CN108475842A - 紧凑的稳定化的指向系统 - Google Patents

Abstract

本发明的优选应用领域涉及用于稳定小卫星(例如所谓的纳米卫星)中指向平台的定向的技术。事实上，针对低成本空间应用使用纳米卫星，要求它们具有适合于支持大量可能的新应用的性能，具体而言，要求它们即使在功率资源不足的情况下也能够确保足够的电信容量。因此，非常精确的指向系统的可用性对于使通信尽可能高效是非常重要的。此外，还应该指出的是，纳米卫星平台也非常不稳定，因此这种指向在获得时必须被持续地稳定化。最后，指向和稳定机构必须是轻便和紧凑的，以满足空间应用的(但也可能存在于其他应用领域的)其他典型限制(准确地说，重量和尺寸)。本发明中规定的机构提供可调节的支撑平台，该支撑平台通过具有两个或三个自由度的联接件在其一个点上被约束到卫星平台(或者一般地说是不稳定的平台)。这种可定向平台的定向和稳定然后受到其他约束的控制，这些约束存在于具有可控长度的可伸展腿中。该机构作为整体为稳定化的指向的问题提供了令人满意的解决方案，并同时允许显著减小重量和整体尺寸。

Description

紧凑的稳定化的指向系统

说明书

本发明的优选应用领域涉及小卫星(例如所谓的纳米卫星)中指向平台的定向的稳定化。

从下面的描述中可以明显看出，将纳米卫星用于低成本空间应用需要这些纳米卫星具有足够的性能来支持新的可能的应用；例如，可能需要高于当前可用电信容量的电信容量，并且从这个角度来看，为这些纳米卫星提供稳定化的平台可能是特别有用的，该稳定化的平台允许电信终端的外壳能够在光学波段载波上操作，并且这样的终端将需要精确的指向才能起作用。

尽管在上述引用的空间应用中对稳定化的平台的需求是非常实际的，并且具有非常苛刻的要求，但是明显的是，在下文中提出的技术也可以在存在相同需求的其他环境中得以应用：即，具有即使安装在不稳定的支撑系统中也能够以给定精度保持稳定化定向的紧凑且轻便的平台的通用要求。

基于传统卫星的项目的特点是发射成本高，且执行每个任务似乎都需要很长时间。这些特性对传统卫星的传播及其在具有高商业风险的创新应用中的使用构成了限制，因此，即使在技术方面，所述特性也阻碍了进一步的发展。

另一方面，这种阻碍基于传统卫星平台的商业空间应用的全面发展的技术-经济情景似乎鼓励使用小尺寸或非常小尺寸的卫星，例如所谓的纳米卫星。事实上，后者似乎是一种可用在许多应用中的技术解决方案，并且不受上述限制的影响。

重量在几十公斤或更少的卫星的使用是如何迅速确立的，越来越清楚：传统上，“纳米卫星”的名称是指重量低于十公斤至只有几公斤、并且采用大约几分米的尺寸的任何卫星。

如此小的尺寸和重量允许大幅度降低其发射进入轨道的成本。这个事实非常重要，因为它触发了一个良性的经济循环：实际上，更多的预期发射次数证明了允许对纳米卫星平台的模块化设计进行整合以及因此造成的进一步的成本降低的构造标准的合理性。再次，根据适当的标准建造的大量物体将允许实现增加的性能和可靠性，从而鼓励在所有允许其使用的应用中越来越多地建立纳米卫星技术。

因此，下面的描述将一般地引用安装在纳米卫星上的稳定平台的情况；但这并不排除较大卫星的情况，甚至不排除在需要能够保持稳定化的指向平台的其他环境中的安装。对纳米卫星的引用仅仅代表一种典型的应用情况，除了对于本发明的说明是有效的应用的情况之外，该典型的应用情况从技术观点来看也表示非常具有挑战性的应用。

关于纳米卫星平台的预期成功的简要概述在这里被提及，主要是为了强调技术问题的重要性，这可能对基于纳米卫星技术的应用的加速产生重大影响。

事实上，小的尺寸和重量如果一方面具有触发上述经济优化的优点，另一方面则会带来新的技术问题，因为整个机载仪表(或有效载荷)也必须被设计成特别小巧、紧凑且轻便，同时即使在资源有限的情况下也确保高性能。

具体而言，注意电信系统的性能是重要的。事实上，任何卫星都需要进行通信，不管它是为什么应用设计的。例如，拍摄地球图像的观测卫星，必须能够向控制中心以及被设计为收集气象或环境数据的任何其他卫星发送这些图像。

