CN107244431A - 空间任务地面运动再现跨尺度验证平台 - Google Patents

Abstract

空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，属于航天测试与验证领域，包括自由基座系统、吊丝主动补偿系统、磁悬浮系统、实验航天器系统、协调主控系统、通信系统与监控中心，通过吊丝粗补偿与磁悬浮细补偿相结合构成的重力补偿系统，可提供实验航天器系统高精度的微重力环境，通过自由基座系统和重力补偿系统相结合实现实验航天器系统与微重力环境的同步运动，可提供实验航天器系统不受时间和空间约束的微重力环境。与现有重力补偿方法相比，本发明提供的微重力环境可靠性高、适应性强、易于实现和维护且时间空间不受限制，可应用于不同任务需求、不同轨道特性、不同工作方式的空间任务实施方案的合理性和可行性的地面测试与验证。

Description

空间任务地面运动再现跨尺度验证平台

所属技术领域

本发明属于航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及空间任务地面运动再现跨尺度验证平台。

背景技术

空间任务在实际执行之前，必须先期在地面进行全方位的综合验证之后，方可进行试验，地面验证阶段作为空间任务实施关键部分，能验证空间任务方案的合理性和技术可行性，为空间任务执行方案的在轨验证提供科学依据。而空间任务地面验证阶段成功与否在很大程度上取决于其采用的验证手段对任务完成的过程特征是否真实反映。概括地说，这些特征包括：空间任务的执行过程是在轨道运行的过程中完成的，空间任务的执行过程是在微重力环境中完成的，空间任务执行过程是一个多子系统协调优化与控制的过程等等。现有的验证空间任务的地面实验系统有(1)时间限制，难以获得长时间的持续失重效果；(2)空间限制，忽略绝对轨道运动，仅能进行部分子任务或子系统的试验验证，导致空间任务的整体试验验证非常困难；(3)部分已有的重力补偿方法对机电设备的防水、防气性能要求极高，且由于流体粘性和阻力的影响，也难以满足复杂任务机动性试验要求等，因而急需发展一种可靠性高、适应性强、易于实现和维护且时间空间不受限制的空间任务验证平台，以完成高保真的空间任务地面测试与验证工作。

发明内容

本发明提出的空间任务地面运动再现跨尺度验证平台利用自由基座实现航天器轨道运动的模拟，利用磁悬浮及悬吊实现航天器的重力补偿，从而在地面真实运动再现空间任务的全过程，全面验证空间任务变轨控制方案与任务控制方案的可行性，实现执行空间任务的航天器的轨道与姿态的并行跨尺度验证。

本发明的技术方案：

空间任务地面运动再现跨尺度验证平台由实验航天器系统、吊丝主动补偿系统、自由基座系统、磁悬浮系统、协调控制系统、通信系统和监控中心组成。通过结合可粗补偿的吊丝主动补偿系统与可细补偿的磁悬浮系统构成重力补偿系统，提供实验航天器高精度的微重力环境，通过自由基座系统和重力补偿系统相结合实现实验航天器系统与微重力环境的同步运动，提供实验航天器系统不受时间和空间约束的运动微重力环境。

所述实验航天器系统包括模拟航天器和模拟航天器位姿测量单元；其中，模拟航天器在地面微重力环境中根据比例变换再现航天器空间的运动情况，模拟航天器位姿测量单元将运动状态信息反馈给自由基座系统、吊丝主动补偿系统及磁悬浮系统，实现高精度移动微重力环境构建。

所述吊丝主动补偿系统包括吊丝综合机电模块、吊丝主动补偿控制单元、吊丝位移张力测量单元；其中，吊丝综合机电模块由水平运动机构、垂向运动机构和无约束悬挂机构组成，吊丝主动补偿控制单元由伺服电机、驱动器和运动控制卡组成，吊丝位移张力测量单元由二维倾角传感器、吊丝张力传感器、数据采集卡和无线通讯卡组成；模拟航天器通过无约束悬挂机构与吊丝主动补偿系统相连，运动控制卡根据模拟航天器位姿测量单元量测得到的模拟航天器运动信息，以及吊丝位移张力测量单元量测得到的吊丝摆角和张力信息，通过驱动器控制伺服电机运转，使吊丝悬挂点跟随模拟航天器的三维空间运动，补偿模拟航天器大部分重力。

