CN108528764B - 卫星旋转载荷的质心调整装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种卫星旋转载荷的质心调整装置及方法。所述卫星旋转载荷的质心调整装置，包括：调整机构，包括：设置在卫星旋转载荷的导轨；滑块，活动安装在所述导轨上；驱动组件，与所述滑块连接，用于向所述滑块提供在所述导轨上移动，以调节质心的驱动力。

Description

卫星旋转载荷的质心调整装置及方法

技术领域

本发明涉及卫星技术领域，尤其涉及一种卫星旋转载荷的质心调整装置及方法。

背景技术

装载有卫星旋转载荷的卫星在轨运行时，由于卫星旋转载荷安装面的重心与质心不重合时，会大大降低旋转载荷的控制精度，不利于旋转载荷上的部件进行在轨工作，降低卫星任务的质量，甚至影响卫星旋转载荷的工作寿命。

目前，自动调整卫星旋转载荷质心的方法有很多，这些方法都是在地面上通过转台等模拟质心与重心可能的偏差，再通过在卫星上设置配重块等方式来解决质心和重心不重合的问题。这些方式，一方面往往需要水平仪等辅助设备调整复杂；另一方面，由于在地面调整，地面的重力场分布是相对均匀的，质心与重心更加容易调整到重合，但是卫星载荷在空中的轨道运行时，卫星载荷的轨道可能是椭圆等各种原因，卫星载荷所在环境的重力场分布是没有地面均匀的，故不适用于在轨卫星旋转载荷的质心调整。

此外，若在地面通过模拟的方式仿真出质心与重心之间的偏差变化，在卫星上固定设置配重块，一旦完成设置就无法进行调整，若质心与重心之间的偏差不在地面模拟阶段所模拟的范围内，则会依然导致质心与重心之间偏差过大的问题。与此同时，通常为了避免多种情况下的质心和重心不重合的问题，可能需要设置多个配重块，而多个配重块会导致卫星整体质量的增加，从而增加卫星的发射难度并增加卫星的发射成本。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供卫星旋转载荷的质心调整装置及方法，至少部分解决上述问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种卫星旋转载荷的质心调整装置，包括：

