CN104477410A - 动静隔离主从协同控制的双超卫星平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，包括磁浮机构、载荷舱和服务舱；其中，所述载荷舱通过所述磁浮机构连接所述服务舱。所述磁浮机构的数量为多个，磁浮机构相对于载荷舱和服务舱的对接面平行或垂直依次间隔对称布置；对称布置的磁浮机构的连线中点垂直通过载荷舱和服务舱的质心连线。本发明为载荷舱和服务舱，两舱在结构上相互独立，其中载荷舱安装磁浮机构磁铁部分，是安静舱段；服务舱安装磁浮机构线圈部分，为嘈杂舱段，两舱之间由非接触磁浮机构实现非接触，所以服务舱振动和干扰不会传输至载荷舱，进而达到有效载荷动中取静，两舱动静隔离的效果。

Description

动静隔离主从协同控制的双超卫星平台

技术领域

本发明涉及卫星，具体地，涉及一种动静隔离主从协同控制的双超卫星平台。

背景技术

星上活动部件和挠性部件引发的平台干扰是制约卫星平台“超精超稳”的主要因素。活动部件如飞轮、制冷机、推力器等工作时产生的各频段随机扰动和振动，极大的影响了卫星平台指向精度和姿态稳定度，是引起载荷振动的主要原因。太阳帆板、大型展开天线等挠性部件不仅引发卫星平台的干扰，其低频模态也极大的限制了卫星控制系统带宽，导致控制系统性能得不到充分发挥。

目前，抑制卫星挠性附件抖动和活动部件振动的主要手段有被动隔振和主动隔振两种方法。被动隔振装置是一个紧凑的连接器，其结构简单，可靠性高，且不需要外部能量和信息，但被动隔振对低频振动没有抑制能力，具有参数变化时，隔振性能衰退；隔振频率越低，需要变形越大等缺点。主动隔振是利用智能作动器进行隔振，能够克服被动隔振时低频放大与高频抑制的矛盾，并能根据环境变化可以随时改变控制算法，但主动隔振需要额外提供能源及测量信息，隔振系统可能产生不稳定性，并具有反馈控制的“水床效应”等缺陷。因此采用基于隔振器的平台干扰抑制方法时，干扰源与卫星平台之间通过隔振器的接触式安装会导致振动隔而不绝的问题，导致卫星平台姿态精度很难进一步提高。而常规卫星设计中载荷舱的姿态跟随卫星平台进行控制，载荷舱的姿态精度主要取决于卫星平台的姿态控制精度。因此采用基于隔振器的平台干扰抑制方法无法使载荷姿态精度达到双超性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种动静隔离主从协同控制的双超卫星平台。本发明采用了振源与载荷“动静空间隔离、控制主从协同”的卫星平台设计新方法。即采用非接触磁浮机构实现振源与载荷的动静空间隔离，消除平台微振动对载荷的干扰；采用载荷为主、平台为辅的主从协同控制策略，合理巧妙地利用“死区”间隙非线性，化害为利，实现了卫星的“超精超稳”控制，解决了传统设计中平台微振动导致载荷指向精度和稳定度难以提升的瓶颈问题。可以应用于高分辨率对地观测、大比例尺立体测绘、激光通信、深空观测等未来先进航天器。

根据本发明提供的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，包括磁浮机构、载荷舱和服务舱；

其中，所述载荷舱通过所述磁浮机构连接所述服务舱。

优选地，所述磁浮机构的数量为多个，多个磁浮机构相对于载荷舱和服务舱的对接面平行或垂直依次间隔对称布置；

对称布置的磁浮机构的连线中点垂直通过载荷舱和服务舱的质心连线。

优选地，所述磁浮机构包括线圈、磁钢、磁轭、支架和相对位置传感器；

其中，所述线圈、所述磁钢以及所述相对位置传感器均设置在所述磁轭内侧；

所述支架连接所述线圈，所述磁钢与所述线圈相对设置；所述相对位置传感器包括两个相对设置的第一位置传感器和第二位置传感器；所述第一位置传感器连接所述线圈；所述第二位置传感器连接所述磁轭，所述位置传感器用于测量线圈相对于磁钢在轴向上的运动距离；

