自适应六自由度气浮仿真试验台及其计算方法技术

本发明专利技术提供了一种用于卫星地面测试的自适应六自由度气浮仿真试验台，包括试验台、下工位机构和上工位机构；下工位机构包括下工位平台、升降支架、升降驱动机构、气浮轴颈轴承、第一气浮平面轴承、第一气浮球轴承、自适应气浮组；自适应气浮组包括自适应支架、第二气浮平面轴承、第二气浮球轴承。本发明专利技术为上工位机构提供具有六个自由度的卫星气浮仿真试验，可以更全面、真实地检查卫星测控系统的性能，尤其是全方位的变轨性能；下工位平台通过自适应气浮组以自适应方式与试验台保持平行，减轻了试验台的加工难度，也为更大尺度的试验提供了可能性；试验台可采用局部小平台无限拼接的形式，能够满足地面大尺度试验要求，为多卫星变轨和编队试验提供了条件。轨和编队试验提供了条件。轨和编队试验提供了条件。

【技术实现步骤摘要】
自适应六自由度气浮仿真试验台及其计算方法


[0001]本专利技术涉及卫星地面测试仿真试验系统领域，具体是一种自适应六自由度气浮仿真试验台及其计算方法。

技术介绍

[0002]自20世纪90年代以来，出现了不同于以往卫星概念的提升卫星性能和生存能力的革命性技术——新型现代小卫星群技术。例如近年来科学家们提出的“分离模块航天器(fractionated spacecraft modules)”概念，把一个在轨服务航天器按功能分解为许多专门功能的小卫星模块，这些小卫星模块物理分离，通过编队飞行和无线传输方式构成一颗虚拟的大卫星，以完成特定的任务：如组成大型的太空望远镜阵列，用以搜寻太阳系外适合人类生存的类地行星或者找寻太空中的生命物体，去检测近地星体的运动；又如观测其它卫星等航天器，或直接去维修那些出故障的卫星；还可以捕捉地球表面图像，监测地球冰面或洪水变化，等等。
[0003]2021年1月25号美国太空探索技术公司“猎鹰9”火箭24日携带143颗卫星升空，创下单次发射卫星数目之最，就是当今最好的例子。
[0004]但是，为了实现小卫星群的编队和变轨飞行，就需要在地面对卫星的测控系统进行全面的仿真参数测试。
[0005]鉴于卫星和卫星上的测控部件众多，每个卫星的质测(质心、惯量、惯性积等的确定)，滑变模结构的控制，以及众多小卫星群的编队等，是一个很复杂的问题，很难用数学方法解决。
[0006]相比之下，为了实现这一目标，气浮仿真试验台(亦称卫星控制系统全物理仿真平台)是研制卫星等航天器过程中一种特有的、有效的仿真方法。试验时，气浮仿真试验台上多轴气浮仿真试验台的运动可以近似地模拟外太空环境下航天器微重力、零摩擦的空间活动。与数学仿真相比，全物理仿真用气浮仿真试验台作为航天器运动模拟器直接控制回路，避免了某些部件难于建立精确数学模型的困难。这些部件对控制系统的性能及影响将直观而有效地反映在仿真试验中。这对于验证卫星控制系统方案设计的正确性、检验实际控制系统的功能和性能十分重要。美国NASA自1975年以来的空间飞行任务成功率极高，这与其所坚持的“航天器控制方案须经过气浮仿真试验台全物理仿真验证，星上控制产品须经过半物理仿真闭路检验”这样一套研制程序是分不开的。
[0007]早期卫星等航天器的地面仿真试验基本是在一个静止的气浮仿真试验台上进行，试验台提供绕三个轴旋转的自由度来模拟航天器的空间姿态运动。但是现代小卫星在太空中需要有很好的轨道机动性，很多时候需要变轨飞行，所以对其测试就需要一个动态的多自由度气浮仿真试验台以提供更多的空间自由度，包括姿态旋转运动以及轨道线性运动自由度。
[0008]随着航天技术的迅速发展，开发和研制三自由度、四自由度，五自由度，甚至全自由度气浮仿真试验系统，是研究现代小型智能敏捷航天器一个重要的不可缺少的环节，在
航天器系统的功能测试、指标检验、模拟运行、故障诊断、故障复现和处理对策研究等方面有巨大的需求和作用。
[0009]但是，到现在为止，只报道了五自由度的气浮仿真试验系统(参考文献1)，而为了卫星变轨等机动要求，需要气浮仿真试验系统能提供全方位(六自由度)的气浮仿真试验系统。
[0010]更重要的是，为了卫星等航天器变轨和集群飞行的需要，气浮仿真试验系统需要在大尺度的试验台平面上进行大尺度范围的变轨试验，甚至是多个气浮仿真试验系统在地面仿真平台上进行集群系统的变轨试验。
[0011]例如作为美国类地行星发现计划的一部分，美国航天宇航局喷气推进实验室(NASA JPL)正研制地面编队飞行模拟器的仿真平台(Formation Control Testbed—FCT，(参考文献2，3)，以期在地面环境下研究和模拟空间自主编队飞行任务。仿真平台工作面积约为156英寸x168英寸，外加停机场面积为40英寸x58英寸，平台由14块小金属板拼接而成。表面不平度小于0.001英寸(0.025毫米)，水平度小于几个毫弧度。平台上有三个气浮仿真试验台，可以满足航天器进行编队飞行试验。