调整机构，包括：

设置在卫星旋转载荷的导轨；

滑块，活动安装在所述导轨上；

驱动组件，与所述滑块连接，用于向所述滑块提供在所述导轨上移动，以调节质心的驱动力。

可选地，所述导轨包括：

第一导轨，

第二导轨，垂直于所述第一导轨；

所述滑块包括：

第一滑块，位于所述第一导轨上，

第二滑块，位于所述第二导轨上。

可选地，所述卫星旋转载荷的质心调整装置还包括：

测量系统，用于测量所述卫星旋转载荷与卫星平台之间的相对位置信息；

控制系统，与所述测量系统连接，用于根据所述相对位置信息，确定所述滑块的移动参数，并根据所述移动参数生成控制指令；

所述驱动组件，与所述控制系统连接，用于根据所述控制指令，输出驱动力。

可选地，所述测量系统包括：

角度传感器，用于检测所述卫星旋转载荷相对于所述卫星平台的旋转角度；

距离传感器，用于卫星平台检测所述卫星旋转载荷的相对于所述卫星平台的最远距离。

第二方面，本发明实施例提供一种卫星旋转载荷的质心调整方法，包括：

测量步骤：测量卫星旋转载荷相对于卫星平台的相对位置参数；

确定步骤：根据所述相对位置参数，确定出滑块的移动参数；

生成步骤：根据所述移动参数生成控制信号；

调整步骤：根据所述控制信号控制位于所述滑块的移动，以调整质心。

可选地，所述方法还包括：

测量调整后的质心是否满足预设条件，

若不满足预设条件，返回所述测量步骤。

可选地，所述测量步骤，包括：

检测所述卫星旋转载荷相对于卫星平台的旋转角度；

距离传感器，用于检测所述卫星旋转载荷的相对于所述卫星平台的最远距离。

可选地，所述确定步骤，包括：

确定出所述滑块在第一方向和第二方向的移动速率，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向。

可选地，所述确定出所述滑块在第一方向和第二方向的移动速率，包括：

采用如下函数关系计算出所述滑块的移动速率；

v_x＝Vcosθ

v_y＝Vsinθ，

其中，所述v_x为在所述第一方向上的移动速率；所述v_y在所述第二方向上的移动速率，所述V为质心的移动速率；所述θ为质心的移动角度。

可选地，所述确定步骤包括：

利用如下函数关系计算出所述滑块的位移量；

其中，所述m为所述滑块的质量；所述M及为所述卫星旋转载荷及滑块的质量之和，X_m为质心的在第一方向上移动距离；所述Y_m质心的在第二方向上移动距离；Δx为所述滑块在所述第一方向上的移动距离；Δy为所述在所述第二方向上的移动距离。

本发明实施例提供的卫星旋转载荷的质心调整装置及方法，调整机构包括设置在卫星旋转载荷上的导轨及可活动的滑块，如此，在卫星被发射到空中之后，可以动态的根据卫星当前的质心及重心进行动态调整，而不用在地面进行各种模拟，简化了操作。且避免为了模拟各种质心及重心偏离设置多个质量较大配重块，进而导致卫星的整体质量增加、发射难度及发生成本增加的问题。与此同时，由于卫星达到预定轨道之后，可以根据预定轨道所在位置处的重力场及卫星自身形态的变化，相适配的调整滑块的位置，从而使得质心及重心，如此，即便出现地面模拟阶段未产生过的质心及重心的偏离，也可以在空中进行自动的动态调整，具有调节能力强的特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种卫星旋转载荷的质心调整装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种卫星旋转载荷的质心调整装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种卫星旋转载荷的质心调整方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种移动参数的确定示意图；

图5为本发明实施例提供的一种控制系统中主控板的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种卫星旋转载荷的质心调整方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的一种卫星旋转载荷的质心调整装置的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的测量系统中检测旋转角度的逻辑电路示意图；

图9为本发明实施例提供的测量系统中检测高度差的逻辑电路示意图；

图10为本发明实施例提供的控制系统的逻辑电路示意图；

图11为本发明实施例提供的一种传感器信号、重置信号及卫星旋转载荷的最低方向的比对时序图；

图12为本发明实施例提供的电机速度、卫星旋转载荷的高度变化及终止信号的比对时序示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细阐述。

如图1所示，本实施例提供一种卫星旋转载荷的质心调整装置，包括：

调整机构，包括：

设置在卫星旋转载荷的导轨；

滑块，活动安装在所述导轨上；

驱动组件，与所述滑块连接，用于向所述滑块提供在所述导轨上移动，以调节质心的驱动力。

在本发明实施例中卫星旋转载荷可为搭载在卫星平台上能够旋转的卫星载荷。在本实施例中卫星旋转载荷上设置有导轨，该导轨上设置有可活动的滑块，例如，导轨外围嵌套有可以移动的滑块。例如，所述卫星旋转载荷朝向卫星平台的一面上设置为平面或趋近平面，在卫星旋转载荷这一面上设置所述导轨及安装在导轨上的滑块。

驱动组件可为各种为滑块提供移动的作用力的部件，可包括：驱动电机、液压杆等液压驱动和气缸等气压驱动组件，在本实施例中，所述驱动组件可为驱动电机，例如，步进电机。所述步进电机的个数可与所述滑块的个数相适配，例如，所述滑块为N个，则所述步进电机也为N个。

在本实施例中所述滑块是可以沿着所述导轨移动的；所述滑块可包括：移动状态和固定状态，在所述移动状态下，所述滑块可在所述导轨上移动，在所述固定状态下，所述滑块稳定在所述导轨上，若当前卫星整体上质心和重心重合或者两者之间的间距足够小，则所述滑块当前的位置需要固定下来，则此时所述滑块进入到固定状态。

