CN104898457A - 混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法，(1)选择空间航天器的主动操作过程为模拟对象，根据相似性原理，设计地面模拟器；(2)选择要被验证的控制规律，计算在理想实验环境下，地面模拟器达到期望轨迹时所需要的控制力；(3)将地面模拟器放置于磁液混浮的微重力环境，选择步骤(2)的控制规律，计算地面模拟器在该环境下，达到期望轨迹的控制力；(4)计算步骤(2)与步骤(3)两个控制力之差，对地面模拟器施加该控制力之差，然后再施加理想实验环境下的控制力，保证天地干扰具有相同的上限，即得到地面实验等效控制。

Description

混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法

技术领域

本发明涉及空间主动操作地面模拟实验的等效控制系统设计，具体涉及一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法。

背景技术

一种新的航天器主动操作和控制方法，如果在发射上天前没有经过完备的和充分的分析，那么其极有可能会产生故障，不仅使研制投资毫无收益，还会造成太空垃圾。而主动操作控制是否成功与控制策略和控制律的设计息息相关，面对越来越复杂的空间机动，控制律的精度和效率已然成为了空间技术的重点之一，所以在航天器发射前验证空间控制律的性能已经变得十分重要。

现有验证飞行器控制系统的天地等效控制策略虽然各有特色，但是随着技术的发展，其缺点也逐渐凸显，有必要在新的技术条件和任务要求下对天地等效控制策略进行改进。

在空间主动操作的地面等效模拟验证中，最重要的是对航天器控制性能的验证，这就涉及到控制策略和控制律是否可行的检验问题。卫星的轨道运动的机动主要包括绝对运动的机动与相对运动的机动，在这两种机动的控制中，均包含轨道运动的控制以及姿态的控制。

根据文献2的总结，目前对航天器主动操作的控制策略的地面验证方法主要分为：

(1)数字仿真，运用计算机构造与实际系统相符合的数学模型来进行实验和研究。

(2)半物理仿真，除卫星采用数学模型外，其它全部采用实物，这里需要机械转台和目标模拟器。

(3)全物理仿真，控制系统全部采用实物，卫星采用实物模型，即由气浮台来模拟卫星处在空间式中和无摩擦状态下的姿态运动。

根据文献1的总结，现有的卫星控制系统的半/全物理仿真的主要发展如下：

在卫星控制系统的半物理仿真方面，现有的技术主要是在仿真回路中接入星上真实部件，利用三轴机械伺服转台进行卫星姿态运动的模拟，将卫星的姿态测量敏感器安放在伺服转台上，伺服转台按照仿真计算机解算卫星姿态动力学方程得到的解实时复现卫星的姿态运动。

在全物理仿真方面，现有的技术多是设定的卫星的运动轨迹，利用球形气浮轴承3自由度转台作为卫星姿态运动模拟器在气浮转台上安装所有需要参试的姿态控制系统的真实部件，并且将控制力矩和干扰力矩都被真实而直接地加到模拟器上。这种方法不能实现对卫星轨道运动的等效控制。

对近距航天器的相对姿态和相对轨道运动的地面等效控制，目前国内外已建立的系统大多是半物理仿真模拟系统。在近距离相对运动全物理仿真进行天地等效控制方面，现有的仿真系统主要由以大块其表面极为光滑平坦的地板和由气垫平台支撑的气浮转台组成，利用气垫平台在水平地板上的2自由度的无摩擦平移运动，来模拟在同一轨道平面内两个卫星间的相对轨道运动，气垫平台上的小型气浮单轴转台或三周转台用来模拟卫星的姿态运动。文献3第八章介绍了一种两个5自由度气浮台在面积为100m²的大型环氧树脂地板上进行交会对接的10自由度全物理仿真的实例，但是其并没有考虑作用在两个卫星上的地心引力差项和惯性力项。

文献2提出一种采用惯性测量单元配合推进器模拟相对轨道运动效应的方法。

随着计算机技术的发展，以及姿态、轨道动力学建模技术的日渐完善，数字仿真的逼真程度得到了很好的保证。加上数字仿真成本低廉，使得数字仿真具备了独到的优势。因此有人认为我们不需要半/全物理仿真了，这是一种片面的看法，正如气动特性数字仿真不能完全代替风动实验一样。对于系统中的某些事物部件，我们仍然难以建立精确地数学模型，因此这些部件对于控制系统性能的影响就很难被直观而有效的反应，就算能建立精确地模型，数字仿真函数抽象不直观的。我们仍然需要对半/全物理仿真加以重视。

利用半物理仿真来进行地面等效控制，可以避免天地等效控制时对某些部件建模的困难，提高了仿真的可靠性，也能降低仿真成本、缩短仿真周期，但是在这种地面等效控制中，控制力矩和空间环境干扰力矩并没有真正作用在转台(卫星)上，所以这种等效控制，从本质上讲仅仅是一种运动学意义上的等效控制。

