双五自由度气浮主从式非接触双超卫星地面原理验证系统

摘要

本发明提供了一种双五自由度气浮主从式非接触双超卫星地面原理验证系统，包括主从式非接触双超卫星，还包括多组采用主动气浮方式的气浮单元；每组气浮单元包括平面气浮装置和球面气浮装置，其中，球面气浮装置设置在平面气浮装置的顶部；主从式非接触双超卫星的载荷舱由一组气浮单元支撑在地面上，主从式非接触双超卫星的平台舱由另一组气浮单元支撑在地面上。本发明构型上采用两舱五自由度主动气浮，实现从两舱三维转动、两维平动这五个自由度验证主从式非接触双超卫星的原理可行性及姿态控制性能潜力评估的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及双超卫星领域，具体地，涉及双五自由度气浮主从式非接触双超卫星地面原理验证系统。

背景技术

主从式非接触双超卫星平台打破传统卫星载荷舱与平台舱固连设计思路，采用“动静隔离非接触、主从解耦高精度”的全新设计方法，使得载荷指向与稳定度不再依靠平台控制系统实现，通过平台舱与载荷舱动静隔离，从物理上隔离平台舱的微振动干扰，可从根本上解决载荷指向精度与稳定度难以大幅提升的重大难题。

与目前传统方法相比，主从式非接触双超卫星平台具有以下特点：1)双超性能：主从式非接触双超卫星平台以空间上动静隔离，控制上主从协同的全新思想和方法，采用完全位姿解耦构型和滑模层控制思想，利用高精度、高带宽非接触磁浮机构，实现卫星姿态指向精度优于5×10^-4度、姿态稳定度优于5×10^-6度/秒的超高精度，彻底解决双超技术瓶颈，实现了载荷姿态的完全可测可控。2)全频带隔振：主从式非接触双超卫星平台两舱通过磁浮机构非接触连接，实现动静隔离，直接隔断平台舱活动和挠性部件向载荷舱的微振动传递，有效保障载荷的超精超稳工作状态，从而达到全频带隔振的效果，极大降低了对控制系统产品的带宽需求。3)隔离平台热变形：相比传统固连设计，主从式非接触双超卫星平台两舱空间隔离，有效避免了平台热变形对载荷指向的影响。此外，双超卫星还具有简单易行、安全可靠、冗余度高、质量小功耗低等优点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双五自由度气浮主从式非接触双超卫星地面原理验证系统。

根据本发明提供的一种双五自由度气浮主从式非接触双超卫星地面原理验证系统，包括主从式非接触双超卫星，还包括多组采用主动气浮方式的气浮单元；

每组气浮单元包括平面气浮装置和球面气浮装置，其中，球面气浮装置设置在平面气浮装置的顶部；

主从式非接触双超卫星的载荷舱由一组气浮单元支撑在地面上，主从式非接触双超卫星的平台舱由另一组气浮单元支撑在地面上。

优选地，球面气浮装置包括球面轴承、球面轴承座、气罐；

球面轴承与球面轴承座配合设置；

球面轴承设置在载荷舱的底部或者平台舱的底部；

球面轴承座设置有喷气通道和喷气口，喷气口通过喷气通道连通气罐的输出口；

喷气口位于球面轴承座相对球面轴承的面上。

优选地，平面气浮装置包括气足板、气罐；

气足板设置有喷气通道和喷气口，喷气口通过喷气通道连通气罐的输出口；

喷气口位于气足板的底面。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用气浮方式模拟空间失重环境，可以应用于在地面上验证主从式非接触双超卫星所采用“动静隔离非接触、主从解耦高精度”的全新设计方法的可行性以及在三维转动和两维平动方向上姿态控制性能评估。主从式非接触双超卫星平台可实现载荷指向精度、稳定度分别高达10^-4度、10^-6度/秒的双超控制，可应用于高分遥感、高精度编队、高性能激光通信、深空探测等领域。

本发明构型上采用两舱五自由度主动气浮，两舱通过非接触磁浮机构实现动静隔离，控制上采用载荷舱为主，平台舱跟踪载荷舱从动控制以及两舱相对位置控制保证两舱不相碰撞且不分离过远，从而达到从两舱三维转动、两维平动这五个自由度验证主从式非接触双超卫星的原理可行性及姿态控制性能潜力评估的目的。

球面气浮装置依靠气罐内的压缩气体在球面轴承、球面轴承座之间形成的气膜，使舱体浮起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件，以模拟舱体在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境，两舱的两维平动通过采用四个或多个平面气浮轴承将舱体浮起。

载荷舱、平台舱这两舱通过非接触磁浮机构实现动静隔离，实现两舱在X、Y、Z轴方向上的小角度姿态转动，以及X轴和Y轴方向上的平动，可验证除重力方向上的其他五个方向上的双超卫星设计原理以及评估姿态控制潜力，两舱之间的动静隔离利用电磁力或静电力方式实现。载荷舱以及平台舱均通过平面气浮装置在光滑的大理石平台上实现二维平动，并通过球面气浮装置球面轴承实现三维转动。