在纳米卫星的情况下，通信的问题的特征还在于这些卫星被放置在相当低的轨道上并且因此它们相对于地球(并且一般而言，也在它们之间)以相当高的速度运动，因此，可见性的时间窗口会非常短，可见性的时间窗口是两个终端因为足够接近并且彼此看得见所以可以进行通信的时间段。

对通信时序的这一约束，加上对每个应用需要传输的数据量的要求，推动对于能够支持相当速度传输的通信系统的寻求。这是因为，纳米卫星可以支持的数据速率越高，它可以执行的功能的数量就越多，并且对于这种纳米卫星的每个给定应用必须准备的电信网络的重要性和复杂性就越低。

无线电传输速度又与发射器功率相关联，而功率与系统的重量和尺寸有关。总之，如果重量和尺寸要求代表对纳米卫星的基本组成要求，那么可以得出结论，纳米卫星可以激活的无线电通信在速度上受到重量限制和发射器尺寸(也对可用功率进行限制)的限制。

无线电通信中的这种限制已经引起了对光学通信越来越多的兴趣。后者实际上可以获得链路预算(link-budget)，给定纳米卫星的机载的可用功率，该链路预算可以达到比发射器在射频中可获得的传输速度高出几个数量级的传输速度。这是因为光学载波的方向性更高并且光学信号中噪声的可管理性更好。总之，可以得出结论，光学通信特别适用于构建能够支持相当大的传输速度同时保持减小的重量和尺寸的终端。

应该指出的是，在这方面，通信技术不是本发明的目的，因为它们是适用于大型卫星上的应用的通信的已知光学传输系统，或者是被设计用于在纳米卫星上操作的这种系统的原型。相反，本发明关注电信元件的机械支撑，并且指示保持稳定化的指向的平台，以便受益于利用光学载波上的传输可以达到的极端方向性。

为了说明本发明的目的，上述考虑仅用于指示为什么在涉及至少一个纳米卫星的通信中能够使用光学终端是重要的：原因是光学载波(或激光载波)上的通信特别适合于支持高速和低功率的通信。

相比之下，在空间应用的典型距离上，用于光学通信的激光载波的极端方向性需要非常高的指向精度，大约为几个微弧度(micro-radian)。根据情况，在远距离上并且具有高容量特征的光学通信可能会对指向精度提出大约为几个微弧度或几十微弧度的要求。

因此，上述论证的序列抵达了对非常具有挑战性的技术问题的识别。

事实上，重量非常低的纳米卫星受制于宽频谱的应力(solicitation)，这些频率决定了运动难以被补偿。此外，由于重量和尺寸的原因，机载资源(例如推进剂、功率或惯性质量)的数量大大减少，整个纳米卫星的精确稳定化实现起来非常复杂。

因此，保持有效的定向无线连接(特别是当其在光学载波上有效时)所需的指向系统必须对该指向系统安装于其上的纳米卫星的定向的固有不稳定性进行补偿。

借助已知系统目前可达到的涉及纳米卫星的通信性能仍然是不足的。

目标是提供一个非常紧凑的终端，其重量(包括指向和稳定机构)大约为一公斤(甚至更低)，并且，与此同时，即使被安装在一个对环境干扰非常敏感的特别不稳定的平台(诸如纳米卫星，因为它配备的姿态控制系统具有远远低于传统大型卫星的典型性能的性能)上，也确保非常高的指向精度。

所提到的技术问题的关键性质反映在尚未有人提出完全令人满意的解决方案这一事实上。

例如，在MIT(麻省理工学院)协调的一些项目中，这些问题涉及尖端的方法，通过使用称为FSM(快速转向镜)的技术来搜索指向稳定化的问题的技术解决方案，FSM是一种这样的技术，其中相对于纳米卫星平台固定的激光源指向可控定向反射镜，该可控定向反射镜能够使反射光束的定向保持稳定。

由于(固定的)激光发射器可以通过小型和轻型支撑件来安装，反射镜也是一个轻便的元件，并且控制与反射镜相关联的自由度(通常是两个自由度)的电机可以被逼近为显著小型化，所以采用FSM技术允许包含足够的重量和总体尺寸。FSM技术的局限性在于指向的小范围，通常小于十分之几度。尤其对于高频率，非常快速的致动器具有短行程，并且该范围限制涉及至少两个非常显著的禁忌。

