CN107610158B - 一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置，由上平台和下平台沿安装面法线方向串联组成，上平台包括指向界面组件、调整界面组件、六套驱动组件、上平台控制单机和上平台压紧释放装置，下平台包括调整杆组件、下平台压紧释放装置、固定板和下平台控制单机。本发明在上、下平台相互配合的状态下，可规避跟踪与指向工作空间内的干涉，满足卫星有效载荷大范围、大角度持续精确随动跟踪和指向定位的需求；通过下平台扩展上平台工作空间的前提下，可有效减小装置运动包络空间，实现紧凑型设计，节省卫星星上空间资源；跟踪与指向方位可为六自由度任一方向，可灵活的实现卫星有效载荷的全空域和全圆盘的跟踪与指向。

Description

一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置

技术领域

本发明涉及航天技术领域宇航飞行器，具体涉及一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置。

背景技术

卫星上的光学仪器和天线等有效载荷对大角度、大范围跟踪和指向任务及其精度的要求越来越高，且存在多自由度跟踪与指向需求，为了适应这种要求，仅依靠卫星姿态控制则存在成本高和效率低的问题，而且当卫星存在两个以上有效载荷需要同时跟踪或指向不同区域时，卫星姿态控制是无法满足要求的。因此，需要设计相应机构或装置将有效载荷承载于装置之上进行在轨大角度、大范围跟踪和指向任务的实现，而六自由度空间指向装置则可以实现六自由度任一空间的高精度跟踪指向任务，可替代卫星姿态控制方法满足有效载荷的在轨高精度跟踪指向需求。但是传统的六自由度空间指向装置虽然可满足高精度跟踪和指向功能，广泛应用于卫星精确指向和定位、隔振及空间对接等任务，但存在有效载荷的工作空间有限、供电/控制电缆走线设计较难等特点，且若采用平动加转动方式进行工作空间扩展，则装置在星上工作包络范围较大，严重影响卫星上其它组件的空间资源，发生机械、光学和电磁干涉。因此，有必要设计一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置，在满足卫星有效载荷大范围、大角度持续精确随动跟踪和指向定位需求的同时，保证可在六自由度任一方向进行跟踪与指向，可灵活实现卫星有效载荷的全圆盘覆盖；保证紧凑型设计，节省卫星星上空间资源；保证工程可实施性，实现供电/控制电缆走线设计；并使之备良好的设计适应性、工艺性、经济性，具备可扩展性强、可靠性高、装配便捷、使用方便等特点，可广泛应用于各类具备在轨大范围、大角度精确随动跟踪和指向定位需求的卫星或其它航天器的有效载荷。

发明内容

本发明提供一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置，在满足卫星有效载荷大范围、大角度持续精确随动跟踪和指向定位需求的同时，保证可在六自由度任一方向进行跟踪与指向，可灵活实现卫星有效载荷的全圆盘覆盖；保证紧凑型设计，节省卫星星上空间资源；保证工程可实施性，实现供电/控制电缆走线设计；并使之备良好的设计适应性、工艺性、经济性，具备可扩展性强、可靠性高、装配便捷、使用方便等特点，可广泛应用于各类具备在轨大范围、大角度精确随动跟踪和指向定位需求的卫星或其它航天器的有效载荷。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置，该指向装置由上平台和下平台沿安装面法线方向串联组成，上平台负责有效载荷在六自由度任一方向的精确指向和随动跟踪，下平台负责将调整界面组件进行面内平移带动驱动组件以避免干涉；所述上平台包括指向界面组件、调整界面组件、六套驱动组件、上平台控制单机和上平台压紧释放装置，指向界面组件为内部碳纤维桁架组成的碗状结构，碗状结构上端与有效载荷对接，且为有效载荷提供机械连接、供电、控制和信号传输接口；碗状结构下底端与六套驱动组件相连，调整界面组件为板状结构，板状结构正面与六套驱动组件连接并提供支撑；驱动组件为6套上下两端均带球铰的电机直线驱动作动器，呈圆周均匀分布，上下端分别通过球铰连接指向界面组件和调整界面组件；上平台控制单机为驱动组件、上平台压紧释放装置和指向界面组件上的有效载荷提供供电、遥测和控制信号，安装在调整界面组件正面；上平台压紧释放装置位于指向界面组件和调整界面组件的几何中心线上，采用电磁抱爪结构，在发射段锁紧指向界面组件和调整界面组件保证良好的力学环境，在轨执行任务前进行抱爪解锁释放指向界面组件和调整界面组件的约束；上平台弹性环线器为带卡箍的低刚度螺旋弹簧，上下两端分别连接指向界面组件和调整界面组件，用于上平台供电、控制和信号传输电缆紧固及工作过程中的防钩挂和防缠绕；所述下平台包括调整杆组件、下平台压紧释放装置、固定板和下平台控制单机组成；调整杆组件为3套上下两端均带球铰的电机直线驱动作动器，呈圆周均匀分布，上下端分别通过球铰连接调整界面组件和固定板；下平台压紧释放装置为6套基于爆炸螺栓的压紧释放装置，两两分组对称布置于每个调整杆组件两边，分布于调整界面组件和固定板的圆周上，在发射段通过爆炸螺栓锁紧调整界面组件和固定板，保证良好的力学环境，在轨执行任务前进行解锁爆炸螺栓以释放调整界面组件和固定板的约束。