所述支架连接所述服务舱，所述磁钢连接所述载荷舱。

优选地，所述服务舱包括服务舱本体、帆板驱动机构、贮箱、推力器、动量轮、太阳电池阵、姿态控制单元和可展开式热辐射器；

所述帆板驱动机构、可展开式热辐射器、姿态控制单元设置在所述服务舱本体内侧；

所述帆板驱动机构连接所述太阳电池阵，用于驱动所述太阳电池阵；

所述推力器和所述动量轮用于抵抗环境干扰并随动跟踪载荷舱，使载荷舱和服务舱达到设定的相对位姿；

所述姿态控制单元用于根据设定的姿态信息产生动作指令以驱动磁浮机构产生控制力。

优选地，所述载荷舱包括载荷舱本体、有效载荷、星敏感器以及光纤陀螺；所述有效载荷、星敏感器设置在所述载荷舱本体内侧；所述光纤陀螺连接所述载荷舱本体；

所述星敏感器和所述光纤陀螺用于确定有效载荷的指向。

优选地，所述载荷舱和服务舱之间的能量和信息传输通过但不限于电磁互感或光电转换实现。

优选地，还包括爆炸螺栓和多组锁紧机构；所述多组锁紧机构通过所述爆炸螺栓连接线圈和磁钢；当卫星在轨，锁紧机构通过爆炸螺栓解锁。

优选地，还包括指令发生器、载荷舱姿态控制器以及载荷姿态传感器；其中，所述指令发生器连接所述载荷舱姿态控制器，所述载荷舱姿态控制器的输出端通过磁浮机构、载荷舱以及载荷姿态传感器连接所述载荷舱姿态控制器的输入端。

优选地，还包括相对位置传感器和相对位置控制器；所述指令发生器通过所述相对位置控制器连接所述磁浮机构；所述载荷舱通过所述相对位置传感器连接所述相对位置控制器。

优选地，还包括相对姿态控制器、服务舱执行机构以及服务舱；其中，所述指令发生器依次通过对姿态控制器、服务舱执行机构、服务舱、相对位置控制器连接所述姿态控制器的输入端。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、动静隔离，本发明为载荷舱和服务舱，两舱在结构上相互独立，其中载荷舱安装磁浮机构磁铁部分，是安静舱段；服务舱由通用的卫星模块组成，安装磁浮机构线圈部分，包括但不限于驱动机构、推力器、动量轮等各种活动部件、太阳电池阵、可展开式热辐射器等挠性附件和姿态控制单元，是嘈杂舱段，两舱之间由非接触磁浮机构实现非接触，所以服务舱振动和干扰不会传输至载荷舱，进而达到有效载荷动中取静，两舱动静隔离的效果；

2、主从协同控制，本发明包括载荷舱姿态控制回路、两舱相对位置控制回路和服务舱姿态控制回路，本发明整体控制思想与传统控制方式相反，采取以载荷舱姿态控制为主动，服务舱姿态伺服跟踪载荷舱姿态的从动控制设计思想，其中载荷舱通过磁浮机构超精超稳控制，服务舱对姿控精度要求不高，通过飞轮、喷气等控制伺服跟踪载荷舱；

3、死区滑模控制，通过设定相对位置滑模区域阈值，可以降低相对位置控制的频次，从而减轻磁浮机构压力，使其专注于载荷舱姿态控制，与传统上视死区为不利的做法相反，这是滑模间隙非线性控制思想在航天控制中的有益应用，实现了死区的化害为利；

4、带宽扩展，易于控制，由于载荷舱无活动和挠性部件，可打破挠性部件基频对控制系统带宽的限制，加快系统反应速度，提高控制系统抗干扰性能，并且载荷舱可等效为刚体，动力学模型简单，易于控制；

5、磁浮机构的冗余设计，采用多个磁浮机构实现载荷舱姿态控制与两舱相对位置控制力的完全解耦，解耦简单，并且多个磁浮机构具有冗余特性；

6、设计灵活，扩展性强，结构设计可根据载荷数量扩展为多体悬挂式和多级递进式，且采用磁浮机构数目不限于8个，只要多余6个即可。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的组成示意图；