利用球形气浮轴承三自由度转台作为卫星姿态运动模拟器的全物理仿真，能够在运动学和动力学上实现卫星姿态控制系统的物理仿真，在质量特性上可以实现与真实卫星1:1的仿真，所有需要参试的姿态控制系统的真实部件均可以安装到气浮转台上，控制力矩和干扰力矩也真实而直接地加载到卫星上。但是这种方法仍然不能模拟卫星的轨道运动。现有的全物理仿真系统，几乎所有的地面(半)物理仿真系统都是跟踪设定的轨迹并研究运动中的姿态控制，而忽略了轨迹跟踪控制与空间的本质联系。

随着空间交会对接和卫星编队任务的发展，对卫星相对姿态和相对轨道运动的地面等效控制的需求与日俱增。

基于气浮台轨道相对运动控制系统仿真，现有的方法可以实现全物理仿真，但是航天器的空间运动是6自由度，而气浮台mm级的悬浮高度使得气浮台最多只能提供5自由度的仿真。参考文献

1、林来兴.卫星控制系统仿真——优化设计，方案验证，产品检验，故障模拟和动态实验的主要手段.航天控制，1983,3.

2.孙承启.一种提高卫星相对轨道运动全物理仿真逼真度的新方法[J]，空间控制技术与应用，2011.10

3.林来兴.空间交会对接技术[M].北京：国防工业出版社，1995

发明内容

为了使得地面模拟实验的等效控制系统能够直接、全面而准确地反应航天器的空间控制特性，本发明提出一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法，该方法采用全物理的天地等效控制方法，从动力学模型出发，基于磁液混浮的地面微重力环境，充分考虑了地面环境与空间环境的不同，通过改造地面力学环境，使其与空间力学环境基本相似，由此让地面实验系统采用与空间飞行器相同的控制律，施加相同的控制力，但是二者可以获得相同的控制效果。

本发明采用以下技术方案：

一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法，包括以下步骤：(1)选择空间航天器的主动操作过程为模拟对象，根据相似性原理，设计地面模拟器；(2)选择要被验证的控制规律，计算在理想实验环境下，地面模拟器达到期望轨迹时所需要的控制力；(3)将地面模拟器放置于磁液混浮的微重力环境，选择步骤(2)的控制规律，计算地面模拟器在该环境下，达到期望轨迹的控制力；(4)计算步骤(2)与步骤(3)两个控制力之差，对地面模拟器施加该控制力之差，然后再施加理想实验环境下的控制力，保证天地干扰具有相同的上限，即得到地面实验等效控制。

步骤(1)得到地面模拟器之后，计算给出标称轨迹矢量

步骤(2)的控制力的计算方法为：其中为航天器的动力学方程，f_d为未知有界摄动加速度矢量，为控制所引入的轨迹误差反馈的二阶导。

步骤(3)的控制力的计算方法为：其中取决于模拟器的动力学方程，k＝C_DρS/2m，C_D为阻力系数，ρ为介质密度，S为迎流面积，f_d ^ο为地面未知有界干扰加速度项。

所述步骤(2)的理想实验环境是理想的空间航天器的运行环境，不考虑阻力。

所述步骤(3)的磁液混浮的微重力环境有水的扰动。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明方法采用全物理的天地等效控制方法，从动力学模型出发，基于磁液混浮的地面微重力环境，充分考虑了地面环境与空间环境的不同，通过改造地面力学环境，使其与空间力学环境基本相似，由此让地面实验系统采用与空间飞行器相同的控制律，施加相同的控制力，但是二者获得相同的控制效果。

具体实施方式

本发明的基本思想如下：

首先根据相似性原理，参考地面实验场所(水池)的尺寸，选择一定的相似比，将被模拟航天器的质量、期望的轨迹及所受到的中心引力、干扰力相似到地面，设定地面模拟器与空间航天器相似的参数以及运动规律。

利用上述参数，选择要被验证的控制规律，计算在理想实验环境下达到期望轨迹或姿态时所需的控制力。

然后根据地面模拟器的实际力学环境，选择需要被验证的、与空间被模拟航天器相同的控制规律，计算出地面模拟器达到期望轨迹的，未加补偿的地面控制力。

最后进行地面实验等效控制，在对地面模拟器施加实际实验环境下控制力与理想环境下控制力之差的基础上，再施加理想实验环境下的控制力，并保证天地干扰具有相同的上限，那么同一控制律可以在天地获得相近的控制效果。

本发明可以解决未来空间操作的地面模拟试验的等效控制问题，在对天地采用相同的控制规律、施加相同的缩比控制力情况下，天地可获得基本项的控制效果，从而通过地面模拟实验验证空间控制规律的可行性与燃料消耗。

下面对本发明方法做详细描述：

对混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法的设计，实质上就是在对地面模拟器施加与空间航天器等效的控制力的基础上，再施加补偿力。具体方法包括以下步骤：

第一步：选择一种空间航天器的主动操作过程为模拟对象，根据相似性原理，设计出地面模拟器相应的缩比参数,包括质量m、长度l、时间t、速度、加速度、惯量、角度、角速度、角加速度、作用力及力矩等等，在此基础上，计算给出标称轨迹矢量