优选地，所述固定板为板状结构，固定板正面与调整杆组件连接，固定板反面与卫星平台紧固连接。

优选地，所述下平台控制单机用于为调整杆组件和下平台压紧释放装置提供供电、遥测和控制信号，安装在固定板的反面。

优选地，所述上平台和下平台根据任务需求工作，执行小角度精确指向和随动跟踪任务时仅上平台进行动作；执行大角度精确指向和随动跟踪任务时且存在空间干涉隐患时，下平台才在上平台工作后再工作以规避干涉和扩展装置工作空间。

优选地，所述供电、控制和信号传输接口均固定在指向界面组件上，便于不同各类有效载荷的适应性调整。

本发明所提供的一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置，在能可靠安全地保证卫星有效载荷具备在六自由度方向进行大范围、大角度持续精确随动跟踪和指向定位需求的同时，具备紧凑型和良好的工程可实现性和可扩展性，具有以下优点：

1可实现在六自由度任一方向的精确随动跟踪和指向定位，且跟踪和指向角度和范围更大；

2实现紧凑型设计，节省卫星资源，工程适应性较强；

3实现电缆走线设计，解决了同类装置的难题，具备较强的工程可实现性；

3分为上、下两个平台，根据不同指向需求采取不同工作模式，设计合理可靠；

4具备良好的设计适应性、工艺性、经济性，具备可扩展性强、可靠性高、装配便捷、使用方便等特点。

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为本发明所提供的装置收拢状态的结构示意图。

图2为本发明所提供的装置工作状态的正视图。

图3为本发明所提供的装置工作状态的侧视图。

图4为本发明所提供的装置上平台的正视图。

图5为本发明所提供的装置上平台的侧视图。

图6为本发明所提供的装置上平台的俯视图。

图7为本发明所提供的装置下平台的正视图。

图8为本发明所提供的装置下平台的侧视图。

图9为本发明所提供的装置下平台的俯视图。

图10为本发明所提供的装置上平台压紧释放装置压紧状态示意图。

图11为本发明所提供的装置上平台压紧释放装置释放装置示意图。

图12为本发明所提供的装置上平台转动极限状态示意图。

图13为图12的正视图。

图14为本发明所提供的装置上平台转动极限后下平台工作状态示意图。

图15为图14的正视图。

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。

如图1-图15所示，本实施例所提供的一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置，

该指向装置由上平台和下平台沿安装面法线方向串联组成，上平台负责有效载荷在六自由度任一方向的精确指向和随动跟踪，下平台负责将调整界面组件进行面内平移带动驱动组件以避免干涉；所述上平台包括指向界面组件1、调整界面组件2、六套驱动组件3、上平台控制单机4和上平台压紧释放装置5，指向界面组件1为内部碳纤维桁架组成的碗状结构，碗状结构上端与有效载荷对接，且为有效载荷提供机械连接、供电、控制和信号传输接口；碗状结构下底端与六套驱动组件3相连，调整界面组件2为板状结构，板状结构正面与六套驱动组件3连接并提供支撑；驱动组件3为6套上下两端均带球铰的电机直线驱动作动器，呈圆周均匀分布，