一种用于微小推力测量和卫星姿轨控仿真的角位移测量方法技术

本发明专利技术公开了一种用于微小推力测量和卫星姿轨控仿真的角位移测量方法，采用测量结构包括激光位移传感器、对称阿基米德连续型面的测量块、数据采集仪、超导磁悬浮微推力测量台架、传感器位置机构；对称阿基米德型面的测量块转动角度转化为传感器与侧表面之间的距离信号；测量块的连续型面保证了测量曲线的连续性，避免了断点；提出一种用于单方向转动测量的绝对位移累加的数据处理方法，使距离信号、位移、时间一一对应，降低了对称型面之间接点的影响，使测量曲线二阶可微分；利用距离信号和距离信号的变化判定该位置处推力测量台架的姿态。的姿态。的姿态。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微小推力测量和卫星姿轨控仿真的角位移测量方法


[0001]本专利技术涉及空间推力器微小推力测量以及微小卫星姿轨控仿真领域，具体是一种用于磁悬浮微小推力测量和卫星姿轨控仿真的角位移测量方法。

技术介绍

[0002]随着空间探测技术的不断发展和航天任务的日益复杂，微小卫星因其体积小、成本低等特点，得到了广泛关注，电推进器是微小卫星的动力装置之一，根据不同的空间任务推力器的推力量级由N级延展至mN、甚至μN级，微小推力对卫星研制、姿态控制和地面验证等方面提出了挑战。因此，微推力测量是其研制过程中必不可少的一个关键环节，为其设计改进、参数选择和性能评估提供必要的参考数据。
[0003]微推力器的推力通常为mN级甚至μN级，难以通过力传感器直接测量。现有的微小推力测量装置如悬丝扭摆测量、悬臂测量法等大多通过测量台架在推力作用下的位移或形变来计算推力大小，但是微推力作用下的位移或者形变量很小，容易引起较大的测量误差，此外这类微小力测量装置的功能较为单一，无法进行卫星姿态控制仿真等更多推力器性能的评估。北航提出了一种基于磁悬浮轴承的微小推力测量方式，该方法通过测量悬浮转子在推力器作用下的角位移来计算和间接测量微小推力，而且全悬浮的超导磁悬浮还可以通过角度偏转测量卫星的单自由度姿态控制能力。
[0004]但是由于微推力器的推重比非常小，通常低于<10
‑5，对磁悬浮轴承的角位移测量分辨率提出了很高的要求，分辨率需要小于0.01
°
；角位移的测量装置不能与超导磁悬浮轴承的转子直接接触，避免影响推力测量和姿态控制的精度；推力测量过程中，悬浮台架需要长时间多圈转动，因此也要求角位移实现连续测量。因此如何实现高分辨率、无接触、连续的磁悬浮推力测量装置的转动位置和角位移测量是本专利技术重点解决的问题。
[0005]本专利技术提出了一种用于微小推力测量和卫星姿轨控仿真的角位移测量方法，响应速度快、测量分辨率高、制作成本低、无接触间接测量等等显著优点。