第一个禁忌在于，FSM技术不能执行指向功能，而仅仅是稳定：并且因此整个系统必须包括与FSM技术中的稳定系统耦合的(即使精度不够的)指向机构。第二个缺点是也需要用光学载波的宽发散来补偿有限的范围，这对增益产生不利影响，并因此降低传输容量。实际上，当前可用的实现方案遭受上述限制，这对于许多感兴趣的应用来说是相当重要的，因为它们对系统的紧凑性和其支持高比特率通信的降低的适用性二者都有影响。

其他项目，如由“日本国家信息和通信技术研究所”推动的SOTA项目(小型光学转发器)，其发展的基础是借助利用可控联接件直接安装在机构上的光学发射器，这些可控联接件允许控制至少两个自由度。然而，这个项目提供了将电信系统安装在这样的平台上，该平台的尺寸和重量不允许集成在纳米卫星的板上；因此，质量和功率约束不那么严格，并且指向要求也不太苛刻，这是因为较大的卫星本质上也更稳定。所有这些都导致了解决方案的发展，这些解决方案具有的特征无法扩展到纳米卫星，其中光学终端(包括指向机构)的总重量约为几公斤。

因此，本发明的主要范围是设计一种新的机构，该机构能够确保非常稳定的指向，即使当安装在受制于在很宽的频率范围内的显著运动和振动的支撑件(诸如例如纳米卫星)中时，也具有非常高的精度。本发明的另一个范围是设想一种新的稳定机构，其比已知的稳定机构更轻且更紧凑、并且可能(还关于可靠性和操作)是经济的。

最后，本发明的进一步范围是设想一种新的稳定化指向机构，其可以代表可能被标准化的模块，该模块适于耦合到能够在空间环境中操作的小型卫星(例如，纳米卫星)。

本发明的预期目的是通过一种稳定化的指向系统来实现的，该指向系统包括利用至少三个耦接元件联结到不稳定平台的可移动支撑元件，其中所述耦接元件的特征在于：

1.一个耦接元件是联接件，该联接件仅允许具有两个或三个自由度的旋转，并且该联接件将所述可移动支撑元件和所述不稳定平台连接在一起；

2.其他至少两个耦接元件是可伸展腿，其长度是可变的，并且所述可伸展腿中的每一个在其一端处被联结到所述可移动支撑元件，并且在另一端部处被联结到所述不稳定平台；

3.所述至少两个可伸展腿与所述可移动支撑元件以及所述不稳定平台的联结是联接件，这些联接件每个仅允许具有至少两个自由度的旋转；

4.在可伸展腿的两个端部处的两个联结仅允许两个自由度的情况下，允许这种可伸展腿的一部分围绕伸展轴相对于另一部分旋转(因此，该腿合并有允许扭转的内部联接件)；

5.每个可伸展腿都包括致动器元件，该致动器元件允许控制可伸展腿的长度。

6.所述可伸展腿中的至少一个(在优选实施例中，每个所述腿)还包括用于对该可伸展腿的伸展或压缩进行阻尼和衰减的一个元件。

本发明的主要优点由以下事实给出：根据本发明的教导实现的移动平台的稳定化的指向系统实现其构想的主要目的。本发明还具有进一步的优点，这些优点将从以下描述(其示出更多细节)、从形成相同描述的整体部分的所附权利要求、以及从在以下描述以及附图中所描述但不限于其的实施例的一些示例的图示变得显而易见，在附图中：

·图1示出了根据本发明的教导的配备有稳定化的指向系统的卫星；

·图2更详细地示出了根据本发明的教导的稳定化的指向系统的特征元件；

·图3示出了安装整体稳定化的指向系统的特殊情况。

图1提供了纳米卫星的整体视图，其中强调了安装在根据本发明进行稳定化的可调支撑件上的用于电信的光学发射器的存在。

编号100表示不包含任何有效载荷的纳米卫星平台。编号101表示与所述纳米卫星平台100成一体的笛卡尔(Cartesian)参考系。

参考系101跟随纳米卫星平台100的运动，因此它相对于地球以及相对于其他卫星二者运动。如已经说过的，关于纳米卫星平台，所述参考系101的这种运动是平移和旋转的，并且它们的特征在于宽频谱上的显著的幅度。参考系101的运动的这些特征在结构上归因于纳米卫星平台的技术，并且在短时间内不期望能够消除这种运动的一些分量而不减少或影响纳米卫星的有效载荷可用的资源的任何用于稳定整个纳米卫星平台的技术。事实上，(对例如旋转的)消除甚至仅仅是显著的限制，将需要对重量和成本的限制有显著影响的稳定系统；而目前对纳米卫星平台的研究，优先级放在重量和成本的降低，有时甚至会使情况变得更糟糕。