[0012]美劳伦斯国家实验室(Lawrence Livermore National Lab)建立的室外的气浮试验台，其轨道气浮轴承系统漂浮在一个100～200米长的光滑轨道上。虽然它只能够在一个线性方向上移动，但由于移动距离很长，可以真实再现实际的小卫星的机动飞行，并可以提供一种改进航行机动性以及更精确的位置追踪的实验测试手段(参考文献4).
[0013]由于在下工位上的气浮平面轴承的气膜厚仅约15微米左右，倾斜度小于120微弧度，这就要求气浮平面轴承与大尺度的试验台平面之间的平行度非常严格。如果不平行度太大，可以造成气浮平面轴承的一端与地面大尺度的试验台平面相碰，丧失了气浮性能；而另一端由于气隙太大，产生气隙震荡。因此，地面大尺度的试验台平面的平行度要求随着平台面积的增大而更为严格，以至给加工如此高的不平度要求的地面大尺度试验台平面带来特殊的困难和昂贵的造价。加以随着时间、温度和湿度等的变化，平台的不平度也会随之变化。所有这些因素，需要下工位上的平面气浮模块具有自适应功能，能随着地面大尺度的试验台平面的不平度等误差自动地调节其与地面大尺度的试验台平面的平行度。
[0014]专利技术专利申请CN111024310A提供了一种用于卫星高精度质测的多维气浮随动系统(参考文献5)，包括球面气浮模块、圆柱气浮模块、平面气浮模块、二轴回转组件、上平台、传力筒、差分测试模块、机架、气路控制系统，球面气浮模块通过上平台支承被测件的重量，具备三个转动自由度；圆柱气浮模块作为径向支承传递径向载荷，具备移动和转动自由度；传力筒设置在球面气浮模块，圆柱气浮模块之间；二轴回转组件配合球面气浮实现任意相位力矩平衡，具备俯仰、滚转自由度；平面气浮模块用于支撑二轴回转组件，具备两个平移和一个转动自由度，与二轴回转组件一起，配合球面气浮模块实现任意相位力矩平衡；差分测试模块作为球铰力矩平衡的传力路径，实现平面内任意角度的拉压力平衡，测试两个坐标轴双向拉压力。二轴回转组件包括回转内框、回转外框、第一轴系、第二轴系；圆柱气浮模块通过第一轴系与回转内框连接，使得圆柱气浮模块绕Z轴转动；回转内框通过第二轴系与回转外框连接，使得回转内框绕Y轴转动；回转外框两侧通过拉压传感器与传感支座固定连接。但是，两个平动自由度实际上是有约束的，只能用于卫星的质测工作，无法对卫星上的设备进行物理性的变轨试验。
[0015]另外，小卫星的变轨试验，不仅需要平面上的变轨，也需要在垂直方向上有变轨的能力。因此，作为小卫星测控系统的测试平台需要具备在三个线性方向上的变轨能力。
[0016]因此，发展有自适应能力、并且有六个自由度的气浮仿真试验系统就是研发现代小卫星群技术的重要内容。
[0017]参考文献
[0018]参考文献1:Dae
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Min Cho,etc.“A 5
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dof Experimental Platform for Autonomous Sp本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：包括试验台(1)、下工位机构(2)和上工位机构(3)；所述下工位机构(2)包括下工位平台(4)、升降支架(5)、升降驱动机构(6)、气浮轴颈轴承(7)、第一气浮平面轴承(8)、第一气浮球轴承(9)、自适应气浮组(10)；所述升降支架(5)通过气浮轴颈轴承(7)安装在下工位平台(4)上，所述气浮轴颈轴承(7)具备一个移动自由度和一个转动自由度，使所述升降支架(5)能够相对于下工位平台(4)竖直移动和绕竖直轴转动；所述升降驱动机构(6)用于驱动升降支架(5)相对于下工位平台(4)竖直移动；所述第一气浮平面轴承(8)设于升降驱动机构(6)与升降支架(5)之间，所述第一气浮平面轴承(8)具备一个转动自由度，使所述升降支架(5)能够相对于升降驱动机构(6)绕竖直轴转动；所述升降支架(5)通过第一气浮球轴承(9)与上工位机构(3)连接，所述第一气浮球轴承(9)具备三个转动自由度，使所述上工位机构(3)能够相对于升降支架(5)自由转动；所述自适应气浮组(10)设有至少三组并均匀布置在下工位平台(4)的底部，所述自适应气浮组(10)包括自适应支架(11)、第二气浮平面轴承(12)、第二气浮球轴承(13)；所述第二气浮平面轴承(12)安装在自适应支架(11)与试验台(1)之间，所述第二气浮平面轴承(12)具备两个移动自由度，使所述自适应支架(11)能够相对于试验台(1)水平移动；所述自适应支架(11)通过第二气浮球轴承(13)与下工位平台(4)连接，所述第二气浮球轴承(13)具备三个转动自由度，使所述自适应支架(11)能够相对于下工位平台(4)自由转动；所述上工位机构(3)上设有压缩空气推进系统。