本發明屬于航天器結構健康監測領域，涉及一種航天器外殼體遭受空間碎片撞擊的定位系統與定位方法，利用空間碎片撞擊航天器殼體結構所產生的面內剪切波對撞擊位置進行定位，具有較高的定位精度。

背景技術：

隨著人類航天活動的不斷發展，空間碎片環境持續惡化，這給長壽命航天器的在軌運行安全造成了極大威脅。

對于航天器遭受空間碎片撞擊的感知與定位技術主要包括基于聲發射技術的感知定位、基于加速度計的感知定位、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、基于電磁波發射技術的感知定位和基于光學相機的表面檢測等。綜合考慮空間環境適應性、系統集成性、技術成熟度和經濟性等因素，基于聲發射技術的感知定位的綜合性能表現最優，成為航天器結構健康監測領域的研究熱點。

目前，基于聲發射技術的感知定位系統主要是通過采集空間碎片撞擊航天器殼體結構所產生的Lamb波進行感知與定位的，但是Lamb波在航天器殼體內的傳播速度與頻率和殼體厚度有關，因此在傳感器數量一定的前提下，系統定位精度不高。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種航天器遭受空間碎片撞擊的定位系統與定位方法，通過面內剪切波型壓電傳感器采集撞擊引起的SH0波進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關的特點，實現了撞擊位置的高精度定位。

本發明的技術解決方案是：一種航天器遭受空間碎片撞擊的定位系統，包括面內剪切波壓電傳感器、電荷放大器和數據處理單元，其中面內剪切波壓電傳感器固定在航天器結構的內表面，多個面內剪切波壓電傳感器組成傳感器陣列，電荷放大器將各個面內剪切波壓電傳感器獲取的信號進行放大后送至數據處理單元；所述的數據處理單元根據各個面內剪切波壓電傳感器采集信號最高峰值出現時刻的先后順序，將面內剪切波壓電傳感器位置進行臨時編號，并將前四個面內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最大峰值出現的時刻分別記為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為撞擊定位結果；否則根據各個面內剪切波壓電傳感器采集到的第二峰值出現的先后順序，將面內剪切波壓電傳感器位置進行臨時編號，重新將前四個面內剪切波壓電傳感器位置記為A、B、C、D后重新畫圓并繼續判斷，每重復編號畫圓定位一次，若定位不成功，則順序使用更小的峰值進行下一次判斷，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)在航天器結構的內表面布置面內剪切波壓電傳感器，多個面內剪切波壓電傳感器組成傳感器陣列；

(b)各個面內剪切波壓電傳感器實時采集撞擊引起的電壓隨時間變化的信號；

(c)根據各個面內剪切波壓電傳感器采集信號最高峰值出現時刻的先后順序，將面內剪切波壓電傳感器位置進行臨時編號，并將前四個面內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最大峰值出現的時刻分別記為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為撞擊定位結果；否則根據各個面內剪切波壓電傳感器采集到的第二峰值出現的先后順序，將面內剪切波壓電傳感器位置進行臨時編號，重新將前四個面內剪切波壓電傳感器位置記為A、B、C、D后返回步驟(d)，當再次執行本步驟時，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作為撞擊定位結果。

所述的傳感器陣列中，任意相鄰的兩個面內剪切波壓電傳感器的間距小于2m。

所述的面內剪切波壓電傳感器的工作頻率范圍為120kHz～230kHz。

所述面內剪切波壓電傳感器獲取的信號為碰撞產生的SH0波。

所述的δ為2mm。

本發明與現有技術相比的優點在于：本發明方法首次采用面內剪切波傳感器進行空間碎片的撞擊定位，能夠將空間碎片撞擊航天器艙壁產生的復雜板波信號中120kHz～230kHz頻域范圍內的面內剪切波SH0波轉化為電信號，而傳統方法利用超聲傳感器只能采集到的Lamb波。雖然面內剪切波傳感器采集到的原始信號仍然含有對稱波和反對稱波，造成電壓-時間曲線上的多個峰值，本發明進而提出四點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的4個傳感器中的后3個傳感器位置為圓心，分別以后3個傳感器與第1個傳感器峰值信號時間差乘以面內剪切波波速為半徑做3個圓，然后做這3個圓的最小公切圓，公切圓圓心即可能的撞擊位置，進而通過判斷該公切圓是否與第1個傳感器位置重疊，來判斷該峰值是否為面內剪切波SH0波，若否，順序使用更小的峰值進行下一次判斷，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，操作簡單，計算量小，從撞擊發生到獲得撞擊位置結果的響應速度快，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(對稱波和反對稱波)和虛擬波速的傳統定位方法存在的定位誤差大的缺點，具有定位精度高的優勢。