图2为本发明中磁浮机构的结构示意图；

图3为本发明磁浮机构的布局示意图；

图4为本发明中相对位置控制的滑模变结构控制思想示意图；

图5为本发明的控制框图。

图中：

1为载荷舱；

2为服务舱；

3为磁浮机构；

11为光纤陀螺；

12为星敏感器；

13为有效载荷；

21为推力器；

22为动量轮；

23为帆板驱动机构；

24为太阳电池阵；

25为姿态控制单元；

26为贮箱；

31为线圈；

32为磁钢；

33为磁轭；

34为支架；

35为相对位置传感器；

100为载荷舱姿态控制回路；

200为两舱相对位置控制回路；

300为服务舱姿态控制回路；

101为载荷舱姿态控制器；

103为磁浮机构；

104为载荷舱；

105为载荷姿态传感器；

106为反作用力/力矩；

201为指令发生器；

202为相对位置控制器；

301为相对姿态控制器；

303为服务舱执行机构；

304为服务舱；

305为相对位置传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，如图1、2所示，本发明提供的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台包括磁浮机构3、载荷舱1和服务舱2；其中，所述载荷舱1通过所述磁浮机构3连接所述服务舱2。

所述磁浮机构3的数量为8个，磁浮机构3相对于载荷舱1和服务舱2的对接面平行或垂直依次间隔对称布置；对称布置的磁浮机构3的连线中点垂直通过载荷舱1和服务舱2的质心连线。

所述磁浮机构包括线圈31、磁钢32、磁轭33、支架34和相对位置传感器35；其中，所述线圈31、所述磁钢32以及所述相对位置传感器35均设置在所述磁轭33内侧；所述支架34连接所述线圈31，所述磁钢32与所述线圈31相对设置；所述相对位置传感器35包括两个相对设置的第一位置传感器和第二位置传感器；所述第一位置传感器连接所述线圈31；所述第二位置传感器连接所述磁轭33，所述位置传感器35用于测量线圈31相对于磁钢32在轴向上的运动距离；所述支架34连接所述服务舱2，所述磁钢32连接所述载荷舱1。定义线圈31的平衡位置为线圈31到磁钢32径向的距离处处相等。支架34与磁轭33之间无物理连接，从而实现了两舱的非接触，服务舱2振动和干扰不会传输至载荷舱1，达到有效载荷14动中取静，两舱动静隔离的效果。

如图3所示，八个磁浮机构3与两舱对接面平行或垂直依次间隔对称布置，磁浮机构3以非接触形式连接载荷舱1和服务舱2，其不仅产生载荷舱1姿态控制所需要的力矩，同时对两舱相对位置进行控制，以防止两舱发生碰撞。两舱相对位置的反馈信息由相对位置传感器35的测量信息解算得到，执行器为磁浮机构3。两舱相对位置控制的目的是为了保证两舱不碰撞，因此可以设定相对位置滑模区域阈值，如图4所示。利用滑模控制的思想，考虑如下几种情况：

线圈位于区域②，不启动相对位置控制；

线圈位于区域①，线圈31相对于磁钢32在A、D运动模式下，启动相对位置控制；

线圈位于区域①，线圈31相对于磁钢32在B、C运动模式下，不启动相对位置控制。

根据以上控制逻辑，可以极大的减小相对位置控制的频次，从而减轻磁浮机构3压力，专注于载荷舱1姿态控制。这是滑模控制思想在航天控制中的首次应用，将“死区”变废为宝，提高间隙非线性控制效益。

八个磁浮机构3互为冗余备份，由其完成载荷舱高精度姿态控制与两舱相对位置控制。之所以发明中双超平台要设置八个磁浮机构，是因为有以下优点：

由磁浮机构的布局可知系统可实现载荷舱姿态与两舱相对位置控制力的完全解耦，且解耦简单；采用8个磁浮机构的构型具有冗余功能。当有一个磁浮机构故障时，并不影响载荷舱六个自由度的运动；两个磁浮机构故障有28种方式，其中16种方式不影响载荷舱六个自由度的运动，因此八个磁浮机构的构型实现了磁浮机构的冗余备份，提高了系统的可靠性。

由于载荷舱无活动和挠性部件，可打破挠性部件基频对控制系统带宽的限制，加快系统反应速度，提高控制系统抗干扰性能。载荷舱与服务舱相互隔离后，载荷舱等效为刚体，动力学模型更为简单，且服务舱微振动物理上不会传递到载荷舱，通过磁浮机构的高精度力控性能，使得动静隔离式卫星平台具有超高指向精度、超高稳定度的性能。仿真结果显示，该平台的姿态指向精度优于5×10^-4°，姿态稳定度优于5×10^-6°/s，可满足未来1:5000立体测绘卫星、静止轨道1～2米等先进航天器需求。