因此，本发明与纳米卫星平台(以及一般而言，小卫星)的这种演变趋势一致，并且提出了对稳定化的指向问题的解决方案，其具有对这些卫星平台的最小影响，因为它们正在快速演变。

在这种解决方案对开发需求和其所应用的平台的演变保持最小的影响意义上而言，这种解决方案因此具有显著的模块性。因此，它是旨在被视为行业中的可能的标准的解决方案。

仍然在图1中，编号111表示与参考系101成一体的约束元件，该约束元件提供约束点，在该约束点上附接移动且可定向的支撑件。所述可移动支撑元件在图1中由编号210表示，而编号211表示所述可移动支撑元件210与所述约束元件111并且因此与纳米卫星平台100的约束；而所述约束211由自由联接件构成，取决于实施例，该自由联接件允许两个或三个旋转自由度。

此处应注意到，为了确定支撑元件210的定向(或指向)，两个旋转自由度在理论上就已足够；然而，将在下面描述的指向和稳定机构优选地使用这样的运动，即该运动规定所述约束211是具有三个自由度的旋转联接件。事实上，第三旋转自由度对于实现具有更方便的轨迹的指向系统的运动是有用的，这允许满足附加的优化条件，例如功耗的最小化或者增大的致动速度等。

相对于纳米卫星平台100的参考系101固定的所述约束元件111可以由根据可用标准之一应用于纳米卫星平台的一类支架构成，或者在任何情况下，它可以由现有纳米卫星平台的任何适当元件(例如边缘)构成，其允许将可移动支撑元件210附接在允许在所有方向上的旋转运动有足够余量的位置，从而允许有足够的指向幅度。

在变型实施例中，所述约束元件111也可以部分或整体是相对于参考系101可移动的中间平台，该中间平台与卫星平台100是成一体的，但无论如何相对于指向系统的要求，该中间平台仍然是不稳定的。

如已经说过的那样，在没有中间平台的情况下(具有中间平台的情况将在后面描述)，所述可移动支撑元件210通过图1所示的具有编号211的联接件(放置在约束元件111上)被联结到纳米卫星平台100，该联接件仅允许两个或三个自由度的旋转运动。编号201然后表示与所述可移动支撑元件210成一体的笛卡尔参考系。由于所述可移动支撑元件210被联结到纳米卫星平台100的约束类型的影响，参考系201可以相对于与纳米卫星平台100成一体的系统101旋转。具体地说，可以控制所述可移动支撑元件210，以便保持图1中由参考系201的轴“w”指示的特定指向。

仍然在图1中，编号220表示激光发射器的光学天线的示例，其适用于发射在光学载波上调制的电信信号。所述激光发射器220安装在所述可移动支撑元件210上并与其成一体。在图1所示的情况下，已经选择了与可移动支撑元件210成一体的参考系201，使得“w”轴也与激光发射器220的指向方向一致。显然，激光发射器220在可移动支撑元件210上的安装机构可以是各种类型的：对于实现本发明的目的而言，重要的是激光发射器220安装在支撑元件210上，可相对于纳米卫星平台100(纳米卫星平台100是固有的不稳定平台)运动，以及通过所述可移动支撑元件210的控制，控制和稳定所述激光发射器220的指向这二者是可能的。

为了阐明所描述的机制也适合于支持指向功能本身、能够对旋转幅度(该旋转幅度可以容易地达到十度的数量级)进行操作，使用两个不同表达：指向的“稳定”和“控制”是非常重要的。

能够补偿平台不稳定性的其他已知方法不允许足以控制真实指向的运动“范围”，因此，它们必须耦接到可确保指向的其他系统，然后必须用更精细的控制来使指向稳定。

重要的是要注意，对所述支撑元件210的指向的控制不是通过在联接件211上直接施加扭矩(这将导致通过利用不利的杠杆来操纵可移动支撑元件210)而发生：事实上，这个最后的联接件从构造的角度来看被设计得非常简单，并且由纯旋转约束构成。因此，在优选实施例中，铰接联接件211是非常简单的机构，其不具有用于传递运动的齿轮或机构，并且可以例如通过旋转轴承的耦接来构成，因此具有高可靠性的特征。

