CN107796546B - 针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法，其包括以下步骤：步骤一，在星上力矩陀螺安装出布置压电式力测量系统；步骤二，将整体通过零刚度柔性悬吊系统进行悬吊；步骤三，压电式力测量系统输出的动态力数据传输到数据采集模块；步骤四，将转换后的数据传输到实时计算模块；步骤五，将计算得出的合力矩传输给电脑，实时的显示和储存数据。本发明提高精确度，测量环境更加真实，获取数据的精确度也更高，频率范围广，不仅可以获取姿态变化时输出的低频反作用力矩，还可以获取力矩陀螺组自身转动产生的微干扰力矩，特定公式是由力传感器安装位置与整星坐标系的关系决定的。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量方法，特别是涉及一种针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法。
背景技术
随着我国空间技术的发展，要求卫星具备的功能越来越多，同时对卫星指向精度和姿态稳定度也提出了越来越高的要求，例如美国研制的“长曲棍球”卫星主体呈八棱体，长5m，直径约为4m，一对太阳能电池帆板在轨道上展开后跨度约45.lm，卫星重15吨，设计寿命8年，因此研制高精度、高稳定度的大型卫星是当前一个重要的方向之一。
卫星控制系统是卫星极其重要的分系统，控制系统性能的好坏将直接决定整个卫星工作的成败，力矩陀螺组作为卫星姿态控制系统的执行机构，具有控制精度高、燃料消耗少、使用灵活性大等特点，在太空中，力矩陀螺组利用加速或减速时产生的反作用力矩来控制卫星在轨姿态，因此该输出合力矩的精确度及稳定度将直接影响整星的性能，必须进行准确测量。
传统的测量手段主要是利用气浮平台对单个力矩陀螺进行力矩测量，然后进行仿真模拟，其存在着如下问题：该方法只是对单个陀螺进行试验测试，然后通过仿真计算力矩陀螺组的输出合力矩，由于边界条件设定等原因，并不能完全反应力矩陀螺组在星上的输出状态，该方法测量的力矩主要是低频的转动力矩，对高频的微干扰力矩无法测量，因此不能对高精度载荷的减震隔振提供数据支持。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法，其能够有效地提高精确度，该测量方法采集时的边界条件为卫星处于失重状态，力矩陀螺组按在轨状态进行工作，因此相对原有方法，本发明的测量环境更加真实，获取数据的精确度也更高，频率范围广，该测量方法采用压电式力测量系统，不仅可以获取姿态变化时输出的低频反作用力矩，而且还可以获取力矩陀螺组自身转动产生的微干扰力矩，特定公式是由力传感器安装位置与整星坐标系的关系决定的。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法，针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法包括步骤如下：
步骤一，在星上力矩陀螺安装处布置压电式力测量系统；
步骤二，调节压电式力测量系统中各传感器的安装精度，保证其都处于同一个安装平面内；
步骤三，将卫星整体通过零刚度柔性悬吊系统进行悬吊，模拟卫星在轨时的失重状态，星上力矩陀螺开机工作；
步骤四，压电式力测量系统输出的动态力数据传输到数据采集模块，经过信号放大及调理模块，将模拟信号转换为数字信号；
步骤五，将转换后的数据传输到实时计算模块，按照特定的公式合成计算出相对于整星坐标系的合力矩，包括绕X轴的合力矩、绕Y轴的合力矩及绕Z轴的合力矩；
步骤六，将计算得出的绕X轴的合力矩、绕Y轴的合力矩、以及绕Z轴的合力矩传输给电脑，实时的显示和储存数据。
优选地，所述针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法采集时的边界条件为卫星处于失重状态，力矩陀螺组按在轨状态进行工作。
优选地，所述针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法采用压电式力测量系统。
优选地，所述零刚度柔性悬吊系统应根据整星的重量进行设计，并优化设计悬吊点的位置和数量。
本发明的积极进步效果在于：本发明能够提高精确度，该测量方法采集时的边界条件为卫星处于失重状态，力矩陀螺组按在轨状态进行工作，因此相对原有方法，本发明的测量环境更加真实，获取数据的精确度也更高。本发明的频率范围广，该测量方法采用压电式力测量系统，不仅可以获取姿态变化时输出的低频反作用力矩，而且还可以获取力矩陀螺组自身转动产生的微干扰力矩，特定公式是由力传感器安装位置与整星坐标系的关系决定的。
附图说明
图1为本发明压电式力测量系统在力矩陀螺组附近的测点布置图。
图2为本发明零刚度悬吊系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1至图2所示，本发明针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法包括如下步骤：
步骤一，在星上力矩陀螺安装处布置压电式力测量系统4；
步骤二，调节压电式力测量系统中各传感器的安装精度，保证其都处于同一个安装平面内；
步骤三，将卫星整体通过零刚度柔性悬吊系统1进行悬吊，模拟卫星在轨时的失重状态，星上力矩陀螺开机工作；