地面试验系统进行原理性验证时，首先需要对双超卫星原理样机进行质量特性调整，使其水平方向质心调节精度达0.1gf·cm，具体实施过程分为质心预调节、手动粗调平和自动精调平。其中手动粗调平利用不同规格的标准质量块，自动精调平采用测量精度高达1μm的高精度定位台实现。通过本发明提供的系统可验证两舱三维转动和两维平动的控制，可以在除重力方向上多个自由度实现并验证主从式非接触双超控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为双五自由度气浮主从式非接触双超卫星地面原理验证系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

双超卫星是一个全新的设计理念，需要通过地面试验验证其设计原理的可行性。与目前传统方法相比，双五自由度气浮主从式非接触双超卫星地面原理验证系统具有以下特点：1)符合“动静隔离非接触，主从协同高精度”的双超卫星设计理念；2)控制通道更多，通过五自由度的载荷舱主动气浮、五自由度的平台舱主动气浮，通过磁浮机构实现动静隔离非接触；载荷舱为主，平台舱跟随载荷舱从动控制，实现在三维转动、两维平动方向上的主从协同高精度控制；3)采用气浮方式模拟空间失重环境技术成熟可靠，容易实现。

主从式非接触双超卫星主要由载荷舱和平台舱组成，载荷舱安装有效载荷、光纤陀螺、星敏感器、磁浮机构定子等安静部件，平台舱安装有太阳帆板及其驱动机构、飞轮、推力器、贮箱、天线、磁浮机构动子等活动部件。载荷舱和平台舱之间通过非接触磁浮机构实现动静隔离。

如图1所示，双五自由度气浮主从式非接触双超卫星地面原理验证系统主要由五自由度主动气浮的载荷舱1、平台舱2、非接触磁浮机构3组成。载荷舱1设置有激光角位置传感器12、光纤陀螺13、第一磁浮机构磁铁31以及载荷舱姿态控制单元15这些安静部件。平台舱2由通用的卫星模块组成，设置有第二磁浮机构磁铁32、太阳帆板驱动机构23、外部执行机构、太阳电池阵24等挠性附件以及平台舱姿态控制单元25，外部执行机构包括推力器21、飞轮22这些活动部件。载荷舱、平台舱各通过五自由度气浮台主动气浮在光滑的大理石平台上。载荷舱1的上方设置有镜子500。

载荷舱姿态控制回路：激光角位置传感器12、光纤陀螺13等姿态敏感器提供载荷舱1的姿态角、姿态角速度等信息，并反馈至载荷舱姿态控制单元15，载荷舱姿态控制单元15根据载荷舱姿态信息产生相应动作指令，通入磁浮机构线圈相应的电流值，驱动非接触磁浮机构3产生控制力矩，控制载荷舱1达到预期的姿态指向精度和稳定度。

平台舱相对姿态控制回路：非接触磁浮机构3上的距离测量装置检测两舱相对位置和相对速度，解算两舱相对姿态角和相对姿态角速度信息，反馈至平台舱姿态控制单元25，平台舱姿态控制单元25根据两舱相对姿态信息解算出姿态控制指令并驱动外部执行机构产生姿态控制力矩，控制平台舱2的姿态在预定的精度内跟随载荷舱1的运动。

平台舱相对位置控制回路：非接触磁浮机构3上的距离测量装置检测两舱相对位置和相对速度信息，并反馈给平台舱姿态控制单元25，平台舱姿态控制单元25解算出位置控制指令并驱动非接触磁浮机构3使其产生位置控制力，控制平台舱2与载荷舱1的相对位置保持在预期的阈值内。

具体地，根据本发明提供的一种双五自由度气浮主从式非接触双超卫星地面原理验证系统，包括主从式非接触双超卫星，还包括多组采用主动气浮方式的气浮单元；每组气浮单元包括平面气浮装置和球面气浮装置，其中，球面气浮装置设置在平面气浮装置的顶部；主从式非接触双超卫星的载荷舱由一组气浮单元支撑在地面上，主从式非接触双超卫星的平台舱由另一组气浮单元支撑在地面上。

球面气浮装置包括球面轴承100、球面轴承座200、气罐；球面轴承与球面轴承座配合设置；球面轴承设置在载荷舱的底部或者平台舱的底部；球面轴承座设置有喷气通道和喷气口，喷气口通过喷气通道连通气罐的输出口；喷气口位于球面轴承座相对球面轴承的面上。

平面气浮装置包括气足板300、气罐；气足板设置有喷气通道和喷气口，喷气口通过喷气通道连通气罐的输出口；喷气口位于气足板的底面。气足板300的喷气口喷出高压气体形成气足400。

本发明采用平面气浮和球面气浮的主动气浮方式，通过磁浮机构实现平台舱与载荷舱动静隔离，采用载荷舱主动控制，平台舱跟随从动控制，可以从两舱三维转动、两维平动这五个自由度验证主从式非接触双超卫星的可行性及其姿态控制性能潜力评估。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。