可移动支撑元件210相对于它安装于其上的纳米卫星不稳定平台的定向然后由至少两个可伸展腿所构成的致动器确定。

编号310示出了这些腿中的一个腿，所述可移动支撑元件210通过这些腿被联结到所述纳米卫星平台100，而编号320示出了与腿310类似但不一定相同的第二可伸展腿。所述可伸展腿310通过旋转约束在其两端被联结：在一端上，它连接到所述可移动支撑元件210，并且在另一端上它连接到纳米卫星平台100。重要的是要注意，像联接件211(可移动支撑元件210通过其连接到纳米卫星平台100)的情况那样，即使在联结腿310的联接件中，也没有提供任何扭矩的直接施加。唯一的主动(active)元件位于腿的伸展机构中。

因此，可移动支撑元件210的定向由可伸展腿所采用的长度确定，所述可移动支撑元件210通过这些可伸展腿连接到所述纳米卫星平台100。

联接件211和经由可伸展腿的连接是所述可移动支撑元件210用于连接到纳米卫星平台100的仅有约束，可移动支撑元件210从纳米卫星平台100受到使其不稳定的应力，从而使得精确指向特别困难。

最后，应该指出的是，在优选实施方式中，所有各种可伸展腿都具有相同的特征(事实上它们都是相同的)。但是，从理论上讲，它们也可以具有不同的形状和尺寸，并且可能具有一些不同的机械特性。在任何情况下，这样的腿(如腿310)全部都具有如下特征，其端部通过旋转约束连接，在一端上连接到可移动支撑元件210，而在另一端上连接到纳米卫星平台100。此外，所有可伸展腿精确地以受控的方式可伸展，因为它们包括线性致动器。应该注意，用“线性致动器”的表述意在指代任何类型的致动器，可能还包括用于转换旋转运动的机构，其允许以受控方式改变可伸展腿的长度。并且由这些可伸展腿所采用的长度决定了所述可移动支撑元件210相对于纳米卫星平台100的定向。

图2再现了类似于图1(其很好地例示了本发明的发明原理)的实施方式的实施方式的示例，并且因此在图2中还示出了根据本发明的教导的，用于稳定可移动支撑元件210的指向的系统的一些元件，与在图1中使用相同的编号来指示。因此，编号100指示纳米卫星平台(在图2中仅部分可见)，编号210仍然表示可移动支撑元件，并且编号220表示激光发射器的光学天线。如在图1中那样，激光发射器220的光学天线的指向方向是与可移动支撑元件210成一体的笛卡尔参考系201的轴“w”的方向。

然后，编号200一般性地指示整个移动系统，其包括与可移动支撑元件210成一体的所有元件的集合。

图2还示出了两个可伸展腿，这些可伸展腿根据它们的可变长度来确定移动系统200的定向。所述两个可伸展腿用编号310和320来指示。在位于前景中且被限制在虚线矩形内的用编号310所指示的腿中，更详细地示出了构成它的一些特征元件。编号311代表允许可伸展腿310连接到可移动支撑元件210的一个自由联接件。编号314代表具有至少两个自由度的另一个联接件，其允许可伸展腿310在另一端连接到纳米卫星平台100。

在图2的实施方式的示例中，只有球形联接件311是具有三个旋转自由度的自由联结，而另一个约束是利用具有两个自由度的更简单的联接件实现的，然而，实施方式的选择可以颠倒，并规定联接件314以三个自由度自由旋转。鉴于在具有两个可伸展腿的系统中，所有联接件都自由的(三个自由度)配置是可能的，理论上进一步的变体也是可能的，其仅允许在每个可伸展腿的两个端处使用仅具有两个自由度的联接件：在这种情况下，会在可伸展腿上产生扭转应力；然而，通过提供允许在可伸展腿的中间点处有自由扭转的联接件的存在，可以容易地适应该现象。然而，在上述实施方式变型中，优选的是如下的实施方式变型，其中在可伸展腿310的一端处的一个旋转约束是自由联接件，而在可伸展腿310的另一端处的另一个旋转约束是具有两个自由度的铰接联接件。

回到对可伸展腿310的检查(在其他可伸展腿中也一样)，注意到它包括串联放置的至少两个伸展元件，使得当两者都伸展时，腿310的整体伸展由这两个元件的伸展之和给出；当反过来两者都被压缩时，腿310的总压缩由两个元件的压缩之和给出(显然，当一个元件被压缩而另一个元件伸展时，两个效果在腿长度变化上至少部分地抵消)。

