[发明专利]一种简易式卫星对地指向控制辅教装置及其工作方法

说明书

本发明公开了一种简易式卫星对地指向控制辅教装置及其工作方法，包括场景模拟模块以及设于该场景模拟模块正上方的卫星演示模块，所述场景模拟模块包括显示屏，所述显示屏内嵌于底座的凹槽中，该底座通过承力结构固定连接所述卫星演示模块，以支撑整个卫星演示模块并提供二自由度的姿态运动。

技术领域

本发明涉及辅助教学实验装置领域，具体为一种简易式卫星对地指向控制辅教装置及其工作方法。

背景技术

近十年来，国内多所高校都已开办航天学院，旨在培养航天国防类人才。而本科阶段主要采用的是将科研、教育、生产在功能与资源优势上有机结合的“产学研”培养模式。其中，课堂教学作为产学研的主阵地，是不可忽视的关键环节。特别是专业实验课教学，在将基础教育提升到科研实力进而转化为生产力的过程中起着举足轻重的作用。以卫星的对地指向控制为例，其作为卫星在轨的基本功能之一，能够保证天线始终指向地球，确保通信稳定。由于市场上没有此类辅教装置，普遍的教授模式还是局限于课本和动力学仿真。这种传统的纯数学仿真模式容易造成理论知识和实际应用的结合不够紧密，而且单纯的理论知识学习也难以直接适用于航天工程中控制技术的应用研究，违背了该实验课程的教学目标。

在现有相关技术中，虽然已有气浮台、三轴转台等卫星姿态控制地面仿真测试设备，但由于高精密制作和应用目的的不同，其价格往往十分昂贵，操作复杂，体积庞大，不具有可视化功能且需要定期的检修和维护，不便于普及到实验教学中。因此急需开发一类与卫星姿态控制相关的简易式辅教装置，它既能满足实验课程的各方面需求，又能控制成本，可以大规模采购。

发明内容

为了将卫星对地指向控制可视化并应用到教学中，降低成本，本发明公开了一种简易式卫星对地指向控制辅教装置，旨在通过场景模拟模块实现卫星对地指向控制演示，通过卫星演示模块进行姿态的调整和控制。

本发明的技术方案如下：一种简易式卫星对地指向控制辅教装置，包括场景模拟模块以及设于该场景模拟模块正上方的卫星演示模块，所述场景模拟模块包括显示屏，显示屏内嵌于底座的凹槽中，该底座与承力结构固连，用以支撑整个卫星演示模块的重量。

作为优选，承力结构由铝合金加工制成并通过螺丝固连于所述底座上，在其顶端嵌入一端带法兰轴的万向节，通过该万向节连接所述卫星演示模块，提供卫星二自由度姿态运动。

作为优选，卫星演示模块包括卫星外形模块和姿态控制模块，卫星外形模块包括卫星承力壳体、设于该卫星承力壳体两侧的太阳帆板以及加装于底部的点状红光模组；姿态控制模块设于所述卫星承力壳体内部，包括执行器模块和控制该模块运动的主控模块，分别设于所述卫星承力壳体内部的隔板层上下两侧。

作为优选，点状红光模组对应场景模拟模块的显示屏并与主控板电性连接，通过该点状红光模组内部的激光管投射光点于显示屏上以模拟卫星天线的指向和星下点轨迹。

作为优选，主控模块包括主控板，该主控板电性连接电源接口、USB串口、蓝牙、启动按键和六轴陀螺仪。

作为优选，执行器模块包括两组无刷电机和飞轮，两组无刷电机通过电机支架固定连接于隔板层下方，无刷电机连接飞轮，以驱动飞轮旋转产生控制力矩。

作为优选，隔板层的上侧固定有主控模块，下表面固连有电机支架，用于安装无刷电机；整个隔板可取出进行零部件组装，并利用壳体内部凸台和电机支架提供足够的支撑。

本发明还公开了简易式卫星对地指向控制辅教装置的工作方法，STEP1，将控制程序通过所述USB串口进行烧录，并通过所述电源接口接入外接电源，使所述蓝牙、六轴陀螺仪和点状红光模组开始工作；STEP2，打开交互界面，对串口参数进行配置，并与所述卫星演示模块建立蓝牙通信链路，开始实时显示动态信息；STEP3，在所述卫星演示模块处于竖直位置时按下启动按键，实现对卫星模型的对地指向控制，打开显示屏开关观察红点在显示屏表面的移动；STEP4，在交互界面手动修改角度环和速度环参数，观察不同控制参数条件下超调、响应时间、稳态误差以及收敛性的变化。