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系统及其方法技术方案

本发明专利技术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系统，采用单轴气浮台模拟卫星某一轴的姿态运动，包含：姿轨控单元；与姿轨控单元连接的惯性基准单元；与姿轨控单元连接的数学模型解算单元；与姿轨控单元及惯性基准单元连接的控制执行机构；与姿轨控单元连接的测角装置；与姿轨控单元连接的力矩输出装置。本发明专利技术通过对单轴气浮台进行功能扩展，采取物理特性和数学模型相结合的方式，通过数学模型的解算，将星体单轴姿态运动过程中受到的三轴耦合力矩、挠性附件干扰力矩以及空间环境干扰力矩通过力矩输出装置来实现，能够提高采用单轴气浮台验证挠性卫星单轴姿态运动的有效性，更真实的反映卫星在轨的单轴姿态运动。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及一种挠性卫星单轴姿态运动半物理仿真验证技术，具体涉及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。
技术介绍
随着空间技术的发展，现代卫星的飞行任务越来越复杂，一般要求具有绕任意一轴姿态快速机动与快速稳定控制能力，且卫星带有大型天线和大面积挠性帆板。姿态运动过程中卫星的滚动、俯仰和偏航三通道之间存在耦合，使得绕卫星平台任意轴姿态运动问题本质是一个非线性的控制问题。卫星姿态控制系统的设计是在数学仿真的基础上进行控制器参数设计与优化，只能保证在数学仿真的条件下能够满足控制系统性能指标的要求，因此为了验证所设计的控制系统的有效性和可行性，特别是验证星体单轴姿态机动的快速性和单轴姿态控制的高精度、高稳定度指标，一般采用单轴气浮台来模拟星体的单个方向的姿态运动进行方案设计验证。现有的单轴气浮台运动模拟设备，均只用来模拟刚性结构星体单轴运动情况，其运动是线性运动，没有考虑以物理方式模拟卫星挠性干扰和星体三轴耦合干扰等扩展功能。新一代卫星提出了更高的姿态机动与控制精度要求，卫星各轴运动受到的干扰包括挠性附件振动干扰力矩、三轴动力学耦合力矩、运动学耦合，空间环境干扰力矩等形式。这就要求姿轨控分系统在任务研制过程中，必须充分且准确的考虑这些干扰力矩对星体单轴运动可能产生的影响。传统的单轴气浮台试验系统只能模拟卫星一维的姿态运动，无法真实的反映星体三维运动特性；且整个单轴气浮台是一个刚性体，缺少模拟载荷运动和挠性附件振动的模拟器，无法模拟载荷运动和挠性附件振动时产生的干扰力矩，不能反映挠性卫星的挠性附件振动特性以及三轴耦合运动等干扰对卫星主体稳定度的影响，即采用单轴气浮台难以真实有效地反映挠性卫星的在轨单轴姿态运动。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供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，通过在单轴气浮台的功能扩展，采取物理特性和数学模型相结合的方式，通过数学模型的解算，将星体单轴姿态运动过程中受到的三轴耦合力矩以及挠性附件干扰力矩通过力矩输出装置(也可以采用其他同等功能的力矩输出装置)来实现，能够提高采用单轴气浮台验证挠性卫星单轴姿态运动的有效性，更真实的反映卫星在轨的单轴姿态运动。为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种模拟挠性卫星三轴姿态耦合运动的测试系统，采用单轴气浮台模拟卫星X轴的姿态运动，其特点是，包含：姿轨控单元，用于获取挠性卫星的三轴姿态运动，并计算三轴耦合运动的力矩及干扰力矩；与姿轨控单元连接的惯性基准单元，用于获取单轴气浮台连续的惯性角速度信息；与姿轨控单元连接的数学模型解算单元，用于构造挠性卫星的Y向和Z向的姿态运动，建立挠性卫星的姿态动力学模型、运动学模型、挠性附件的振动动力学模型；与姿轨控单元及惯性基准单元连接的控制执行机构，用于产生角动量变化，与单轴气浮台进行角动量交换，控制单轴气浮台完成姿态控制；与姿轨控单元连接的测角装置，用于获取单轴气浮台的角度信息；与姿轨控单元连接的力矩输出装置，用来模拟耦合干扰力矩、挠性附件耦合力矩以及空间环境干扰力矩等。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，其特点是，包含以下步骤：步骤1、单轴气浮台转动轴模拟挠性卫星的X轴刚性主体运动，姿轨控单元接收挠性卫星的X向姿态信息；步骤2、在数学模型解算单元中构造挠性卫星，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、姿轨控单元接收并计算挠性卫星的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、姿轨控单元输出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。