编号313表示衰减和阻尼元件，其是对压缩或伸展被动的元件。在典型的实施方式中，所述被动元件313的特征在于刚度“k”和耗散系数“c”，事实上，其用作充当低通滤波器(至少二阶的滤波器，因为如所述的那样，其特征还在于耗散摩擦系数)的弹簧(通常是非线性的，并且也以耗散属性为特征)。

编号312代表线性致动器，其允许腿的伸长和/或缩短。在这种情况下，它是主动和可控的元件，其允许在一定范围内改变腿310的长度。

必须注意的是：被动阻尼器313越是表现为具有低截止频率的理想的低通滤波器，至少当受到远高于截止频率的频率的应力时，可移动支撑元件210就越会导致稳定化的定向。事实上，由纳米卫星平台100的运动确定的、并且通过联结314传输的所有高频应力将被所述被动阻尼元件313吸收，该被动阻尼元件313在其另一极端处将呈现自身为几乎静止，并且仅将低频运动传递到主动线性致动器312。

然而，很明显，理想的表现只是理论上的近似，而不是在真实系统中复制，而且最重要的是，对腿的长度的控制要求控制运动也传输足够高的频率的分量(例如，以执行快速的指向控制)。因此，所述被动衰减和阻尼元件313仅吸收与其连接的纳米卫星平台100在每个可伸展腿上产生的应力的一部分，并且将这些应力的剩余部分传递到它的另一端。因此，线性致动器312是必需的，因为它必须补偿未被被动阻尼器313过滤的任何应力(并且具体地是阻尼器没有被设计针对的较低频率)。

现在清楚的是，在根据本发明的稳定化系统的每个腿中，被动元件313的存在如何允许通过对本来将被补偿的运动的相关部分进行过滤来促进对可移动支撑元件210的稳定化控制。

现在还应该清楚，被动阻尼器313越能够过滤、吸收由纳米卫星平台100引起的应力，就越会使得由主动线性致动器312负责的稳定化任务简化。

在本发明的典型实施例中，被动衰减和阻尼元件313包括以非常低的硬度为特征的弹簧。

请注意，就这一点而言，在低重力环境下(如空间环境)，使用非常“松的”的弹簧当然是可能的(因为不需要补偿可能使这些太“松的”弹簧过度压缩或伸展的重量)。然而，正在进行研究以设计比简单弹簧更复杂的被动阻尼器，并且这种研究的结果可以产生其他类型的阻尼器313，这些阻尼器313具有与本专利中描述的教导所指示的应用相关的越来越高效的性能。

通常，在可伸展腿的构造基于使用弹簧或活塞或其他实际物理部件的真实情况下，表征可以通过简化模型来形式化，在简化模型中，纯弹性元件(由弹性系数“1/k”表征)和耗散元件(由系数“c”表征)被串联放置。或者，它们可以根据更复杂的模型进行部署，在更复杂的模型中，一些弹性和耗散性构成部分以不同方式组合，包括串联和并联。

因此，本发明的教导允许实现可移动支撑元件210，该可移动支撑元件210可通过几个(通常为两个)线性致动器在其定向上进行控制，并且，可实现的整体稳定化的系统是非常紧凑的并保持一定程度的低重量。

由于特定的约束系统和一些被动衰减和阻尼元件的插入，可以实现的稳定化控制达到非常令人满意的精度和响应速度性能，这使得自动控制功能的设计变得简单得多，利用该自动控制功能控制线性致动器，线性致动器精确地说是控制元件。

换句话说，本发明中所指示的约束系统适合于支持执行控制功能，该控制功能被设计成生成用于线性致动器的控制命令，该约束系统能够实现非常小的容差误差，并且也符合用于涉及纳米卫星平台的光学通信的指向应用所提出的特别严格的要求。

选择衰减和阻尼的被动元件(其特征在于不受主动控制的特定刚性“k”和特定耗散因子“c”)，是出于简易性的考虑，并且，由于这个原因，它可以被认为是针对优选实施例的选择。然而，本发明的原理在于通过控制两个或更多个可伸展腿的长度来操纵移动平台210的定向的概念，除了致动器元件外，这些可伸展腿还包括用于衰减和阻尼的元件，这些用于衰减和阻尼的元件适合于过滤一些机械应力。因此，这种发明原理也可以根据这样的变型来实现，即在引入更大的复杂性的同时，提供用于衰减和阻尼的元件，这些衰减和阻尼的元件也可以是主动的：例如，在其中允许对系数“k”进行控制的元件，或者具有更大复杂性和阶数的机械过滤器，在该机械过滤器中多个系数可以被控制。