附圖說明

圖1為本發明定位系統的組成原理框圖；

圖2為本發明傳感器采集的撞擊信號示意圖，橫軸為時間，縱軸為電壓；

圖3為本發明數據處理單元的四點幾何定位方法原理圖；

圖4為本發明據處理單元的四點幾何定位方法流程圖。

具體實施方式

如圖1所示，為本發明定位系統的組成原理框圖，本發明系統主要包括面內剪切波壓電傳感器1、數據傳輸線2、電荷放大器3和數據處理單元4，圖中5為航天器結構。面內剪切波壓電傳感器1通過膠接固定在航天器結構5的內表面，多個面內剪切波壓電傳感器1組成傳感器陣列(例如，任意最近鄰傳感器間距小于2m)，經數據傳輸線2與電荷放大器3連接，電荷放大器3經數據傳輸線2與數據處理單元4連接。

面內剪切波壓電傳感器1由壓電陶瓷PZT制作而成，制作方法同文獻Smart Mater.Struc.25(2016)和Ultrasonics 74,167(2017)。該傳感器利用壓電系數d₂₄進行機電信號轉換，能對120kHz～230kHz頻率范圍內面內剪切波SH0波進行感知。數據傳輸線2采用BNC-Microdot同軸電纜、電荷放大器3采用Olympus公司的5660B設備，數據處理單元4采用National Instruments公司的PXI-5105和PXIe-8840設備。航天器結構5為網格加筋鋁合金密封艙。

當航天器發生空間碎片撞擊事件時，撞擊導致的聲發射信號在航天器殼體內傳播形成Lamb波和SH0波，兩種波在航天器殼體內傳播至各個面內剪切波壓電傳感器1，面內剪切波壓電傳感器1能夠在120kHz～230kHz頻率范圍內將SH0波以高靈敏度轉化為電信號，而將其它成分的波轉化為非常微弱的電信號，數據處理單元4根據四個面內剪切波壓電傳感器1采集到信號峰值的時刻，進行幾何定位，得到撞擊位置。

圖2為本發明傳感器采集的撞擊信號示意圖，是電壓隨時間的變化曲線。從該信號曲線中可以提取各個電壓峰值對應的時刻。

數據處理單元4根據采集信號進行定位的原理如圖3所示，定位方法流程如圖4所示，具體包括：

a.對航天器撞擊定位系統通電，進行實時信號采集；

b.發生空間碎片撞擊航天器事件；

c.各個面內剪切波壓電傳感器1采集撞擊引起的電壓隨時間變化信號，如圖2所示，從該信號曲線中可以提取各個電壓峰值對應的時刻；

d.根據各面內剪切波壓電傳感器1采集信號最高峰值出現的時刻先后順序，將面內剪切波壓電傳感器1位置進行臨時編號，前四個面內剪切波壓電傳感器1位置分別記為A、B、C、D；

e.A、B、C、D四處面內剪切波壓電傳感器1采集到的信號最大峰值出現的時刻分別記為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為圓心的三個圓上的每個點均為t_A時刻面內剪切波波峰的可能位置，撞擊產生的真實面內剪切波波峰必定是經每個圓中的某一點并沿著該圓半徑方向由遠及近傳播到該傳感器位置。而且，真實面內剪切波波峰在t_A時刻一定分布在以撞擊位置為圓心的同一個圓上，沿著圓的所有半徑方向由近及遠傳播，該圓只有與其它三個圓均相切，才能滿足波的直線傳播規律，真實傳播路徑即過每個切點的兩個相切圓半徑的連線。

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，根據實際需求確定(通常δ可取為2mm量級)，則O為撞擊定位結果；

i.若公切圓與位置A不重疊，即距離|OA-v_×t_A|＞δ，則根據面內剪切波壓電傳感器1采集到的第二峰值(每重復一次，峰值數加一，也即第一次以第一峰值的排序來進行，第二次以第二峰值的，以此類推)出現的先后順序，將面內剪切波壓電傳感器1位置進行臨時編號，前四個面內剪切波壓電傳感器1位置分別記為A、B、C、D，重復步驟e～i，直至公切圓與位置A重疊，即距離|OA-v_×t_A|≤δ，位置O即為撞擊定位結果。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。