第二步：根据空间航天器的力学环境，选择一定的控制规律，计算航天器在理想实验环境中的控制力其中为航天器的动力学方程，f_d为未知有界摄动加速度矢量，为控制所引入的轨迹误差反馈的二阶导。

第三步：根据地面模拟器的实际力学环境(混合悬浮环境中有水的扰动)，选择与空间航天器相同的控制规律，计算出未加补偿的地面控制力其中取决于模拟器的动力学方程，k＝C_DρS/2m，C_D为阻力系数，ρ为介质密度，S为迎流面积，f_d ^ο为地面未知有界干扰加速度项。

第四步：在地面实验环境中对实验体添加附加推力Δf＝-Δf_c＝f_c ^ο-f_c，同时保证天地干扰(f_d f_d ^ο)均具有相同的上限。施加补偿力后，再对地面模拟器施加理想实验环境下的控制力f_c，就可以获得相同的控制效果，控制到达一致性要求，地面实验即可以用来验证空间控制的效果。

本发明可以为航天器空间主动操作的地面模拟设备提供一种等效的控制方法，使地面试验得出空间的运动效果，特别是控制效果。在实时提供阻力补偿、引力补偿的情况下，天地运动控制基本相同。反过来说，给定了等效的力学环境，地面受到控制后的运动规律即可反映空间运动的规律。

本发明原理简单，实施简单，操作方便。

以下结合实施例对本发明做进一步说明：

本发明可以为空间飞行器的主动操作设计地面等效控制系统，进而进行地面模拟实验，对飞行器的控制律进行有效验证。我们已经以相对轨道运动为对象，在混合悬浮微重力实验设施中进行了地面等效控制实验：

利用滑模变结构控制律来控制空间相对轨道运动，设置空间相对运动的初始位置误差、速度误差、干扰力为

e₀＝[-3 5 -2]^Tm

${\stackrel{\·}{e}}_0={\left[\begin{array}{ccc}0.002& 0.004& -0.001\end{array}\right]}^{T}m/s$

f_d＝[1 -2 2]^T*sin(0.01t)*10^-5m/s²

控制参数为

λ＝diag[0.02 0.03 0.02]

ε＝diag[4 4 4]*10^-6

κ＝[0.01 0.015 0.01]*10²

控制合加速度为

f_c＝[0.9296 2.3233 0.6164]^T

f_c ^o＝[906.3811 867.0373 0.8313]^T

计算得补偿剩余环境加速度所需控制为：

Δf_c＝[904.9513 864.2143 -0.2974]^T

Δf_c-(f_c ^o-f_c)＝[0.5001 0.4997 0.5123]^T

阻力、引力未完全补偿(实际情况)附加到地面控制系统中后如下(剩余加速度大小为±10^-3m/s²)控制加速度合为：

f_c＝[0.9296 2.3233 0.6164]^T

f_c ^o＝[1.3479 2.7653 1.0523]^T

计算得补偿剩余环境加速度所需控制为：

Δf_c＝[0.4844 0.5034 0.5147]^T

Δf_c-(f_c ^o-f_c)＝[0.0798 0.0599 0.0866]^T

实验结果表1所示：

表1

可以看出，在人为改造地面力学环境使其和空间基本相同时，即对地面模拟航天器的阻力和引力分别进行补偿，就可以通过地面实验得出空间的运动效果，特别是控制效果，实现了天地控制的一致性。

Claims (6)

1.一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)选择空间航天器的主动操作过程为模拟对象，根据相似性原理，设计地面模拟器；

(2)选择要被验证的控制规律，计算在理想实验环境下，地面模拟器达到期望轨迹时所需要的控制力；

(3)将地面模拟器放置于磁液混浮的微重力环境，选择步骤(2)的控制规律，计算地面模拟器在该环境下，达到期望轨迹的控制力；

(4)计算步骤(2)与步骤(3)两个控制力之差，对地面模拟器施加该控制力之差，然后再施加理想实验环境下的控制力，保证天地干扰具有相同的上限，即得到地面实验等效控制。

2.根据权利要求1所述的一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法，其特征在于：步骤(1)得到地面模拟器之后，计算给出标称轨迹矢量

3.根据权利要求1所述的一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法，其特征在于：步骤(2)的控制力的计算方法为：其中为航天器的动力学方程，f_d为未知有界摄动加速度矢量，为控制所引入的轨迹误差反馈的二阶导，为标称轨迹矢量的二阶导数。

4.根据权利要求1所述的一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法，其特征在于：步骤(3)的控制力的计算方法为：其中取决于模拟器的动力学方程，k＝C_DρS/2m，C_D为阻力系数，ρ为介质密度，S为迎流面积，f_d ^D为地面未知有界干扰加速度项。

5.根据权利要求1所述的一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法，其特征在于：所述步骤(2)的理想实验环境是理想的空间航天器的运行环境，不考虑阻力。

6.根据权利要求1所述的一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法，其特征在于：所述步骤(3)的磁液混浮的微重力环境有水的扰动。