例如，所述导轨可为外表面设置有第一螺纹的螺旋导轨，所述滑块设置有滑动孔；所述滑动孔内设置有与所述第一螺纹相适配的第二螺纹。在没有驱动组件提供驱动力的情况下，所述第一螺纹和所述第二螺纹稳定咬合，使得所述滑块固定在所述导轨上。若需要移动所述导轨，则需要由驱动组件提供旋转力，而所述旋转力使得所述滑块沿螺旋导轨转动，并沿螺旋导轨移动；从而使得滑块的转动转化为直线运动。若滑块的位置调整了，则整个卫星旋转载荷的质心的位置也可能会发生变化，而所述质心的位置变化之后，可以更好的向卫星当前的重心靠近。

又例如，所述滑块的外表面设置有受控夹，通过调整所述受控夹的力道，使得所述滑块的内孔的变小，若内孔与所述导轨的外径之间的差大于预设值，则所述滑块可以滑动处于移动状态，否则处于固定状态。在本实施例中，所述受控夹可为电磁夹，可以通过通电状态的切换或通电的电信号的大小控制受控夹的张开和夹紧，若受控夹夹紧则滑块的内孔的孔径减小，若受控夹张开，则滑块的内径的孔径增大。

总之，滑块和导轨的具体结构有多种，具体实现时不局限于上述任意一种。

例如，在一些实施例中，所述卫星上还设置有重心传感器，用于检测所述重心的位置，在本实施例中通过所述调整机构的调整卫星的质心，通过质心的逐步调整，使得质心和重心重合或者间距范围在预设距离之内。

由于本发明实施例中滑块是可以在卫星旋转载荷上移动的，从而即便卫星发射到了空中也可以动态调整其质心的位置，使得质心和重心尽可能的重合，从而无需在地面完成各种质心和重心偏移的模拟，从而简化了卫星在研发阶段的难度，也不用设置多个配重块，仅可以利用一个或多个质量较小的滑块进行取代就可以完成各种质心和重心不重合情况下的动态调整。

例如，在一些场景中卫星旋转载荷上可能设置有太阳能帆板等可伸缩部件，若这些部件一伸缩就可能会改变卫星整体的质心。再例如，由于卫星轨道不同位置处的重力场的不同，或者，卫星旋转载荷所在位置处的重力场的改变，都是导致卫星旋转载荷的质心和重心之间的偏离，而这些场景是在地面上可能无法模拟的，故在本实施例中，由于通过导轨设置可活动的滑块，可以由卫星在空中根据当前重心和质心之间的偏移进行动态的调整。

在一些实施例中，如图1所示，所述导轨包括：

第一导轨，

第二导轨，垂直于所述第一导轨；

所述滑块包括：

第一滑块，位于所述第一导轨上，

第二滑块，位于所述第二导轨上。

在本实施例中，设置有两条导轨，这两条导轨相互垂直，且每一条导轨上设置有两个滑块，这两个滑块可以再各自的导轨上进行滑动，如此，滑块可以通过移动，在一个平面内的各个方向上进行调整，从而使得质心与重心的重合。

在还有一些实施例中，所述导轨可为单一导轨，该导轨可为圆弧导轨，该圆弧导轨可至少180度，优选地为360度。圆弧导轨为180度，则可以实现在整个平面内的质心的调整，若为360度，若需要使得滑块去到某一个位置就有两条途径，例如，相对于卫星的中心点顺时针转为第一方向，则相对于卫星的中心点逆时针转为第二方向，第一方向和第二方向相反，第一方向和第二方向对应的两个方向道道目标位置的长度不同，则调整速率不同，若选用360度的可以选择最短路径进行调整，从而实现快速调整。

在一些实施例中，所述圆弧导轨可为多圈，如此，不仅可以调整滑块相对于卫星上预定位置的角度，还可以调整与该预定位置的距离，从而可实现质心更加精确的调整。

可选地，如图2所示，所述卫星旋转载荷的质心调整装置还包括：

测量系统，用于测量所述卫星旋转载荷与所述卫星平台之间的相对位置信息；

控制系统，与所述测量系统连接，用于根据所述相对位置信息，确定所述滑块的移动参数，并根据所述移动参数生成控制指令；

所述驱动组件，与所述控制系统连接，用于根据所述控制指令，输出驱动力。

在本实施例中，所述测量系统可包括各种卫星旋转载荷相对于卫星平台之间的相对位置信息，通过测量可以知道当前卫星旋转载荷的质心。在一些实施例中，所述测量系统还可以用于测量所述卫星旋转载荷的当前的重心，判断质心和重心的之间是否重合或者两者间距是否足够小，若否，则控制系统会根据所述相对位置信息进行滑块的移动参数的确定，并生成对应的控制指令。