技术实现思路

[0006]针对于以上需求，本专利技术提出了一种用于微小推力测量和卫星姿轨控仿真的角位移测量方法。引入一种具有对称型连续的阿基米德型面的测量块，利用阿基米德曲面角度与极径之间的线性关系识别角度，激光位移传感器非接触式识别极径变化从而获得角位移，避免了测量装置对台架接触干扰；测量块侧表面由两个对称分布的阿基米德型面连续组成，保证了测量曲线的连续性，避免采用单一阿基米德型面产生的断点，降低测量误差；由于测量块型面的对称性，同一距离输出对应两个不同位置，因此转动位置和转动方向采用位移和位移随时间变化共同确定；为保证激光位移传感器与测量块中心安装对齐，引入电机驱动的旋转底座和可升降支架控制调节。
[0007]具体的技术方案如下：
[0008]一种用于微小推力测量和卫星姿轨控仿真的角位移测量方法，所采用的结构包
括：激光位移传感器、传感器位置控制机构、数据采集仪、超导磁悬浮微推力测量台架、对称型阿基米德连续型面的测量块，具体的超导磁悬浮微推力测量台架包括永磁悬浮台、中心轴、超导阵列、样本架、两个电推力器、制冷机冷头。
[0009]激光位移传感器固定于可升降支架的悬臂上，激光发射端正对测量块，可以将被测目标的位移，其响应时间不超过5ms，测量分辨率可达2μm；可升降支架固定安装激光位移传感器，包括步进电机、滑轨支架和悬臂，可以通过电机驱动调节激光传感器的竖直高度和水平位置；旋转底座位于可升降支架下方，上表面与支架底部固定连接，用于调节支架的方位从而实现传感器与测量块的对中；数据采集仪与激光位移传感器连接，可以接收并记录采集激光位移传感器输出的模拟信号；超导磁悬浮微推力测量装置位移支架一侧，中心轴用于固定测量块，基于超导磁悬浮原理可以实现永磁悬浮台和测量块全角度的旋转；测量块安装于超导磁悬浮微推力测量台架的中心轴上，位于永磁悬浮台上方，被测试目标同轴固定连接并随之同步转动，测量块型面为两个对称分布的阿基米德曲面，其中单个阿基米德曲面极径R(单位：mm)随方位角θ(单位：
°
)的增大而成线性增加，最长的极径长度为R1，最短的极径长度为R2，因此对于360
°
的整个测量型面的连续方程可以表述为：
[0010][0011]对于0
°
≤θ<180
°
的半个曲面，所述测量块的角度变化量Δθ(单位：
°
)满足如下数学关系：
[0012][0013]其中，ΔR(单位：mm)为阿基米德测量块的外径变化量。R1‑
R2取36mm，激光位移传感器的测量分辨率为0.002mm，对应的角位移测量分辨率为0.01
°
。
[0014]本专利技术的进一步方案，磁悬浮微推力测量装置有摆动和转动两种工作模式。摆动模式下台架转角小于180
°
，本专利技术利用测量块的单个阿基米德侧面即可；而转动模式下，由于测量块结构的对称性，同一个极径R对应两个角度θ，会影响角位移的计算和姿态的确定，因此本专利技术基于测量块曲面的连续型，提出了一种用于单方向转动的绝对位移累加的数据处理方法。
[0015]所述数据处理方法具体为：传感器采集数据为密集离散点，第N个数据点对应的时间为T(N)，极径为R
T(N)
，转动角度θ
N
，为相对于前一个数据点的绝对位移是|R
T(N)
‑
R
T(N
‑
1)
|，绝对值永远不小于零且转动方向单向，因此前N个点的绝对位移之和ΔR
T(N)
与时间为T(N)，转动角度θ
N
一一对应，ΔR
T(N)
表示为：
[0016][0017][0018]该处理方法避免了型面对称性对转动角度判定的影响，降低了对称型面之间接点
的影响，使得任意点二阶可微，而且还能区分多圈转动角度与极径的关系，使之一一对应。
[0019]一种用于微小推力测量和卫星姿轨控仿真的角位移测量方法，包括如下步骤：
[0020](1)所述激光位移传感器发射测量光测量其与阿基米德测量块的侧表面之间的距离L(单位：mm)，激光位移传感器和阿基米德测量块的中心之间的距离S(单位：mm)，S是定值；
[0021](2)所述数据采集仪采集并记录激光位移传感器输出的模拟信号电压U(单位：V)；
[0022](3)根据模拟信号电压的变化量ΔU(单位：V)解算所述阿基米德测量块的角位移变化量Δθ(单位：
°
)；
[0023]进一步的，所述步骤(3)中，所述数据采集仪记录的模拟信号U的变化量ΔU满足如下数学关系：
[0024]ΔL＝ΔR＝kΔU
[0025]L+R＝S＝kU+R
[0026]其中，ΔL为L的变化量，k是实际距离信号与传感器模拟信号之间的比值；
[0027](4)如果测量块为小角度转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于微小推力测量和卫星姿轨控仿真的角位移测量方法，其特征在于，所述方法的测量结构包括激光位移传感器、对称阿基米德连续型面的测量块、数据采集仪、超导磁悬浮微推力测量台架、传感器位置机构；所述超导磁悬浮测量台架包括中心轴、永磁浮台、推力器、超导阵列、样本架、制冷机冷头、真空罩；所述传感器位置机构包括转动底座、可调支架、步进电机、悬臂；所述对称阿基米德连续型面的测量块通过中心轴固定在永磁浮台上方，与测量目标同步转动。所述的对称阿基米德连续型面的测量块，其型面方程为：其中单个侧面为阿基米德型面，极径R随方位角θ呈线性变化；测量块型面的连续性可以实现角位移的连续测量，避免采用单个阿基米德型面产生的测量曲线断点；2.一种用于微小推力测量和卫星姿轨控仿真的角位移测量方法，其特征在于，提出了一种用于单方向转动测量的绝对位移累加的数据处理方法，避免测量块型面对称性引起的极径的重复，降低了对称型面之间接点的影响，且使测量块型面和测量曲线任意处二阶可微，该方法具体为：传感器采集数据为密集离散点，第N个数据点对应的时间为T(N)，极径为R
T(N)
，转动角度θ
N
，为相对于前一个数据点的绝对位移是|R
T(N)
‑
R
T(N
‑
1)
|，绝对值永远不小于零且转动方向单向，因此前N个点的绝对位移之和ΔR
T(N...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文将，赵鹏，邓富文，胡君同，闫炬壮，宋东彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：