[发明专利]适用于挠性航天器姿态动力学全物理仿真的方法及系统

说明书

本发明提供一种适用于挠性航天器姿态动力学全物理仿真的方法及系统及系统，涉及航天器动力学与控制技术领域，该方法包括：采用静压气体润滑三轴气浮台模拟航天器在轨飞行时动力学环境；增减台体配重块粗调台体平衡，调整台上导轨上的滑块精调台体质心到原点；对台体进行惯量辨识，得到气浮台三轴转动惯量，确定试验所需缩比系数；通过干扰模拟器来模拟喷气过程中产生的挠性干扰力矩；根据不同的测量范围，测量台体姿态角度，分析挠性附件产生的干扰力矩对航天器的姿态影响。本发明采用挠性干扰力矩生成器模拟挠性附件振动对航天器产生的干扰力矩，可保证其质心保持不变，避免倒台现象；还能为航天器姿态控制方案设计和论证提供参考依据。

技术领域

本发明涉及航天器动力学与控制技术领域，具体地，涉及一种适用于挠性航天器姿态动力学全物理仿真的方法及系统及系统。

背景技术

航天器为了满足更丰富的任务需求，航天器的构型逐渐从刚性向大挠性发展。挠性附件的种类很多，有天线，太阳帆板，伸杆机构等：例如人们设计了附带大型薄膜天线的高轨卫星，天线面积达到了几百平方米；为了满足载荷大功率的供电需求，星上需要携带更大的太阳电池阵；为了避免卫星平台本身的剩磁对探测器影响，采用轻质伸杆机构支撑各类探测器载荷。挠性附件的振动会严重影响航天器平台的指向精度和姿态稳定度。尤其在轨道控制时，航天器需要轨道机动或者轨道位置保持时，轨控发动机点火且推力方向偏心，或是姿控推力器喷气，都会激发出挠性振动，从而影响航天器姿态，严重时会影响任务成败。如1990年美国哈勃望远镜在进出阴影区时由于热变形引起弹性振动，导致姿态稳定度未达指标要求，从而降低了图像质量。1982年美国的“陆地卫星-4号”观测仪受到挠性太阳帆板驱动系统干扰而未达预期性能。因此，针对带挠性部件的航天器高精度控制和高稳定度控制的需求，各型号航天器控制系统必须在静压气体润滑三轴气浮台上进行全物理实验来考核其是否达到指标要求。若直接把挠性附件安装在气浮台上，挠性附件振动带来的质心变化，会导致静压气体润滑三轴气浮台质心偏离气浮球轴承中心，可能会发生倒台现象。

目前已经发表的文献和公开的专利都重点研究挠性航天器在单轴气浮台上的全物理仿真方法，并且有了成熟的方法。李季苏、牟小刚和汪春涛在“大型挠性结构卫星全物理仿真技术研究”(《系统仿真学报》1995.6)提出了一种涉及单轴气浮台挠性航天器仿真试验的方案，设计了一种安装在台体上的挠性臂作为挠性装置模拟设备，并给出了数学仿真结果。周军、刘莹莹在“航天器主动振动反馈全物理仿真试验研究”(《振动、测试与诊断》2008年第28卷第1期)提出了在全物理仿真系统的挠性帆板顶端配置一种微型加速度计，用于测量该处振动的方案。

公开号为CN104133479A的发明专利，公开了一种采用单轴气浮台模拟挠性卫星三轴姿态耦合运动的测试方法，包含以下步骤：步骤1、模拟挠性卫星的X轴刚性主体运动，获取挠性卫星的X向姿态信息；步骤2、构造挠性卫星，模拟挠性卫星的Y向及Z向姿态运动，建立并解算挠性附件的振动动力学模型、空间环境干扰力矩模型；步骤3、计算挠性卫星的Y向姿态信息、挠性卫星的Z向姿态信息、挠性附件耦合力矩、空间环境干扰力矩；步骤4、接收信号控制控制执行机构、力矩输出装置与单轴气浮台模拟挠性卫星三轴姿态运动；步骤5、重复步骤1至步骤4，完成挠性卫星三轴姿态耦合运动的测试。以上方都只适用于单轴气浮台，并不能用于静压气体润滑三轴气浮台，否则会有倒台风险。

公开号为CN106672272A的发明专利，公开了一种带柔性结构航天器的挠性参数在轨辨识地面测试系统，所设计的地面测试系统包括气浮平台、速率陀螺、姿控飞轮、姿控推力器、冷喷气推进系统、挠性航天器运动模拟器、振动测量系统、地面测量系统、地面控制台及运动模拟器控制计算机。该地面仿真验证方法，基于大理石气浮平台，设计了能够模拟大挠性航天器的运动模拟器，通过振动测量系统、速率陀螺、地面测量系统分别获得挠性航天器运动模拟器的柔性结构振动信息、挠性航天器运动模拟器姿态信息和轨道信息，结合姿态控制和轨道控制算法，根据挠性参数辨识算法，采用地面仿真测试方法实现对挠性参数辨识方案的验证。