上下端分别通过球铰连接指向界面组件1和调整界面组件2；上平台控制单机4为驱动组件3、上平台压紧释放装置5和指向界面组件1上的有效载荷提供供电、遥测和控制信号，安装在调整界面组件2正面；上平台压紧释放装置5位于指向界面组件1和调整界面组件2的几何中心线上，采用电磁抱爪结构，在发射段锁紧指向界面组件1和调整界面组件2保证良好的力学环境，在轨执行任务前进行抱爪解锁释放指向界面组件1和调整界面组件2的约束；上平台弹性环线器6为带卡箍的低刚度螺旋弹簧，上下两端分别连接指向界面组件1和调整界面组件2，用于上平台供电、控制和信号传输电缆紧固及工作过程中的防钩挂和防缠绕；所述下平台包括调整杆组件7、下平台压紧释放装置8、固定板9和下平台控制单机10组成；调整杆组件7为3套上下两端均带球铰的电机直线驱动作动器，呈圆周均匀分布，上下端分别通过球铰连接调整界面组件2和固定板9；下平台压紧释放装置8为6套基于爆炸螺栓的压紧释放装置，两两分组对称布置于每个调整杆组件7两边，分布于调整界面组件2和固定板9的圆周上，在发射段通过爆炸螺栓锁紧调整界面组件2和固定板9，保证良好的力学环境，在轨执行任务前进行解锁爆炸螺栓以释放调整界面组件2和固定板9的约束。所述固定板9为板状结构，固定板9正面与调整杆组件7连接，固定板9反面与卫星平台紧固连接。所述下平台控制单机10用于为调整杆组件7和下平台压紧释放装置8提供供电、遥测和控制信号，安装在固定板9的反面。所述供电、控制和信号传输接口均固定在指向界面组件上，便于不同各类有效载荷的适应性调整。本装置的应用方法及对应状态如下：

第一步，将有效载荷固定在装置上平台指向界面组件上，连接好机械、供电、遥测和控制等接口；将装置及有效载荷悬吊至卫星上，将装置的固定板与卫星紧固，并连接好卫星与上平台控制单机、上平台控制单机之间的供电及通信电缆。

第二步，在主动段利用上平台、下平台的压紧释放装置分别将平台锁紧，使整个装置具备足够的刚度以保证主动段力学环境下装置的安全性。该状态下，上平台压紧释放装置采用电磁抱爪与指向界面组件反面的突出结构配合锁紧；下平台压紧释放装置采用爆炸螺栓将调整界面组件和固定板锁紧。

第三步，在轨段将平台压紧释放装置解锁，该状态下，上平台压紧释放装置的电磁抱爪张开，与指向界面组件反面的突出结构脱离，且驱动组件均伸长以将指向界面组件抬升至工作状态高度；下平台压紧释放装置的爆炸螺栓已引爆，调整界面组件和固定板之间约束解除。

第四步，卫星根据目标监测任务需求，发送跟踪或指向指令信息至上平台控制单机，电单机解算得到上平台运动方位和角度信息，并控制驱动组件使指向界面组件及有效载荷到达指定的空间位置。若目标为空间动目标且需实时跟踪，则在卫星发送动目标运动信息及监测指令后也可由卫星解算动目标运动信息后直接给装置跟踪与指向指令，实现高精度跟踪和指向任务，最大转动角度可达35°。

第五步，若卫星对目标的跟踪和指向角度较大，超过了35°范围，则由上平台控制单机发送解算后的运动指令给下平台控制单机，在上平台完成35°跟踪或指向任务时，下平台的调整杆组件带动调整界面组件向指向界面组件运动的反方向做平移运动，驱动组件随着调整界面组件的运动适应性伸长或缩短，保证指向界面组件空间位置不动，同时避开了驱动组件与指向界面组件的干涉，最大可扩展角度10°，使得装置跟踪定位角度范围扩大至45°。