在本实施例中，所述移动参数可包括：移动方向、移动距离、移动速度、移动速率等各种参数。通过滑块的一次或多次的移动，调整卫星的质心和重心，使得两者重合或者趋于重合。

可选地，所述测量系统包括：

角度传感器，用于检测所述卫星旋转载荷相对于所述卫星平台的旋转角度；

距离传感器，用于检测所述卫星旋转载荷的相对于所述卫星平台的最远距离。

所述角度传感器可为安装在卫星旋转载荷或卫星平台上的光栅等，光栅通过光线的穿透和遮挡，可以实现所述卫星旋转载荷相对于所述卫星平台的旋转角度测量。

在还有一些实施例中，所述测量系统还包括：距离传感器，可以检测出所述卫星平台上相对于卫星平台的最远距离。

例如，所述角度传感器及所述距离传感器都可以设置在上，测量所述卫星旋转载荷相对于卫星平台的旋转角度和最远距离，从而得到所述相对位置信息。

在本实施例中所述距离传感器可为各种类型的距离传感器，例如，可包括：发射无线信号，接收无线信号的反射信号，然后计算距离的距离传感器，所述距离传感器可包括：红外距离感应器、微波测距仪或激光位移传感器，在本实施例中，所述距离传感器优先高精度的激光位移传感器。

所述控制系统可包括一台或多台计算器，可以根据所述相对位置信息计算出滑块的移动参数，并基于移动参数生成可以控制驱动组件的控制信号。例如，所述控制信息包括用于计算的个人电脑(PC)及生成所述控制信号的单片机；所述PC与所述单片机可以基于各种总线连接，在PC完成移动参数的计算之后，单片机基于所述移动参数自动生成控制信号。再由单片机将所述控制信号传输给所述驱动组件。所述控制信号可为数字信号，能够被所述驱动组件所识别。

如图3所示，本实施例提供一种卫星载荷的质心调整方法，包括：

测量步骤：测量卫星旋转载荷相对于卫星平台的相对位置参数；

确定步骤：根据所述相对位置参数，确定出滑块的移动参数；

生成步骤：根据所述移动参数生成控制信号；

调整步骤：根据所述控制信号控制位于所述滑块的移动，以调整质心。此处调整的质心为卫星旋转载荷的质心。

在本实施例中会利用前述的测量系统进行卫星旋转载荷相对于卫星平台之间的相对位置参数的测量，具体如，发现当前检测到卫星旋转载荷的质心和重心不重合或者导致质心和重心之间出现偏差的出发事件时，测量系统将进行上述相对位置参数的测量。例如，若卫星旋转载荷当前接收到收拢或打开太阳能帆板，则可认为检测到触发事件。在还有一些实施例中卫星自身携带有燃料，若侦测到燃料已经消耗到会导致质心和重心之间偏差的分量时，可认为检测到该触发事件。

在确定步骤中，控制系统会根据相对位置参数确定出滑块的移动参数，该移动参数可为移动方向、移动距离、移动速率等。在一些实施例中，所述移动参数可为滑块单次移动的移动距离或移动方向等单次移动参数，在完成一次移动之后，检测质心和重心之间是否重合或者两者之间的偏差是否足够小，若不够小则继续移动，否则停止移动滑块；如此返回操作，直到质心和重心重合或者两者之间的间距很小。

所述方法还包括：测量调整后的质心是否满足预设条件，若不满足预设条件，返回所述测量步骤。

卫星平台可选地，所述测量步骤，包括：

检测所述卫星旋转载荷相对于所述卫星平台的旋转角度；

距离传感器，用于检测所述卫星旋转载荷的相对于所述卫星平台的最远距离。

例如，可以利用各种角度传感器测量所述旋转角度，在本实施例中可以利用光栅测量所述角度。再例如，利用激光位移传感器测量卫星旋转载荷相对于卫星平台的距离，例如，所述最远距离。

