技术中尚不存在一种点火状态的判定方法的技术缺陷，本发明提供的技术方案为：

一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法，所述方法包括：

向地面等离子推进器发送点火信号的步骤；

根据所述地面等离子推进器对应的放电室图像光强分布状态，计算当前电子温度和离子密度的步骤；

向在轨等离子推进器发送点火信号的步骤；

计算所述在轨等离子推进器对应的放电室内光强分布、离子密度以及电子温度的步骤；

将所述在轨等离子推进器对应的放电室内光强分布、离子密度以及电子温度与所述地面等离子推进器对应的放电室图像光强分布状态、电子温度和离子密度进行比对的步骤；

若比对结果一致，则输出点火状态正常的信号的步骤；

若比对结果不一致，则重复计算所述在轨等离子推进器对应的放电室内光强分布、离子密度以及电子温度的步骤后，再次比对，直至比对结果一致。

进一步，提供一个优选实施方式，根据所述地面等离子推进器的工质，选择对应的谱带，所述谱带对应的放电室为所述地面等离子推进器对应的放电室。

进一步，提供一个优选实施方式，所述地面等离子推进器对应的放电室图像，根据多光谱相机以45°视角拍摄得到。

进一步，提供一个优选实施方式，所述方法还包括：改变向所述地面等离子推进器发送的点火信号的点火工况，重新向所述地面等离子推进器发送点火信号的步骤；

并分别记录每个所述向所述地面等离子推进器发送的点火信号的点火工况下，所述地面等离子推进器对应的放电室图像光强分布状态、电子温度和离子密度的步骤。

进一步，提供一个优选实施方式，根据多光谱相机的拍摄图像，计算所述在轨等离子推进器对应的放电室内光强分布、离子密度以及电子温度。

进一步，提供一个优选实施方式，所述多光谱相机以45°视角，对所述在轨等离子推进器进行成像，得到所述在轨等离子推进器的拍摄图像。

进一步，提供一个优选实施方式，对所述在轨等离子推进器进行成像时，拍摄的曝光时间与拍摄所述地面等离子推进器时一致。

一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定装置，所述装置是用于实现所述的方法的，装置包括：

真空罐，设置在所述真空罐内的地面等离子推进器；

至少两个多光谱相机，用于拍摄所述地面等离子推进器对应的放电室图像，以及拍摄所述在轨等离子推进器对应的放电室图像。

计算机储存介质，用于储存计算机程序，当所述计算机程序被计算机读取时，所述计算机执行所述的方法。

计算机，包括处理器和储存介质，当所述处理器读取所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行所述的方法。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益之处在于：

本发明提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法，通过使用多光谱相机对推进器的放电室进行成像，可以实时记录光强分布状态，计算出电子温度与离子密度。这种光学判定方法可以快速、准确地判断推进器的点火状态，帮助地面人员快速判断推进器的工作状态。

本发明提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法，通过实时处理多光谱相机的成像结果，包括光强分布、电子温度和离子密度等参数，可以快速分析推进器的点火状态。这种数据处理装置可以提高判定的准确性和效率。

本发明提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法，相比于现有利用栅极电流判断点火状态的方法，该方案利用光学原位判定方法可以克服电子回旋共振离子推进器分段式点火的不适用性。这种方法可以更准确地判断点火状态，提高推进器的可靠性和稳定性。

在多变的在轨环境中，推进器需要快速并且频繁地启动关闭以满足推力响应；本发明提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法，通过快速分析成像数据，可以实时判断推进器的点火状态，帮助地面人员及时调整推力分配，保证航天任务的顺利开展。

本发明提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法，使用的光学判定方法和数据处理装置带来了快速、准确地判断推进器点火状态的效果，相比于现有研究现状具有更高的可靠性和稳定性。

本发明提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法，可以应用于航天任务中的等离子体推进器的在轨点火状态的光学判定。

附图说明

图1为电子回旋共振离子推进器地面点火测试装置结构示意图；

图2为电子回旋共振离子推进器点火状态在轨判定装置结构示意图；

图3为图1的测试装置得到的电子回旋共振离子推进器点火过程的离子密度变化曲线示意图；

其中，100-真空罐，101-电子回旋共振离子推进器，102-多光谱相机，103-数据处理装置，104-过真空法兰，201-可伸缩机械臂，202-卫星壁面。

具体实施方式

为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更清楚，现结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，具体的：