第六步，卫星对目标监测任务变化时，不需要回归初始状态，仅需要以装置当前位置状态为基准计算所需运动信息，重复第三步、第四步即可。

本具体实施采用球碗状指向界面组件设计，结合下平台平移设计，共同实现驱动组件与指向界面组件之间防干涉的空间扩展，而下平台平移时上平台保持状态不变，可保证装置工作包络空间足够紧凑，减少对卫星其它系统的机械、光学和电磁干涉，节省卫星上的空间资源；所述装置的上平台、下平台均分别采用一套压紧释放装置进行卫星主动段的锁紧和在轨段的约束释放，上平台压紧释放装置采用电磁抱爪结构，与指向界面组件反面的突出结构配合锁紧；下平台压紧释放装置采用爆炸螺栓锁紧调整界面组件和固定板。

本具体实施具备良好的设计适应性、工艺性、经济性，具备可扩展性强、可靠性高、装配便捷、使用方便等特点，可广泛应用于各类具备在轨大范围、大角度精确随动跟踪和指向定位需求的卫星或其它航天器的有效载荷。

以上是对本发明具体实施例的说明，但并不用来限定本发明。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的内容对本发明所提出的方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明的技术内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简化修改、等同变化及修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置，其特征在于，该指向装置由上平台和下平台沿安装面法线方向串联组成，上平台负责有效载荷在六自由度任一方向的精确指向和随动跟踪，下平台负责将调整界面组件进行面内平移带动驱动组件以避免干涉；

所述上平台包括指向界面组件(1)、调整界面组件(2)、六套驱动组件(3)、上平台控制单机(4)和上平台压紧释放装置(5)；

所述指向界面组件(1)为内部碳纤维桁架组成的碗状结构，所述碗状结构上端与有效载荷对接，且为有效载荷提供机械连接、供电、控制和信号传输接口；所述碗状结构下底端与六套驱动组件(3)相连；

所述调整界面组件(2)为板状结构，所述板状结构正面与六套驱动组件(3)连接并提供支撑；

所述驱动组件(3)为6套上下两端均带球铰的电机直线驱动作动器，呈圆周均匀分布，上下端分别通过球铰连接指向界面组件(1)和调整界面组件(2)；

所述上平台控制单机(4)为驱动组件(3)、上平台压紧释放装置(5)和指向界面组件(1)上的有效载荷提供供电、遥测和控制信号，安装在调整界面组件(2)正面；

所述上平台压紧释放装置(5)位于指向界面组件(1)和调整界面组件(2)的几何中心线上，采用电磁抱爪结构，在发射段锁紧指向界面组件(1)和调整界面组件(2)保证良好的力学环境，在轨执行任务前进行抱爪解锁释放指向界面组件(1)和调整界面组件(2)的约束；

上平台弹性环线器(6)为带卡箍的低刚度螺旋弹簧，上下两端分别连接指向界面组件(1)和调整界面组件(2)，用于上平台供电、控制和信号传输电缆紧固及工作过程中的防钩挂和防缠绕；

所述下平台包括调整杆组件(7)、下平台压紧释放装置(8)、固定板(9)和下平台控制单机(10)组成；

所述调整杆组件(7)为3套上下两端均带球铰的电机直线驱动作动器，呈圆周均匀分布，上下端分别通过球铰连接调整界面组件(2)和固定板(9)；

所述下平台压紧释放装置(8)为6套基于爆炸螺栓的压紧释放装置，两两分组对称布置于每个调整杆组件(7)两边，分布于调整界面组件(2)和固定板(9)的圆周上，在发射段通过爆炸螺栓锁紧调整界面组件(2)和固定板(9)，保证良好的力学环境，在轨执行任务前进行解锁爆炸螺栓以释放调整界面组件(2)和固定板(9)的约束；

所述固定板(9)为板状结构，固定板(9)正面与调整杆组件(7)连接，固定板(9)反面与卫星平台紧固连接；

所述下平台控制单机(10)用于为调整杆组件(7)和下平台压紧释放装置(8)提供供电、遥测和控制信号，安装在固定板(9)的反面。

2.如权利要求1所述的一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置，其特征在于，所述上平台和下平台根据任务需求工作，执行小角度精确指向和随动跟踪任务时仅上平台进行动作；执行大角度精确指向和随动跟踪任务时且存在空间干涉隐患时，下平台才在上平台工作后再工作以规避干涉和扩展装置工作空间。

3.如权利要求1所述的一种用于卫星载荷的紧凑型六自由度精确跟踪与指向装置，其特征在于，所述供电、控制和信号传输接口均固定在指向界面组件上，便于不同各类有效载荷的适应性调整。

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