所述自由基座系统包括自由基座模块、基座运动控制单元和基座全局定位单元；其中，自由基座模块由基座本体支撑机构和驱动与转向机构组成，基座运动控制单元由伺服电机、驱动器和运动控制卡组成，基座全局定位单元由红外测距传感器、视觉传感器、光电编码器、数据采集卡和无线通讯卡组成；运动控制卡根据模拟航天器轨道运动所需的期望位置与速度，以及全局定位单元各传感器融合量测得到的自由基座运动状态反馈信息，通过驱动器控制伺服电机运转，使自由基座跟踪期望轨迹，实现模拟微重力环境与模拟航天器的同步运动。

所述磁悬浮系统包括磁悬浮模块、磁悬浮控制单元、磁场强度测量单元；其中，磁悬浮模块由磁浮定子部分(含线圈、PCB工艺制版和磁场屏蔽件)和磁浮动子部分(含永磁阵列、永磁块安装板和磁场屏蔽件)组成，磁悬浮控制单元由微处理器、功率放大器和电流调节器组成，磁场强度测量单元由磁感测量仪和漏磁检测仪组成；磁浮定子部分固定于自由基座系统的基座本体支撑机构上，磁浮动子部分安装于模拟航天器内部，磁浮力控制单元根据模拟航天器位姿测量单元量测得到的模拟航天器运动信息、吊丝主动补偿系统中吊丝位移张力测量单元量测得计算到的重力粗补偿的偏差，以及磁场强度测量单元量测得到的磁感强度信息，通过功率放大器和电流调节器调节线圈电流强度，使模拟航天器内的磁浮动子所受磁力补偿剩余重力，提供高精度的微重力环境。

所述协调控制系统包括协调控制模块，实现自由基座、吊丝主动补偿和磁悬浮三个系统多目标控制任务的协调与优化。

所述通信系统包括数据通信模块，用以自由基座、吊丝主动补偿、磁悬浮和协调控制系统量测信息与控制信息的相互通信，以及各系统量测信息与监控中心的信息传递。

所述监控中心包括装置各系统运行状态监测模块，用以动态显示装置各系统运行状态，存储运行数据，具有急停与报警功能。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)通过吊丝粗补偿与磁悬浮细补偿相结合的方式，提供高精度的微重力环境；

(2)通过自由基座系统和重力补偿系统相结合实现实验航天器与微重力环境同步运动的方式，提供实验航天器不受时间和空间约束的微重力环境；

(3)可以完整的再现空间任务过程，可验证方案每个环节的执行情况，很大程度上提高空间任务地面再现的可信度。

(4)本发明可针对同一任务的不同方案进行验证，也可针对不同任务进行验证，不仅适用于单目标，也适合多目标任务的验证，具有很强的通用性

附图说明

图1为本发明系统结构框图。

图2为本发明机械结构示意图。

图中标号：

1：吊丝主动补偿系统；2：实验航天器系统；3：磁悬浮系统；4：自由基座系统

图3为本发明的测试与验证流程图。

具体实施方式

图1为本发明的系统结构框图，图中包括：自由基座系统、吊丝主动补偿系统、磁悬浮系统、实验航天器系统、协调控制系统、通信系统和监控中心。自由基座模块、吊丝综合机电模块、磁悬浮模块以及模拟航天器构成了平台的对象层，即平台的执行机构；基座运动控制单元、吊丝主动补偿控制单元、磁悬浮控制单元以及协调控制单元构成了平台的控制层，是装置的控制中心，控制执行机构完成期望动作；基座全局定位单元、吊丝位移张力测量单元、磁场强度测量单元以及模拟航天器位姿测量单元构成了平台的测量层，量测执行机构的运动状态；通信系统和监控中心作为装置的大脑和神经中枢，负责平台运行过程的整体管理监测以及信息交会，完成高保真的航天器地面测试与验证工作。