因此，利用不同复杂性和阶数的衰减和阻尼元件的所有变型实施例，并且最终甚至不是被动的(在允许对弹性或耗散阻尼的系数中的一个或多个进行某种控制的意义上)，都应当被认为是同一发明的变型。

如上所述，可能被用来实现本发明的可伸展腿的数量是可变的，尽管只具有两个腿的情况被认为是优选的情况(因为它是较简单且更紧凑的)，但是具有三个腿的情况以及具有更多数量的腿的情况也应当被认为是本发明的现实的实施方式。

从功能角度来看，三个可伸展腿的存在提供了具有三个控制参数的机会，并且因此理论上允许控制三个自由度。

清楚的是，指向(和稳定)应用通常仅需要控制两个自由度，通常不需要对光学信号的偏振进行机械控制；然而，在某些情况下，也可能还有理由选择具有三个腿的功能实施方式：例如，三个腿意味着允许以更大的灵活性来管理鲁棒性(robustness)要求的约束系统。对第三自由度的控制也使得能够实现具有更多数量的可能轨迹的运动，可以在这些可能轨迹中选择使得例如腿的伸展、或者伸展速度或功率消耗最小化的轨迹。

如已经提到的那样，本发明中所示的系统可以支持大约十度的幅度的指向：对于许多应用来说，这是一个已经足够的“范围”，但在某些应用情况下，为了满足进一步的潜在应用要求，增大该“范围”(甚至是几度)可能是重要的。

在许多情况下，特别是在必须也支持其它应用的卫星平台中，可能需要指向的幅度大于移动系统200的移动性所允许的指向的幅度，并且当不可能通过整个卫星定向的变化来补偿减小的指向幅度时，有必要通过替代措施来增大指向“范围”的宽度。

显然，通过使用具有更长的腿和更突出的约束元件111的更大体积的稳定系统，指向“范围”的幅度可以增大：然而，最好不要遵循这个路径，不仅因为它增大了总体尺寸(这个结果实质上是它不可避免的)，而且因为它使得系统的模块化变得复杂，并且使其不太可标准化，这是因为取决于所需的指向“范围”应该提供不同的模块。此外，对致动器的选择将更加困难，因为一般来说，操作“范围”的增大意味着响应速度的降低。

那么存在另一种解决方案，根据本发明的教导，该解决方案可以被看作系统的安装变体，并且该解决方案规定该系统不被直接联结在卫星平台100上，或者在任何情况下都不被直接联结在刚性地连接到卫星平台100的元件上，而是规定该系统被联结到中间平台，该中间平台继而可以相对于与卫星平台100成一体的参考系101运动。

图3示出了根据本发明的稳定和指示系统的这种进一步的安装变体。

在该图的上部表示可移动的支撑元件210，如图2所示的示例中那样被稳定化。然而，在图3中，约束元件111与纳米卫星平台100不是一体的，而是约束元件111可以相对于纳米卫星平台100运动，并且然后相对于参考系101运动。在图3中，约束元件111然后采用更加伸展的形式，因为它甚至为可伸展腿提供了耦接点，而在图2的情况下，可伸展腿被联结到纳米卫星平台100。因此，在图3中(与图2不同)，将腿310联结到约束元件111(在此情况下约束元件111成为中间平台)的旋转联接件用编号314指示，并且类似地，编号324表示将另一个可伸展腿联结到相同约束元件111的旋转联接件。

最后，编号110示出了另一个旋转联接件，所述约束元件111通过该旋转联接件连接到卫星平台100(因此，约束元件111不是刚性地连接到卫星平台100)。旋转联接件110可由通用致动器装置控制；然而，对所述联接件110的控制不被认为精确地补偿了纳米卫星平台100的不稳定性，因此约束元件111将继续是不稳定的中间平台，并且同样在图3所示的配置中，可移动支撑元件210将继续需要用于稳定和用于指向的控制，如在图2中所示的情况中发生的那样。

因此，旋转联接件110的主要功能是增大指向幅度。

立即可以理解在图3的配置中被设计为以受控方式稳定化和可调节的可移动支撑元件210的相同机械模块如何能够用在需要更大指向幅度的系统中；并且一切都可以仅通过增加另外的受控联接件来适配。