2.根据权利要求1所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述下工位机构还包括第一气道(15)，所述第一气道(15)用于给气浮轴颈轴承(7)、第一气浮平面轴承(8)、第一气浮球轴承(9)提供用于润滑的空气。3.根据权利要求2所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述第一供气模块包括第一高压气罐(14)和第一气道(15)，所述第一高压气罐(14)安装在下工位平台(4)上，所述第一气道(15)设于下工位平台(4)内，所述第一高压气罐(14)通过第一气道(15)分别与气浮轴颈轴承(7)、第一气浮平面轴承(8)、第一气浮球轴承(9)连接。4.根据权利要求1所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述自适应气浮组还包括第二气道(17)，所述第二气道(17)用于给第二气浮平面轴承(12)、第二气浮球轴承(13)提供用于润滑的空气。5.根据权利要求4所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述第二供气模块包括第二高压气罐(16)和第二气道(17)，所述第二高压气罐(16)安装在自适应支架(11)上，所述第二气道(17)设于自适应支架(11)内，所述第二高压气罐(16)通过第二气道(17)分别与第二气浮平面轴承(12)、第二气浮球轴承(13)连接。6.根据权利要求5所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述第二高压气罐(16)设有多个并沿同一周向均布。7.根据权利要求1
‑
6任一所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述升
降驱动机构(6)为直线电机，所述直线电机安装在下工位平台(4)上，所述直线电机的动子与托板(18)连接，所述第一气浮平面轴承(8)设于托板(18)与升降支架(5)之间。8.一种根据权利要求1
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7任一所述的自适应六自由度气浮仿真试验台的刚体运动学和刚体动力学计算方法，包括以下步骤：A、建立两个坐标系：一个是和地面固定的惯性坐标系(O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
)；另一个是本体坐标系(O
o
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X
o
Y
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Z
o
)；B、由三个线性变量的轨道运动学和轨道动力学求得上工位机构(3)的本体坐标系(O
o
‑
X
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Y
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)原点O
o
在试验台(1)的惯性坐标系(O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
)上的三个坐标值的变化；C、由姿态运动学和姿态动力学求得上工位机构(3)相对本体坐标系(O
o
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X
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Y
o
Z
o
)原点O
o
的三个角度的变化。9.根据权利要求8所述的自适应六自由度气浮仿真试验台的刚体运动学和刚体动力学计算方法，其特征在于，所述步骤C的具体步骤包括：C1、上工位机构(3)的本体坐标系(O
o
‑
X
o
Y
o
Z
o
)中的任一向量R
’
通过坐标变换方法转换到试验台(1)的惯性坐标系(O
w
‑
X
w
Y
w
Z
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)中的向量R：上式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄兴中，
申请(专利权)人：日照坤仑智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：