CN110595687A - 一种立方星二维质心调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立方星二维质心调节方法，包括步骤一：通过水平调整机构，将水平台面上表面调整至水平；步骤二：建立卫星本体坐标系和三轴加速度计本体坐标系；步骤三：将三轴加速度计测量模块放置水平台面上，对三轴加速度计进行标定；步骤四：将三轴加速度计测量模块悬挂起来，调节测量模块的质心至形心位置；步骤五：将三轴加速度计测量模块安装在立方体卫星的顶部；步骤六：通过悬吊机构将立方体卫星悬挂起来，在卫星稳定的前提下，读取三轴加速度计测量模块的测量值，判断质心偏移方向以及偏移位置大小；步骤七：通过质心调节模块将立方体卫星的质心调至几何纵轴线位置。本发明质心调节方法精度高、实用性和便捷性较好。

Description

一种立方星二维质心调节方法
技术领域
本发明涉及立方星技术领域,具体涉及一种立方星二维质心调节方法。
背景技术
随着信息技术与微型化技术的快速发展，立方体卫星在空间科学领域呈现突飞猛进发展的新态势，由于其拥有传统大卫星无法比拟的低成本、批量化、一箭多星快速发射、快速组网运行等优势，在军事领域和商业领域的应用前景已受到各国高度关注，被视为航天领域技术与经济发展的制高点。“集群化”、“分布式”应用要求微纳卫星具备较强的轨道机动能力。固体火箭推力器应用于立方体卫星拥有诸多优点，通常依据推力器纵轴与卫星几何纵轴重合的方法进行装配。卫星系统质心偏差会导致实际惯性主轴与几何纵轴间存在偏差，这是造成固体火箭推力器推力偏心的因素之一，推力偏心力矩会导致卫星姿态翻转，从而使得快速轨道机动任务失败。现有质心调节方法有倾斜平台法、多点支撑法等，这些方法大多是从理论分析的角度论证方法的可行性，所需质心调节装置复杂、加工精度要求较高，且测试标校过程繁琐。例如专利CN109540384A提出的一种基于力矩平衡原理的二维质心测量装置及方法，需针对被测对象加工相应的工装，质心调节结构庞大且操作复杂，标校过程需要质心标准件来对质心测量系统进行核查。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精确、实用和便捷的立方星二维质心调节方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种立方星二维质心调节方法，包括以下步骤：
步骤一：设置一水平台面，通过水平调整机构，将所述水平台面上表面调整至水平；
步骤二：建立立方星本体坐标系，建立三轴加速度计本体坐标系，所述三轴加速度计本体坐标系坐标轴按照与立方星本体坐标系的坐标轴相互平行，所述立方星本体坐标系以立方星的形心为坐标原点，将立方星飞行的正向和反向分别设为+X、-X，将立方星的对天、对地方向分别设为+Z、-Z轴，根据右手螺旋定理确定立方星的Y轴；
步骤三：将三轴加速度计测量模块放置于所述水平台面上，所述三轴加速度计测量模块包括四个对称布置的所述三轴加速度计，对四个三轴加速度计进行标定；
步骤四：通过悬吊机构将三轴加速度计测量模块悬挂起来，调节三轴加速度计测量模块的质心至形心位置，具体为：在三轴加速度计测量模块稳定的条件下，读取三轴加速度计测量模块的测量值，判断质心偏移方向，
设三轴加速度计的测量值为M＝[mx my mz]，若mx＜9.8，my＜0，则三轴加速度计测量模块质心偏向-y；若mx＜9.8，my＞0，则三轴加速度计测量模块质心偏向+y，调节y轴方向两个三轴加速度计的安装位置至|my|＜0.001，可保证三轴加速度计测量模块的质心在y轴方向与形心位置误差|δy|＜0.01mm；