重要的是指出，实现对所述联接件110的控制的致动器装置不需要具有特定的性能。因此，理论上甚至不需要约束元件111通过旋转约束110或仅通过旋转约束110被联结；事实上，增大角度指向的“范围”的功能可以通过允许约束元件111相对于与卫星平台100成一体的参考系101以两个自由度执行某些旋转运动的任何类型的联结来实现。

刚刚描述的本发明还可以提供许多变体，与先前提到的相比，这些变体可以提供附加的优点。并且本领域技术人员可以在不偏离本发明的情况下开发这些进一步的变体，如通过本说明书和所附权利要求书清楚的那样。

因此，可以改变一些所描述的元件的位置，例如，可以颠倒主动元件和被动元件定位在可伸展腿中的次序。

然后，通过几何类型的优化，例如通过改变可伸展腿的倾斜度，可以提高系统200的定向控制的精度和效率。这些几何优化过程也具有使整个系统更紧凑和更坚固的功能，并且将要达到的解决方案必须全部被认为是本发明中教导的相同发明原理的变体。

另外，每个元件都可以以不同的材料、尺寸或形状来开发；本发明本身也可以部分地实现，并且许多描述的细节可以由技术上等同的元件替换。

最后，所描述的发明有助于并入和支持附加的技术以进一步改进所描述的稳定化平台的性能。具体而言，期望在实现耦接到可伸展腿的被动元件313方面取得显著进展。此外，线性致动器312也容易受到技术进步的影响：更轻、更精确或更快的可控线性致动器可能很快就可用，因此，它们可以用于实现用于稳定化控制的新的且更有效的措施。

特别令人感兴趣的是其中在电机本身的结构中获得耗散和刚度/弹性参数的实施方式。当然，真正的发动机总是包括这些参数，因为不存在绝对不可变形的材料和不受摩擦影响的运动，然而，没有足够成熟的技术来允许发动机的如下设计，即在该设计中，这些参数的确定可以以必要的自由度作为设计变量来适当地设置。然而，在存在允许开发其中这样的刚度系数和耗散系数可控的电机的设计和材料的可用技术的最终情况下，如对于其他性能参数所发生的那样，本发明显然可以通过如下的可伸展腿来实现，在这样的可伸展腿中，所有部件被集成在单个元件中。

将清楚的是，然后可以根据有利于实现本发明的技术的发展，来设想许多改进。这种未在此描述的改进措施可能最终成为与本发明相关联的进一步专利申请的主题。

Claims (7)

1.一种稳定化的指向系统，包括利用至少三个耦接元件联结到不稳定平台的可移动支撑元件(210)，其中所述耦接元件的特征在于：

a.一个耦接元件是仅允许具有两个或三个自由度的旋转的联接件(211)；

b.其他的至少两个耦接元件是可伸展腿，所述可伸展腿的长度能够被致动器元件控制，并且所述可伸展腿中的每一个可伸展腿在其一端处被联结到所述可移动支撑元件(210)并且在另一端部处被联结到所述不稳定平台；

c.所述可伸展腿中的至少一个可伸展腿还包括用于对该可伸展腿的伸展或压缩进行阻尼和衰减的一个或多个元件；

d.所述至少两个可伸展腿与所述可移动支撑元件(210)以及与所述不稳定平台的联结各自是仅允许具有至少两个自由度的旋转的联接件。

2.根据权利要求1所述的稳定化的指向系统，其中所述可伸展腿仅为两个。

3.根据权利要求1所述的稳定化的指向系统，其中至少一个可伸展腿通过允许具有三个自由度的旋转的联接件在该可伸展腿的两端中的至少一端被联结。

4.根据权利要求1所述的稳定化的指向系统，其中至少一个可伸展腿通过允许仅具有两个自由度的旋转的联接件在该可伸展腿的两端被联结，并且呈现其自身的一部分，该部分能够围绕伸展轴相对于该可伸展腿的另一部分自由旋转。

5.根据权利要求1所述的稳定化的指向系统，其中所述用于对所述可伸展腿的伸展或压缩进行阻尼和衰减的一个或多个元件是被动元件，所述被动元件由非可控的硬度系数“k”和同样非可控的耗散系数“c”表征。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的稳定化的指向系统，其中所述可移动支撑元件(210)被联结到的所述不稳定平台是卫星平台(100)。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的稳定化的指向系统，其中所述可移动支撑元件(210)被联结到的所述不稳定平台继而通过允许具有至少两个自由度的旋转运动的联结系统被联结到卫星平台(100)。