所述的步骤1中挠性卫星的X向姿态信息具体为：单轴气浮台的角度信息、单轴气浮台的惯性角速度信息。所述的步骤1具体包含以下步骤：步骤1.1、单轴气浮台转动轴模拟挠性卫星的X轴刚性主体运动；步骤1.2、测角装置获取单轴气浮台的角度信息，并输出至姿轨控单元；步骤1.3、惯性基准单元获取单轴气浮台的惯性角速度信息，并输出至姿轨控单元；步骤1.4、姿轨控单元控制控制执行机构输出角动量与单轴气浮台进行角动量交换。所述的步骤2中模拟挠性卫星的Y向姿态运动具体为：在数学模型解算单元中建立挠性卫星的Y向姿态动力学模型、挠性卫星的Y向运动学模型、挠性卫星的Y向控制执行机构数学模型；所述的模拟挠性卫星的Z向姿态运动具体为：在数学模型解算单元中建立挠性卫星的Z向姿态动力学模型、挠性卫星的Z向运动学模型、挠性卫星的Z向控制执行机构数学模型。所述的步骤2具体包含以下步骤：步骤2.1、在数学模型解算单元中建立挠性卫星的Y向动力学模型，根据惯性基准单元测得的单轴气浮台的惯性角速度信息，解算得到挠性卫星的Y向角速度信息；步骤2.2、在数学模型解算单元中建立并解算挠性卫星的Z向动力学模型，得到挠性卫星的Z向角速度信息；步骤2.3、在数学模型解算单元中建立并解算挠性卫星的Y向运动学模型，根据单轴气浮台的角度信息、惯性基准单元测得的单轴气浮台的惯性角速度信息和Y、Z向角速度信息解算得Y向角度信息，其中，所述的Y、Z向角速度信息由Y、Z向动力学解算得到；步骤2.4、在数学模型解算单元中建立并解算挠性卫星的Z向运动学模型，根据单轴气浮台的角度信息、惯性基准单元测得的单轴气浮台的惯性角速度信息和Y、Z向角速度信息解算得Z向角度信息，其中，所述的Y、Z向角速度信息由Y、Z向动力学解算得到；步骤2.5、在数学模型解算单元中建立并解算挠性卫星的Y向控制执行机构数学模型，得到挠性卫星的Y向角动量信息；步骤2.6、在数学模型解算单元中建立并解算挠性卫星的Z向控制执行机构数学模型，得到挠性卫星的Z向角动量信息；步骤2.7、在数学模型解算单元中建立并解算挠性附件的振动动力学模型，得到挠性附件的模态坐标位移；步骤2.8、在数学模型解算单元中建立并解算空间环境干扰力矩模型，得到空间环境干扰力矩。所述的步骤4具体包含以下步骤：步骤4.1、姿轨控单元根据挠性卫星的Y向角度信息和角速度信息，解算出挠性卫星的Y向力矩信息；步骤4.2、姿轨控单元根据挠性卫星的Z向角度信息和角速度信息，解算出挠性卫星的Z向力矩信息；步骤4.3、姿轨控单元根据挠性卫星的Y向和Z向角速度信息计算挠性卫星的Y向与Z向动力学耦合到X向的干扰力矩；步骤4.4、姿轨控单元根据卫星的Y向和Z向角度和角速度信息计算挠性卫星的Y向与Z向运动学耦合到X向的干扰力矩；步骤4.5、姿轨控单元将挠性附件耦合力矩、空间环境干扰力矩、挠性卫星的Y向与Z向动力学耦合到X向的干扰力矩、挠性卫星的Y向与Z向运动学耦合到X向的干扰力矩发送至力矩输出装置；步骤4.6、姿轨控单元将Y向与Z向的角动量信息发送至控制执行机构(4)；步骤4.7、力矩输出装置产生反作用力矩作用到单轴气浮台上，姿轨控单元控制控制执行机构输出角动量与单轴气浮台进行角动量交换，产生反作用力到单轴气浮台上。所述的模拟卫星的动力学模型为：式中Isx,Isy,Isz,Ixy,Ixz,Iyz——挠性卫星主体部分在三轴坐标系中的转动惯量矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟挠性卫星三轴姿态耦合运动的测试系统，采用单轴气浮台模拟卫星X轴的姿态运动，其特征在于，包含：姿轨控单元(1)，用于获取挠性卫星的三轴姿态运动，并计算三轴耦合运动的力矩及干扰力矩；与姿轨控单元(1)连接的惯性基准单元(2)，用于获取单轴气浮台连续的惯性角速度信息；与姿轨控单元(1)连接的数学模型解算单元(3)，用于构造挠性卫星的Y向和Z向的姿态运动，建立挠性卫星的姿态动力学模型、运动学模型、挠性附件的振动动力学模型；与姿轨控单元(1)及惯性基准单元(2)连接的控制执行机构(4)，用于产生角动量变化，与单轴气浮台进行角动量交换，控制单轴气浮台完成姿态运动；与姿轨控单元(1)连接的测角装置(5)，用于获取单轴气浮台的角度信息；与姿轨控单元(1)连接的力矩输出装置(6)，用来模拟耦合干扰力矩、挠性附件干扰力矩以及空间环境干扰力矩等。

【技术特征摘要】