可选地，所述确定步骤，包括：

确定出所述滑块在第一方向和第二方向的移动速率，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向。例如，所述确定出所述滑块在第一方向和第二方向的移动速率，包括：采用如下函数关系计算出所述滑块的移动速率；v_x＝V cosθ

v_y＝V sinθ，

其中，所述v_x为在所述第一方向上的移动速率；所述v_y在所述第二方向上的移动速率，所述V为质心的移动速率；所述θ为质心的移动角度。

在本实施例中，所述θ可为所述卫星旋转载荷上距离所述卫星平台最远的点与滑块所在坐标系的原点之间的角度，例如，如图4所示。在图中显示有导轨的长度l，滑块的移动空间限制在导轨内，故滑块的移动范围按照当前坐标系满足以下函数关系：

及

可选地，所述确定步骤包括：利用如下函数关系计算出所述滑块的位移量；

其中，所述m为所述滑块的质量；所述M为所述卫星旋转载荷和所述滑块的整体质量，X_m为质心的在第一方向上移动距离；所述Y_m质心的在第二方向上移动距离；Δx为所述滑块在所述第一方向上的移动距离；Δy为所述在所述第二方向上的移动距离。

在一些实施例中，控制系统中可建立有质心位移量预测子系统，通过质心位移量预测子系统可以根据当前质心与重心之间的偏差，预测出质心与重心需要重合所需的预测位移量，基于所述预测位移量进行第一次调整，快速的确定出滑块在第一方向和第二方向的位移量，并进行第一次粗略调整；若完成第一次调整之后进行第二次精细调整。通常情况下，第一次粗略调整滑块的位移量大，第二次精细调整的位移量小。反复进行第一次粗略调整及第二次精细调整，直到质心和重心。这种方式可以是基于预测的逐步减少位移量的多次调整。

在还有一些实施例中，可以每次调整预设量，调整之后判断是否重合，若不重合根据本次调整前后质心和重心之间的间距，确定出位移方向及位移量的变化方向，并进行下一次调整，经过多次调整及测量实现质心和重心的重合。

以下结合上述任意实施例提供几个具体示例：

示例1：

本示例提供一种自动调整卫星的质心装置主要包括调整机构、控制系统和测量系统三部分。

自动调整机构包括步进电机、导轨及滑块。

控制系统包括单片机与步进电机驱动器。

测量系统包括测量角度信息的光栅和测量距离信息的激光位移传感器。

自动调整机构是实现质心调节，实现质心与重心重合的关键结构。自动调整质心装置的精度直接决定平台调节动不平衡的精度，以及残余不平衡力矩的大小。

所述自动调整机构可博阿凯：两个导轨垂直安装在卫星旋转载荷上，其上分别装有滑块，如图1及图4所示。定义坐标系xOy，坐标原点O位于卫星旋转载荷圆心(旋转中心)，坐标x轴、y轴分别与两导轨平行。

自动调整质心装置进行调平的基本流程可包括：

主控计算机xPC可为控制系统的组成部分，依据测量系统的测量信息计算调整机构的控制指令，通过控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线将指令下发至单片机；

单片机通过数字端口向步进电机驱动板提供脉冲信号；

步进电机驱动板向步进电机各相输出电流，驱动步进电机的转动；

步进电机带动导轨上滑块的运动，从而实现对卫星旋转载荷的质心的调节。

导轨滑块的运动可以产生调节卫星旋转载荷质心位置的效果。设导轨上的滑块质量为m，卫星旋转载荷整体质量为M，导轨行程为l。那么，自动调整质心装置对卫星旋转载荷质心的影响可简化为