实施方式一、本实施方式提供了一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法，所述方法包括：

向地面等离子推进器发送点火信号的步骤；

根据所述地面等离子推进器对应的放电室图像光强分布状态，计算当前电子温度和离子密度的步骤；

向在轨等离子推进器发送点火信号的步骤；

计算所述在轨等离子推进器对应的放电室内光强分布、离子密度以及电子温度的步骤；

将所述在轨等离子推进器对应的放电室内光强分布、离子密度以及电子温度与所述地面等离子推进器对应的放电室图像光强分布状态、电子温度和离子密度进行比对的步骤；

若比对结果一致，则输出点火状态正常的信号的步骤；

若比对结果不一致，则重复计算所述在轨等离子推进器对应的放电室内光强分布、离子密度以及电子温度的步骤后，再次比对，直至比对结果一致。

具体的，本实施方式旨在提出一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法，利用机械臂将多光谱相机伸出卫星本体，调整到合适角度，对推进器的放电室进行成像，如果推进阵列中某个推进器点火失败，即相机无法采集到光强信息，则反馈控制回路重新点火，若点火成功，则通过多谱线下的成像数据，快速计算放电通道内的电子温度与离子密度，并判断光强的分布状态与地面测试是否一致，将成像处理结果作为调节参数，反馈到推进器的控制回路，控制微波功率源直到等离子体参数及光强分布与地面测试一致，此时，判定电子回旋共振离子推进器点火状态正常。

判定方法包括电子回旋共振离子推进器，机械臂，四通道多光谱相机，星载计算机，实现过程分为地面测试及在轨判定两部分。

地面测试过程步骤：

步骤1，在真空罐内安装在轨使用的电子回旋共振离子推进器；

步骤2，架设四通道多光谱相机，针对推进器不同工质，选择不同的谱带；

步骤3，将等离子体推进器正常点火，以45°视角利用多光谱相机记录此时每个谱带对应的放电室图像光强分布状态，计算出电子温度与离子密度；

步骤4，改变点火工况，并重复步骤3，将所有的试验结果存入数据库。

在轨点火状态的判定过程步骤：

步骤1，通过控制机械臂将多光谱相机伸出卫星本体，调整角度使其以45°对推进器阵列进行成像；

步骤2，地面操作人员发送推进器点火指令；

步骤3，同步启动多光谱相机（1ms可选），曝光时间与地面试验一致；

步骤4，利用星载计算机对拍摄图像进行快速分析（2ms），判断放电室内的光强分布、离子密度以及电子温度；

步骤5，若成像图片显示某个推进器的放电室内没有等离子体产生，则重复步骤1和步骤3；

步骤6，将成像处理结果与地面实验的数据库进行对比；

步骤7，如果对比结果一致，则认为点火状态正常；如果对比结果有差异，则反馈至推进系统的微波功率源进行调节，重复步骤3、4和6，直至对比结果一致。

相对于现有技术，本实施方式提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法具有以下优势：

本实施方式将等离子体推进器的宏观点火现象与微观等离子体参数联系在一起，利用光学原位判定方法判断的点火状态，克服了现有利用栅极电流判断点火状态在电子回旋共振离子推进器分段式点火的不适用性，并根据光强分布及等离子体参数与地面的一致性判断点火后的等离子体状态，克服了快速响应需求下在轨点火状态难以监测的难题。

实施方式二、本实施方式是对实施方式一提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法的进一步限定，根据所述地面等离子推进器的工质，选择对应的谱带，所述谱带对应的放电室为所述地面等离子推进器对应的放电室。

实施方式三、本实施方式是对实施方式二提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法的进一步限定，所述地面等离子推进器对应的放电室图像，根据多光谱相机以45°视角拍摄得到。

实施方式四、本实施方式是对实施方式一提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法的进一步限定，所述方法还包括：改变向所述地面等离子推进器发送的点火信号的点火工况，重新向所述地面等离子推进器发送点火信号的步骤；

并分别记录每个所述向所述地面等离子推进器发送的点火信号的点火工况下，所述地面等离子推进器对应的放电室图像光强分布状态、电子温度和离子密度的步骤。

实施方式五、本实施方式是对实施方式一提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法的进一步限定，根据多光谱相机的拍摄图像，计算所述在轨等离子推进器对应的放电室内光强分布、离子密度以及电子温度。