其中，上述的零刚度柔性悬吊系统应根据整星的重量进行设计，并优化设计悬吊点的位置和数量；
其中，上述的零刚度柔性悬吊系统中的每根弹力绳都应进行过悬吊试验，确定出刚度和极限承载重量；
步骤四，压电式力测量系统4输出的动态力数据传输到数据采集模块，经过信号放大及调理模块，将模拟信号转换为数字信号；
其中，应根据力矩陀螺的响应量级设定压电式力测量系统的量程、放大系数和灵敏度等；
步骤五，将转换后的数据传输到实时计算模块，按照特定的公式合成计算出相对于整星坐标系的合力矩，包括绕X轴的合力矩Mx、绕Y轴的合力矩My及绕Z轴的合力矩Mz；
其中，合力矩的计算公式应根据力矩陀螺和压电式力测量系统的布置位置进行技术；
其中，合力矩的计算应在采集系统中实时进行；
步骤六，将计算得出的绕X轴的合力矩Mx、绕Y轴的合力矩My、以及绕Z轴的合力矩Mz传输给电脑，实时的显示和储存数据。
该测量方法采集时的边界条件为卫星处于失重状态，力矩陀螺组按在轨状态进行工作，这样提高精确度。
该测量方法采用压电式力测量系统，这样频率范围广。
所述特定公式是由力传感器安装位置与整星坐标系的关系决定的，。
如图1所示，X、Y为整星坐标系的方向，X1、Y1和Z1是A1处力传感器的局部坐标，X2、Y2和Z2是A2处力传感器的局部坐标，X3、Y3和Z3是A3处力传感器的局部坐标，X4、Y4和Z4是A4处力传感器的局部坐标，X5、Y5和Z5是A5处力传感器的局部坐标。并且定义Fx1为A1出X1方向输出的动态力，Fy1为A1出Y1方向输出的动态力，Fz1为A1出Z1方向输出的动态力，以此类推。则通过几何关系可以得到相对整星的合力矩为，具体如式(1)、(2)、(3)：
Mx＝R*(Fz1+Fz2*sin18+Fz5*sin18-Fz3sin54-Fz4*sin54)…………(1)
My＝R*(Fz2*con18+Fz3*sin36-Fz4*sin36-Fz5*con18)…………(2)
Mz＝R*(Fy1+Fy2+Fy3+Fy4+Fy5)…………(3)
其中R为安装圆的半径。
当卫星姿态不发生变化时，合力矩Mx、My及Mz为力矩陀螺组自身旋转振动所产生的微干扰力矩；当卫星姿态发生变化时，合力矩Mx、My及Mz为力矩陀螺组改变姿态输出的低频反作用力矩及其自身旋转振动产生的微干扰力矩。
本发明的工作原理如下：通过零刚度柔性悬吊系统1来使整星保持失重状态，在星上力矩陀螺安装处布置压电式力测量系统4(本例以5个均布的力矩陀螺组成的力矩陀螺组为例说明)，通过同步数据卡实时采集各通道到数据，分解计算后得到力矩陀螺组3实时输出的合力矩,通过零刚度柔性悬吊系统来模拟卫星失重状态，在星上各力矩陀螺安装处布置压电式力传感器，利用采集到的数据进行实时的分解计算，从而准确地获得力矩陀螺组3在轨时的输出合力矩，解决了力矩陀螺输出力矩测量中精确度低及测量信号频率窄的问题，确保卫星在轨姿态控制的准确度，并且为微振动减震隔振提供数据支撑。本发明通过在特定点位布置压电式力测量系统来获取各点的动态力，经过实时在线解算，获取卫星在轨姿态变化时力矩陀螺组输出的合力矩以及自身旋转振动产生的微干扰力矩。
综上诉述，本发明能够有效地提高精确度，该测量方法采集时的边界条件为卫星处于失重状态，力矩陀螺组按在轨状态进行工作，因此相对原有方法，本发明的测量环境更加真实，获取数据的精确度也更高，频率范围广，该测量方法采用压电式力测量系统，不仅可以获取姿态变化时输出的低频反作用力矩，而且还可以获取力矩陀螺组自身转动产生的微干扰力矩，特定公式是由力传感器安装位置与整星坐标系的关系决定的。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法，其特征在于，所述针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法包括以下步骤：
步骤一，在星上力矩陀螺安装处布置压电式力测量系统；
步骤二，调节压电式力测量系统中各传感器的安装精度，保证其都处于同一个安装平面内；
步骤三，将卫星整体通过零刚度柔性悬吊系统进行悬吊，模拟卫星在轨时的失重状态，星上力矩陀螺开机工作；
步骤四，压电式力测量系统输出的动态力数据传输到数据采集模块，经过信号放大及调理模块，将模拟信号转换为数字信号；
步骤五，将转换后的数据传输到实时计算模块，按照特定的公式合成计算出相对于整星坐标系的合力矩，包括绕X轴的合力矩、绕Y轴的合力矩及绕Z轴的合力矩；所述特定公式是由力传感器安装位置与整星坐标系的关系决定的；
步骤六，将计算得出的绕X轴的合力矩、绕Y轴的合力矩、以及绕Z轴的合力矩传输给电脑，实时的显示和储存数据。
2.如权利要求1所述的针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法，其特征在于，所述针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法采集时的边界条件为卫星处于失重状态，力矩陀螺组按在轨状态进行工作。
3.如权利要求1所述的针对卫星力矩陀螺组在轨输出力矩的动态测量方法，其特征在于，所述零刚度柔性悬吊系统应根据整星的重量进行设计，并优化设计悬吊点的位置和数量。
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