Δx和Δy分别为质量块在其直线运动机构上的位移量，且

导轨上滑块质量的大小对调平精度有很大的影响，影响主要体现在对卫星旋转载荷质心的最大调节量和质心调节的最小分辨率两方面。

初步预估卫星旋转载荷整体质量M＝100kg，若选取导轨滑块质量为m＝1kg，导轨行程为l＝400mm，根据式(0.1)，则在x和y两个方向上，自动调整质心装置对卫星旋转载荷质心的影响范围均为±2mm。

取电机的步进角θ＝1.8°，步进电机驱动器n＝16细分，导轨导程l₀＝6mm，那么，导轨滑块移动的最小分辨率为：

同理

根据式(0.1)，在x和y两个方向上，质心调节的最小分辨率均为±1.875×10^-5mm。

在本示例中最小分辨率可理解为：质心调节的最小值。

所述调整机构中选择的步进电机，可为信浓公司的SST43D3142型步进电机，例如，所述步进电机的步进角可为预设角度，例如可为1.8°，电压2.3V，相电流2A，相电阻1.8Ω，相电感4mH，保持力矩546mN·m。

导轨可选用直线(LM)导轨。导轨外侧轨道的断面为高刚性的U字形，两侧面的LM导轨部与中央的滚珠丝杠部合成一体的内侧滑块，以最小的空间，实现高刚性、高精度的智能组合单元功能。导轨的基本参数为：滚珠丝杠导程可为6mm，滑块行程可为400mm，滑块可为A型(带一个长型螺母滑块)，精度普通级，反复定位精度±0.01mm，有效行程0.02mm，启动扭矩7N·cm。

所述控制系统可包括各种类型的控制器、微处理器、数字信号处理器等，例如，控制系统的主控板为核心，并配以多种接口，能够实现多种功能。例如，所述主控板包括预定个数的数字输入输出(I/O)引脚，并集成有对应的控制器及寄存器等。例如，所述主控板可为C8051F040，C8051F040上资源丰富，具有64个数字输入输出(I/O)引脚，片内集成了一个CAN2.0B控制器。自动调平机构中单片机选用C8051F040TBC单片机，开发工具支持如下调试及仿真性能：(1)运行，停止，单步和连续单步；(2)设置硬件断点；(3)查看/修改存储器和寄存器。

步进电机驱动器可选用低压关断、过热停车及过流保护电路的步进电机，从而可以进行安全控制保护。可选地，所述步进电机支持的电流可分为支持整步、半步、1/8步、1/16步或1/32步等，如此，步进电机的旋转步幅可以细分到半步、1/16步等，从而实现滑块所在位置更加高精度的控制。例如，所述步进电机驱动可采用云辉TB6560 3A步进电机驱动器。此款步进电机驱动器采用东芝TB6560AHQ芯片，内有低压关断、过热停车及过流保护电路，电流细分支持整步、半步、1/8步、1/16步，最大支持16细分，适用于电流3A以内的两相四线步进电机。步进电机驱动器采用直流24V电源供电，额定最大输出为±3A。

步进电机驱动器的参数设置通过其上的开关SW1～SW3、S1～S6的开合实现。需要设置的参数主要有：工作电流设置为2A，静止时半流设置为20％，细分设置为16细分，衰减设置为0％。根据附录中步进电机驱动器的参数设置方法，各开关的开合情况如表1所示。

表1

在表1中开关状态为“1”则表示对应开关标识所指向的开关闭合，开关状态为“0”则表示对应开关标识所指向的开关断开。若TB6560AHQ，则可以将其开关参数设置如表1所示，如此可以很好的控制步进电机的工作。

步进电机驱动器有两组共12个接线端，分别与单片机和步进电机相连，各接线端的含义如表2所示。

表2步进电机驱动器接线端定义

步进电机驱动器与单片机的连接采用共阴极接法。如图5所示，驱动器上EN-、CW-和CLK-端均与单片机的GND端相连，EN+、CW+和CLK+端分别对应单片机的使能电平输出、方向电平输出和时钟脉冲输出，各信号均为高电平时有效。