图2为本发明平台的机械结构示意图，模拟航天器悬挂在吊丝综合机电模块下方，同时悬浮在磁悬浮定子部分上方，由悬挂吊丝张力的粗补偿以及磁浮力的细补偿调节，实现对模拟航天器在地面所受重力的高精度补偿；吊丝综合机电模块、磁悬浮模块以及模拟航天器整体座载在自由基座模块上，从而实现整体随自由基座同步运动，提供实验航天器不受时间和空间约束的微重力环境。

结合图3，本发明的测试与验证流程如下

(1)调整模拟航天器到位：a、将磁浮动子部分安装到模拟航天器本体内部，b、将模拟航天器固定在吊丝综合机电模块的无约束悬挂机构上，c、调整悬挂吊丝位置达到试验空间的中间位置；

(2)确定验证任务对象的系统参数：a、航天器的轨道姿态动力学方程及任务初始状态，b、模拟航天器所受重力数值，c、模拟航天器的任务序列；

(3)开展测试与验证工作：a、上电启动所有系统，b、自由基座在控制系统作用下跟踪模拟航天器的标称轨迹，c、模拟航天器按任务序列实施轨道与姿态机动，d、吊丝主动补偿系统中的吊点跟踪模拟航天的三维空间运动，e、磁悬浮系统根据张力传感器量测值调整磁力大小，使张力传感器数值与模拟航天器重力数值相等，从而完全再现空间的微重力环境；f、记录所有子系统的运行状态数据，为测试分析提供数据支持；

(4)结束试验，整理分析试验结果：a、关闭平台电源，卸下航天器，b、根据任务过程中测量记录的信息，分析任务方案的可行性。

Claims (10)

1.空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，其特征是：平台由实验航天器系统、吊丝主动补偿系统、磁悬浮系统、自由基座系统、协调控制系统、通信系统和监控中心组成，通过结合可粗补偿的吊丝主动补偿系统与可细补偿的磁悬浮系统构成重力补偿系统，提供实验航天器高精度的微重力环境，通过自由基座系统和重力补偿系统相结合实现实验航天器系统与微重力环境的同步运动，提供实验航天器系统不受时间和空间约束的运动微重力环境。

2.根据权利要求1所述的空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，其特征是：所述实验航天器系统包括模拟航天器和模拟航天器位姿测量单元；其中，模拟航天器在地面微重力环境中根据比例变换再现航天器空间的运动情况，模拟航天器位姿测量单元将运动状态信息反馈给自由基座系统、吊丝主动补偿系统及磁悬浮系统，实现高精度移动微重力环境构建。

3.根据权利要求1所述的空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，其特征是：所述吊丝主动补偿系统包括吊丝综合机电模块、吊丝主动补偿控制单元、吊丝位移张力测量单元；其中，吊丝综合机电模块由水平运动机构、垂向运动机构和无约束悬挂机构组成，吊丝主动补偿控制单元由伺服电机、驱动器和运动控制卡组成，吊丝位移张力测量单元由二维倾角传感器、吊丝张力传感器、数据采集卡和无线通讯卡组成；模拟航天器通过无约束悬挂机构与吊丝主动补偿系统相连，运动控制卡根据模拟航天器位姿测量单元量测得到的模拟航天器运动信息，以及吊丝位移张力测量单元量测得到的吊丝摆角和张力信息，通过驱动器控制伺服电机运转，使吊丝悬挂点跟随模拟航天器的三维空间运动，补偿模拟航天器大部分重力。

4.根据权利要求1所述的空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，其特征是：所述自由基座系统包括自由基座模块、基座运动控制单元和基座全局定位单元；其中，自由基座模块由基座本体支撑机构和驱动与转向机构组成，基座运动控制单元由伺服电机、驱动器和运动控制卡组成，基座全局定位单元由红外测距传感器、视觉传感器、光电编码器、数据采集卡和无线通讯卡组成；运动控制卡根据模拟航天器轨道运动所需的期望位置与速度，以及全局定位单元各传感器融合量测得到的自由基座运动状态反馈信息，通过驱动器控制伺服电机运转，使自由基座跟踪期望轨迹，实现模拟微重力环境与模拟航天器的同步运动。