所述服务舱2由通用的卫星模块组成，包括服务舱本体、帆板驱动机构23、贮箱26、推力器21、动量轮22、太阳电池阵24、姿态控制单元25和可展开式热辐射器；所述帆板驱动机构23、可展开式热辐射器、姿态控制单元25设置在所述服务舱本体内侧；所述帆板驱动机构23连接所述太阳电池阵24，用于驱动所述太阳电池阵；所述推力器21和所述动量轮22用于抵抗环境干扰并随动跟踪载荷舱1，使载荷舱1和服务舱2达到设定的相对位姿；所述姿态控制单元25用于根据设定的姿态信息产生动作指令以驱动磁浮机构3产生控制力。

所述载荷舱1包括载荷舱本体、有效载荷13、星敏感器12以及光纤陀螺11；所述有效载荷13、星敏感器12设置在所述载荷舱本体内侧；所述光纤陀螺11连接所述载荷舱本体；所述星敏感器12和所述光纤陀螺11用于确定有效载荷12的指向。所述载荷舱1和服务舱1之间的能量和信息传输通过但不限于电磁互感或光电转换实现。载荷舱1、服务舱2采取主从协同的控制方式，以载荷舱1姿态控制为主动，进行超精超稳控制，而服务舱2采用随动跟踪载荷舱1的粗控模式。载荷舱1通过星敏感器12、光纤陀螺11等传感器确定有效载荷14指向，姿态控制单元基于姿态确定信息产生动作指令，驱动磁浮机构3产生控制力，使有效载荷14达到期望的超精超稳控制。服务舱2姿态反馈信息由相对位置传感器35的测量信息解算得到，通过安装推力器21、动量轮22等执行机构抵抗环境干扰并随动跟踪载荷舱1，使两舱达到期望的相对位姿。

本发明提供的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台还包括爆炸螺栓和多组锁紧机构；所述多组锁紧机构通过所述爆炸螺栓连接线圈和磁钢，用于抵抗恶劣的发射段力学环境；当卫星在轨，锁紧机构通过爆炸螺栓解锁。

采用本主从协同动静隔离式双超平台的卫星至少具有发射、超精超稳、防碰等多种不同的工作模式。发射模式是指磁浮机构3处于锁定状态，载荷舱1和服务舱2为一体结构，包括从卫星发射至定轨的整个过程，卫星由服务舱1外部执行机构实施轨道机动和姿态调整，此时磁浮机构处于断电状态。超精超稳模式是指磁浮机构3的锁紧机构已经通过爆炸螺栓解锁，载荷舱1通过磁浮机构3实现有效载荷14指向，服务舱2通过外部执行机构如推力器21、动量轮22抵抗环境干扰并跟踪载荷舱1，使两舱达到期望的相对位姿。防碰模式是指当磁浮机构3的线圈31的运动范围超过阈值时，启动相对位置控制，促使间隙恢复至规定的阈值范围内。服务舱2通过其执行器如推力器21、动量轮22快速跟踪载荷舱1，并通过磁浮机构3实现两舱的相对位置控制。

本发明提供的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台还包括指令发生器201、载荷舱姿态控制器101以及载荷姿态传感器105；

其中，所述指令发生器201连接所述载荷舱姿态控制器101，所述载荷舱姿态控制器101的输出端通过磁浮机构3、载荷舱104以及载荷姿态传感器105连接所述载荷舱姿态控制器101的输入端。

本发明提供的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台还包括相对位置传感器305和相对位置控制器202；

所述指令发生器201通过所述相对位置控制器202连接所述磁浮机构101；所述载荷舱104通过所述相对位置传感器305连接所述相对位置控制器202。

本发明提供的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台还包括相对姿态控制器301、服务舱执行机构303以及服务舱304；其中，所述指令发生器201依次通过相对姿态控制器301、服务舱执行机构303、服务舱304、相对位置控制器301连接所述相对姿态控制器301的输入端。

本发明提供的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台还包括反作用力/力矩106，其表示将非接触磁浮机构103的反作用力/力矩传至服务舱304。