1.一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，用于模拟挠性卫星三轴姿态耦合运动的测试系统中，所述的测试系统采用单轴气浮台模拟卫星X轴的姿态运动，所述的测试系统包含：姿轨控单元(1)，用于获取挠性卫星的三轴姿态运动，并计算三轴耦合运动的力矩及干扰力矩；与姿轨控单元(1)连接的惯性基准单元(2)，用于获取单轴气浮台连续的惯性角速度信息；与姿轨控单元(1)连接的数学模型解算单元(3)，用于构造挠性卫星的Y向和Z向的姿态运动，建立挠性卫星的姿态动力学模型、运动学模型、挠性附件的振动动力学模型；与姿轨控单元(1)及惯性基准单元(2)连接的控制执行机构(4)，用于产生角动量变化，与单轴气浮台进行角动量交换，控制单轴气浮台完成姿态运动；与姿轨控单元(1)连接的测角装置(5)，用于获取单轴气浮台的角度信息；与姿轨控单元(1)连接的力矩输出装置(6)，用来模拟耦合干扰力矩、挠性附件耦合力矩以及空间环境干扰力矩，其特征在于，该测试方法包含以下步骤：步骤1、单轴气浮台转动轴模拟挠性卫星的X轴刚性主体运动，姿轨控单元(1)接收挠性卫星的X向姿态信息；步骤2、在数学模型解算单元(3)中构造挠性卫星，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、姿轨控单元(1)接收并计算挠性卫星的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、姿轨控单元(1)输出信号控制控制执行机构(4)、力矩输出装置(6)与单轴气浮台模拟挠性卫星三轴姿态运动；所述的步骤4包含步骤4.1、姿轨控单元(1)根据挠性卫星的Y向角度信息和角速度信息，解算出挠性卫星的Y向力矩信息；步骤4.2、姿轨控单元(1)根据挠性卫星的Z向角度信息和角速度信息，解算出挠性卫星的Z向力矩信息；步骤4.3、姿轨控单元(1)根据挠性卫星的Y向和Z向角速度信息计算挠性卫星的Y向与Z向动力学耦合到X向的干扰力矩；步骤4.4、姿轨控单元(1)根据卫星的Y向和Z向角度和角速度信息计算挠性卫星的Y向与Z向运动学耦合到X向的干扰力矩；步骤4.5、姿轨控单元(1)将挠性附件耦合力矩、空间环境干扰力矩、挠性卫星的Y向与Z向动力学耦合到X向的干扰力矩、挠性卫星的Y向与Z向运动学耦合到X向的干扰力矩发送至力矩输出装置(6)；步骤4.6、姿轨控单元(1)将Y向与Z向的角动量信息发送至控制执行机构(4)；步骤4.7、力矩输出装置(6)产生力矩作用到单轴气浮台上，姿轨控单元(1)控制控制执行机构(4)输出角动量与单轴气浮台进行角动量交换，产生反作用力矩到单轴气浮台上；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。2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤1中挠性卫星的X向姿态信息具体为：单轴气浮台的角度信息、单轴气浮台的惯性角速度信息。3.如权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤1具体包含以下步骤：步骤1.1、单轴气浮台转动轴模拟挠性卫星的X轴刚性主体运动；步骤1.2、测角装置(5)获取单轴气浮台的角度信息，并输出至姿轨控单元(1)；步骤1.3、惯性基准单元(2)获取单轴气浮台的惯性角速度信息，并输出至姿轨控单元(1)；步骤1.4、姿轨控单元(1)控制控制执行机构(4)输出角动量与单轴气浮台进行角动量交换。4.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤2中模拟挠性卫星的Y向姿态运动具体为：在数学模型解算单元(3)中建立挠性卫星的Y向姿态动力学模型、挠性卫星的Y向运动学模型、挠性卫星的Y向控制执行机构数学模型；所述的模拟挠性卫星的Z向姿态运动具体为：在数学模型解算单元(3)中建立挠性卫星的Z向姿态动力学模型、挠性卫星的Z向运动学模型、挠性卫星的Z向控制执行机构数学模型。5.如权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤2具体包含以下步骤：步骤2.1、在数学模型解算单元(3)中建立挠性卫星的Y向动力学模型，根据惯性基准单元测得的单轴气浮台的惯性角速度信息，解算得到挠性卫星的Y向角速度信息；步骤2.2、在数学模型解算单元(3)中建立并解算挠性卫星的Z向动力学模型，得到挠性卫星的Z向角速度信息；步骤2.3、在数学模型解算单元(3)中建立并解算挠性卫星的Y向运动学模型，根据单轴气浮台的角度信息、惯性基准单元测得的单轴气浮台的惯性角速度信息和Y、Z向角速度信息解算得到Y向角度信息，其中，所述的Y、Z向角速度信息由Y、Z向动力学解算得到；步骤2.4、在数学模型解算单元(3)中建立并解算挠性卫星的Z向运动学模型，根据单轴气浮台的角度信息、惯性基准单元测得的单轴气浮台的惯性角速度信息和Y、Z向角速度信...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪礼成，吴德安，吴敬玉，贾艳胜，张涛，李小斌，钟超，王新，裴甲瑞，
申请(专利权)人：上海新跃仪表厂，
类型：发明
国别省市：上海;31