步进电机输出端与步进电机相连。如图5所示，步进电机驱动器的A、B相输出分别接步进电机的A、B相，电源正负端接24V直流电源。

以下介绍测量系统：

卫星旋转载荷转角的测量可采用非接触式测量装置，例如，光栅侧测量装置等，所述测量系统包括的测量装置可使用RENISHAW公司配有RESM圆光栅的SiGNUM系列增量式光栅系统。SiGNUM是雷尼绍的高精度、非接触式20μm栅距光栅系统，由一个Sr读数头和Si接口组成，防护等级为IP64，具有优异的防水、防油污和防灰尘能力，速度可达12.5m/s，分辨率达5nm。RESM为一体式不锈钢圆光栅，其柱面上直接刻有栅距为20μm的刻线，并具有IN-TRAC光学参考零位。选用的圆光栅的标称外径为200mm，圆环内径为180mm，外环刻线数为31488。

为了测量转动过程中卫星旋转载荷到某一基准测量面的距离变化，采用PowerRuler新一代的基于激光三角测量原理的高精度位移测量传感器PL-IG09，此型号传感器具有高达20kHz的采样频率、±0.05％的线性度和0.5μm的重复性精度。

卫星旋转载荷在转动过程中，光栅实时返回卫星旋转载荷的角度信息，激光位移传感器实时返回卫星旋转载荷下底面与卫星平台所在的卫星平台之间的距离信息。

当卫星旋转载荷旋转一周时，通过角度信息与距离信息，可以找到卫星旋转载荷的最高点所对应的方向，该位置距离激光位移传感器所在的卫星平台最远，最高点方向与调整机构坐标系x轴的夹角为θ。

如图4所示，在得到最高点方向θ后，驱动两导轨滑块移动，使其质心沿最高点方向移动。若设质心的移动速度为V，那么x轴滑块的移动速度应为Vcosθ，y轴滑块的移动速度应为Vsinθ。

整个调平过程的流程框图如图6所示，包括：

滑块的移动角度确定；

根据滑块的移动角度进行滑块的移动速度计算；

通过CAN总线等向单片机发送指令；

单片机基于发送指令生成脉冲信号，并传输给步进电机驱动板；

部件电机驱动板基于脉冲信号确定电机步进数；

步进电机转动对应的步进数，从而导致滑块移动，并进而导致卫星旋转载荷的质心发生变化。

测量质心和重心的高度差，该高度差可为卫星旋转载荷各处相对于卫星平台的高度差。

判断高度差是否小于预设值，若是结束本流程，若否重新执行上述流程。

自动调整质心装置程序采用Simulink编写，如图7所示。

信号laser为解码后的激光位移传感器数据，信号encoder为解码后的光栅角度数据，resetsig为复位脉冲信号，用于清空最高点角度与卫星旋转载荷高度差信息，其周期通常与卫星旋转载荷的旋转周期一致。

将位移数据与角度数据输入findangle模块(见图8)，通过该模块最终获得卫星旋转载荷最高点对应的光栅角度。“dangle”为光栅零点方向与调整机构坐标系x轴的夹角，该角度大小与卫星旋转载荷的安装位置有关。光栅角度与“dangle”相加得到质量块的目标方向角度θ。如前所述，则x轴、y轴滑块的速度分别为vcosθ、vsinθ。此外，将位移数据输入到finddistance模块(见图9)，可以获得卫星旋转载荷最高点与最低点的高度差。图9所示为finddistance模块的逻辑电路。

resetsig为复位信号，当其出现上升沿时，findangle与finddiatance模块信息将重置，同时其后的延时模块与触发子系统将持续输出上一周期内的最高点角度与卫星旋转载荷高度差。

当某一周期内的卫星旋转载荷高度差小于某一给定值(如0.1)时，调平结束信号(endsignal)将变为1，调整机构应停止工作；另外，由于卫星旋转载荷旋转的第一周期内没有可用的最高点角度信息，因此第一周期内调整机构也不应工作。综上来看，所得滑块速度信息有效需要同时满足以下两个条件：

endsignal＝0

distance>0(当且仅当旋转的第一周期distance＝0)

卫星旋转载荷调整机构有自动与手动两种模式，通过AutoType的值进行控制。AutoType＝1时为自动模式，将通过之前所述的自动调平计算程序自动计算滑块移动速度；AutoType＝2时为手动模式，手动给定两个方向的滑块移动速度。