5.根据权利要求1或4所述的空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，其特征是：所述磁悬浮系统包括磁悬浮模块、磁悬浮控制单元、磁场强度测量单元；其中，磁悬浮模块由磁浮定子部分和磁浮动子部分组成，磁悬浮控制单元由微处理器、功率放大器和电流调节器组成，磁场强度测量单元由磁感测量仪和漏磁检测仪组成；磁浮定子部分固定于自由基座系统的基座本体支撑机构上，磁浮动子部分安装于模拟航天器内部，磁悬浮控制单元根据模拟航天器位姿测量单元量测得到的模拟航天器运动信息、吊丝主动补偿系统中吊丝位移张力测量单元量测得计算到的重力粗补偿的偏差，以及磁场强度测量单元量测得到的磁感强度信息，通过功率放大器和电流调节器调节线圈电流强度，使模拟航天器内的磁浮动子所受磁力补偿剩余重力，提供高精度的微重力环境。

6.根据权利要求5所述的空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，其特征是：磁浮定子部分含线圈、PCB工艺制版和磁场屏蔽件，磁浮动子部分含永磁阵列、永磁块安装板和磁场屏蔽件。

7.根据权利要求1所述的空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，其特征是：所述协调控制系统包括协调控制模块，实现自由基座、吊丝主动补偿和磁悬浮三个系统多目标控制任务的协调与优化；

所述通信系统包括数据通信模块，用以自由基座、吊丝主动补偿、磁悬浮和协调控制系统量测信息与控制信息的相互通信，以及各系统量测信息与监控中心的信息传递；

所述监控中心包括装置各系统运行状态监测模块，用以动态显示装置各系统运行状态，存储运行数据，具有急停与报警功能。

8.根据权利要求1或2,3,4,5,7所述的空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，其特征是：自由基座模块、吊丝综合机电模块、磁悬浮模块以及模拟航天器构成了平台的对象层，即平台的执行机构；基座运动控制单元、吊丝主动补偿控制单元、磁悬浮控制单元以及协调控制单元构成了平台的控制层，是装置的控制中心，控制执行机构完成期望动作；基座全局定位单元、吊丝位移张力测量单元、磁场强度测量单元以及模拟航天器位姿测量单元构成了平台的测量层，量测执行机构的运动状态；通信系统和监控中心作为装置的大脑和神经中枢，负责平台运行过程的整体管理监测以及信息交会，完成高保真的航天器地面测试与验证工作。

9.根据权利要求2或3,4,5所述的空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，其特征是：模拟航天器悬挂在吊丝综合机电模块下方，同时悬浮在磁悬浮定子部分上方，由悬挂吊丝张力的粗补偿以及磁浮力的细补偿调节，实现对模拟航天器在地面所受重力的高精度补偿；吊丝综合机电模块、磁悬浮模块以及模拟航天器整体座载在自由基座模块上，从而实现整体随自由基座同步运动，提供实验航天器不受时间和空间约束的微重力环境。

10.根据权利要求8所述的空间任务地面运动再现跨尺度验证平台，其特征是：本发明的测试与验证流程如下

(1)调整模拟航天器到位：a、将磁浮动子部分安装到模拟航天器本体内部，b、将模拟航天器固定在吊丝综合机电模块的无约束悬挂机构上，c、调整悬挂吊丝位置达到试验空间的中间位置；

(2)确定验证任务对象的系统参数：a、航天器的轨道姿态动力学方程及任务初始状态，b、模拟航天器所受重力数值，c、模拟航天器的任务序列；

(3)开展测试与验证工作：a、上电启动所有系统，b、自由基座在控制系统作用下跟踪模拟航天器的标称轨迹，c、模拟航天器按任务序列实施轨道与姿态机动，d、吊丝主动补偿系统中的吊点跟踪模拟航天的三维空间运动，e、磁悬浮系统根据张力传感器量测值调整磁力大小，使张力传感器数值与模拟航天器重力数值相等，从而完全再现空间的微重力环境；f、记录所有子系统的运行状态数据，为测试分析提供数据支持；

(4)结束试验，整理分析试验结果：a、关闭平台电源，卸下航天器，b、根据任务过程中测量记录的信息，分析任务方案的可行性。