实施方式六、本实施方式是对实施方式五提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法的进一步限定，所述多光谱相机以45°视角，对所述在轨等离子推进器进行成像，得到所述在轨等离子推进器的拍摄图像。

实施方式七、本实施方式是对实施方式六提供的一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法的进一步限定，对所述在轨等离子推进器进行成像时，拍摄的曝光时间与拍摄所述地面等离子推进器时一致。

实施方式八、本实施方式提供了一种电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定装置，所述装置是用于实现实施方式一提供的方法的，装置包括：

真空罐，设置在所述真空罐内的地面等离子推进器；

至少两个多光谱相机，用于拍摄所述地面等离子推进器对应的放电室图像，以及拍摄所述在轨等离子推进器对应的放电室图像。

实施方式九、本实施方式提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，当所述计算机程序被计算机读取时，所述计算机执行实施方式一提供的方法。

实施方式十、本实施方式提供了计算机，包括处理器和储存介质，当所述处理器读取所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行实施方式一提供的方法。

实施方式十一、结合图1-3说明本实施方式，本实施方式通过具体实施例，对上述提供的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，具体的：

如图1所示，地面测试过程中，一种常用的电子回旋共振离子推进器101（即地面等离子推进器）固定在真空罐100内，四通道多光谱相机102固定在推进器相同平面内，相机轴线与推进器轴线成45°夹角；

多光谱相机的四通道中心波长分别为460nm、820nm和830nm以及880nm，半高全宽为±10nm；

数据处理装置103放置在真空罐外，通过真空罐100上的过真空法兰104连接至多光谱相机102实时处理多光谱相机成像结果，包括放电室内的光强分布，电子温度以及离子密度；

如图2所示，推进器在轨启动时，由卫星壁面202上的可伸缩机械臂201控制多光谱相机102伸出卫星载荷舱，控制多光谱相机102与电子回旋共振离子推进器处于同一水平面；

通过设定机械臂角度，使相机与推进器的物相关系与地面一致；

推进器点火的同时触发多光谱相机102，相机启动时间为1ms，曝光时间为2ms可选；

所述电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法包括多光谱相机，电子回旋共振离子推进器，可伸缩机械臂以及星载计算机，实现过程分为地面测试及在轨判定两部分。

步骤S301，在真空罐内安装在轨使用的电子回旋共振离子推进器并在真空罐内架设多光谱相机，四通道中心波长分别为460nm、820nm和830nm以及880nm，半高全宽为±10nm；将等离子体推进器正常点火，以45°视角利用多光谱相机同步记录此时每个谱带对应的放电室图像光强分布状态，计算出电子温度与离子密度。改变点火工况，记录每个工况的成像结果，将所有的试验结果存入数据库。

步骤S302，通过控制机械臂将多光谱相机伸出卫星本体，调整角度使其以45°对推进器阵列进行成像。地面操作人员发送推进器点火指令的瞬间同步启动多光谱相机（1ms可选），曝光时间与地面试验一致；利用星载计算机对拍摄图像进行快速分析（2ms），判断放电室内的光强分布、离子密度以及电子温度；

参考图3，以离子推进器点火过程中放电室的离子密度监测结果为例，T0时刻进行点火操作，T1时刻等离子体开始产生，此时离子密度初始值为n1，当点火进行到T2时刻时，此时离子密度接近峰值n2，作为点火成功时离子密度的判定标准；

步骤S303，将成像处理结果与地面实验的数据库进行对，如果对比结果一致，则认为点火状态正常；如果对比结果有差异，则反馈至推进系统的微波功率源进行调节，重复步骤S302，直至对比结果一致。

本实例中，所述电子回旋共振离子推进器在轨点火状态光学判定方法具体过程为：以地面点火实验的多光谱成像结果计算得到的光强分布、离子密度及电子温度为判定阈值，当推进器在轨运行时，采用同样的成像方法及成像位置，对点火过程进行成像监测，当光强分布、离子密度及电子温度与地面数据一致，即达到判定阈值时，判定离子推进器点火成功，反之，则判定点火失败，同时给出调节信号并重新进行点火。

以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出本发明提供的技术方案的优点和有益之处，不过以上所述的几个具体实施方式并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的合理修改和改进、实施方式的组合和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。