在给出两个方向滑块移动速度后，通过CAN总线向单片机发送速度指令，如图10所示。步进电机控制单片机接收信息后，按解码得到两个方向电机的速度，通过步进电机驱动器驱动步进电机的转动。

为验证自动调平程序中速度计算部分的正确性，对程序中除速度指令发送部分外的部分进行数学仿真。在仿真中可以利用图11所示的信号进行仿真，光栅信号为周期为36s、值从-180到180的锯齿波，重置信号为周期为36s的方波信号，激光位移传感器信号laser为：

该信号接近实际卫星旋转载荷转动时激光位移传感器的输出，其中包含了由卫星旋转载荷转动项

以及各种干扰的模拟项

运行仿真，仿真时间为400s，仿真结果如图12所示。可以看到，每次重置信号后，最低点方向与卫星旋转载荷的最高点之间的高度差将更新。由于干扰模拟项

的存在，最低点方向将有所变化。同时，随着最低点方向的更新，两个方向电机速度也将更新；随着卫星旋转载荷高度差的更新，当其小于0.1时，发出终止信号，两个方向电机速度归零。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种卫星旋转载荷的质心调整装置，其特征在于，包括：

调整机构，包括：

设置在卫星旋转载荷的导轨；其中，所述导轨为圆弧导轨；

滑块，活动安装在所述导轨上；其中，所述滑块的外表面设置有受控夹，所述受控夹用于控制所述滑块的内孔的大小；

驱动组件，与所述滑块连接，用于向所述滑块提供在所述导轨上移动，以调节质心的驱动力；其中，所述驱动组件为步进电机，所述步进电机的个数与所述滑块的个数适配。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

测量系统，用于测量所述卫星旋转载荷与卫星平台之间的相对位置信息；

控制系统，与所述测量系统连接，用于根据所述相对位置信息，确定所述滑块的移动参数，并根据所述移动参数生成控制指令；

所述驱动组件，与所述控制系统连接，用于根据所述控制指令，输出驱动力。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述测量系统包括：

角度传感器，用于检测所述卫星旋转载荷相对于所述卫星平台的旋转角度；

距离传感器，用于检测所述卫星旋转载荷的相对于所述卫星平台的最远距离。

4.一种卫星旋转载荷的质心调整方法，其特征在于，包括：

测量步骤：测量卫星旋转载荷相对于卫星平台的相对位置参数；

确定步骤：根据所述相对位置参数，确定出滑块的移动参数；其中，所述滑块在圆弧导轨上移动；

生成步骤：根据所述移动参数生成控制信号；

调整步骤：根据所述控制信号控制位于所述滑块的移动，以调整质心；其中，所述滑块的外表面设置有受控夹，所述受控夹用于控制所述滑块的内孔的大小；驱动所述滑块在所述圆弧导轨上移动的驱动组件为步进电机，所述步进电机的个数与所述滑块的个数适配。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

测量调整后的质心是否满足预设条件，

若不满足预设条件，返回所述测量步骤。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，

所述测量步骤，包括：

检测所述卫星旋转载荷相对于卫星平台的旋转角度；

距离传感器，用于检测所述卫星旋转载荷的相对于卫星平台的最远距离。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述确定出所述滑块在第一方向和第二方向的移动速率，包括：

采用如下函数关系计算出所述滑块的移动速率；

v_x＝Vcosθ

v_y＝Vsinθ，

其中，所述v_x为在所述第一方向上的移动速率；所述v_y在所述第二方向上的移动速率，所述V为质心的移动速率；所述θ为质心的移动角度。

8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，

所述确定步骤包括：

利用如下函数关系计算出所述滑块的位移量；

其中，所述m为所述滑块的质量；所述M为所述卫星旋转载荷及滑块的质量之和，X_m为质心的在第一方向上移动距离；所述Y_m质心的在第二方向上移动距离；Δx为所述滑块在所述第一方向上的移动距离；Δy为所述在所述第二方向上的移动距离。

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