如图5所示，双超卫星平台包含载荷舱姿态控制回路100、两舱相对位置控制回路200、服务舱姿态控制回路300共3个控制回路。其中有效载荷姿态控制回路100包括指令发生器201、载荷舱姿态控制器101、非接触磁浮机构103、载荷舱104和载荷姿态传感器105、反作用力/力矩106等模块；两舱相对位置控制回路200包括指令发生器201、相对位置控制器202、非接触磁浮机构103、载荷舱104、服务舱305和相对位置传感器305等模块；服务舱姿态控制回路300主要包括指令发生器201、相对姿态控制器301、服务舱执行机构302、服务舱303和相对位置传感器305等模块。

基于本发明的卫星的超精超稳模式是指卫星在轨稳定运行时，载荷舱姿态通过磁浮机构超精超稳控制，服务舱通过自身的执行机构伺服跟踪载荷舱，两舱相对位置控制通过磁浮机构，采用滑模变结构控制原理，进行间隙阈值控制，以保证两舱相对位置在阈值之内，防止两舱发生碰撞。基于本发明的卫星至少具有承受发射段冲击、超精超稳、防碰撞等多种不同的工作模式

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，其特征在于，包括磁浮机构、载荷舱和服务舱；

其中，所述载荷舱通过所述磁浮机构连接所述服务舱。

2.根据权利要求1所述的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，其特征在于，所述磁浮机构的数量为多个，多个磁浮机构相对于载荷舱和服务舱的对接面平行或垂直依次间隔对称布置；

对称布置的磁浮机构的连线中点垂直通过载荷舱和服务舱的质心连线。

3.根据权利要求1或2所述的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，其特征在于，所述磁浮机构包括线圈、磁钢、磁轭、支架和相对位置传感器；

其中，所述线圈、所述磁钢以及所述相对位置传感器均设置在所述磁轭内侧；

所述支架连接所述线圈，所述磁钢与所述线圈相对设置；所述相对位置传感器包括两个相对设置的第一位置传感器和第二位置传感器；所述第一位置传感器连接所述线圈；所述第二位置传感器连接所述磁轭，所述位置传感器用于测量线圈相对于磁钢在轴向上的运动距离；

所述支架连接所述服务舱，所述磁钢连接所述载荷舱。

4.根据权利要求1所述的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，其特征在于，所述服务舱包括服务舱本体、帆板驱动机构、贮箱、推力器、动量轮、太阳电池阵、姿态控制单元和可展开式热辐射器；

所述帆板驱动机构、可展开式热辐射器、姿态控制单元设置在所述服务舱本体内侧；

所述帆板驱动机构连接所述太阳电池阵，用于驱动所述太阳电池阵；

所述推力器和所述动量轮用于抵抗环境干扰并随动跟踪载荷舱，使载荷舱和服务舱达到设定的相对位姿；

所述姿态控制单元用于根据设定的姿态信息产生动作指令以驱动磁浮机构产生控制力。

5.根据权利要求4所述的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，其特征在于，所述载荷舱包括载荷舱本体、有效载荷、星敏感器以及光纤陀螺；

所述有效载荷、星敏感器设置在所述载荷舱本体内侧；所述光纤陀螺连接所述载荷舱本体；

所述星敏感器和所述光纤陀螺用于确定有效载荷的指向。

6.根据权利要求1所述的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，其特征在于，所述载荷舱和服务舱之间的能量和信息传输通过但不限于电磁互感或光电转换实现。

7.根据权利要求3所述的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，其特征在于，还包括爆炸螺栓和多组锁紧机构；

所述多组锁紧机构通过所述爆炸螺栓连接线圈和磁钢；当卫星在轨，锁紧机构通过爆炸螺栓解锁。

8.根据权利要求1所述的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，其特征在于，还包括指令发生器、载荷舱姿态控制器以及载荷姿态传感器；

其中，所述指令发生器连接所述载荷舱姿态控制器，所述载荷舱姿态控制器的输出端通过磁浮机构、载荷舱以及载荷姿态传感器连接所述载荷舱姿态控制器的输入端。

9.根据权利要求8所述的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，其特征在于，还包括相对位置传感器和相对位置控制器；

所述指令发生器通过所述相对位置控制器连接所述磁浮机构；所述载荷舱通过所述相对位置传感器连接所述相对位置控制器。

10.根据权利要求9所述的动静隔离主从协同控制的双超卫星平台，其特征在于，还包括相对姿态控制器、服务舱执行机构以及服务舱；

其中，所述指令发生器依次通过对姿态控制器、服务舱执行机构、服务舱、相对位置控制器连接所述姿态控制器的输入端。