同理可以调节z轴方向另外两个三轴加速度计的安装位置直至|mz|＜0.001以及三轴加速度计测量模块的质心在z轴方向与形心位置误差|δz|＜0.01mm；
步骤五：将三轴加速度计测量模块安装在立方星的顶部；
步骤六：通过悬吊机构将立方星悬挂起来，在立方星稳定的条件下，读取三轴加速度计测量模块的测量值，判断质心偏移方向以及粗略偏移量，具体包括：
设三轴加速度计的测量值为M＝[mx my mz]，若mx＜9.8，my＜0，则立方星质心偏向-y，若mx＜9.8，my＞0，则立方星质心偏向+y；若mx＜9.8，mz＜0，则立方星质心偏向-z，若mx＜9.8，mz＞0，则立方星质心偏向+z，
由三轴加速度计的测量值可以计算加速度计测量矢量与卫星本体坐标系三轴的夹角分别为其中以此计算出质心在y轴、z轴方向的粗略位置偏移量 其中l为立方星的高度；
步骤七：通过质心调节模块将立方星的质心调至几何纵轴线位置，具体为：分别移动质心调节模块上y轴、z轴方向上的粗调质量块的位移 其中M星为立方星的质量，m粗为粗调质量块的质量；
步骤八：重复步骤六和步骤七直至四个三轴加速度计的测量值M满足M＝[9.8±0.001 ±0.001 ±0.001]。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：
(1)本发明立方星二维质心调节方法对立方星二维质心测量进行了创新，提出了利用三轴加速度计测量模块实现对立方星二维质心的测量，三轴加速度计测量模块由四个三轴加速度计组成，结构简单，使用方便，只需对四个三轴加速度计进行静态标定即可使用；
(2)本发明可通过加速度计安装位置调整保证自身质心与形心重合，避免了质心测量装置对立方星质心测量的影响，通过将其安装至立方星顶部进行测量，适用于所有按立方星国际标准设计的立方星。
附图说明
图1为本发明立方星二维质心调节方法的坐标系图。
图2为三轴加速度计测量模块的安装示意图。
图3为本发明立方星二维质心调节方法的调节系统示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
一种立方星二维质心调节方法，包括以下步骤：
步骤一：设置一水平台面，通过水平调整机构，将所述水平台面上表面调整至水平；
步骤二：结合图1，建立立方星1本体坐标系，建立三轴加速度计本体坐标系，所述三轴加速度计本体坐标系坐标轴按照与立方星本体坐标系的坐标轴相互平行，所述立方星本体坐标系以立方,1的形心为坐标原点，将立方星飞行的正向和反向分别设为+X、-X，将立方星的对天、对地方向分别设为+Z、-Z轴，根据右手螺旋定理确定立方星的Y轴；
步骤三：将三轴加速度计测量模块2放置于所述水平台面上，所述三轴加速度计测量模块2包括四个对称布置的所述三轴加速度计，四个对称布置的三轴加速度计均按D1＝[9.8 0 0]、D2＝[0 9.8 0]、D3＝[0 0 9.8]三个位置放置于所述水平台面上，对四个三轴加速度计进行标定，读取三个不同方位时的四个三轴加速度计的读数，利用最小二乘法求得坐标转换矩阵，消除加速度计的固有误差以及安装误差；
步骤四：通过悬吊机构将三轴加速度计测量模块悬挂起来，调节三轴加速度计测量模块的质心至形心位置，具体为：在三轴加速度计测量模块稳定的条件下，读取三轴加速度计测量模块的测量值，判断质心偏移方向，
设三轴加速度计的测量值为M＝[mx my mz]，若mx＜9.8，my＜0，则三轴加速度计测量模块质心偏向-y；若mx＜9.8，my＞0，则三轴加速度计测量模块质心偏向+y，调节y轴方向两个三轴加速度计的安装位置至|my|＜0.001，可保证三轴加速度计测量模块的质心在y轴方向与形心位置误差|δy|＜0.01mm；
同理可以调节z轴方向另外两个三轴加速度计的安装位置直至|mz|＜0.001以及三轴加速度计测量模块的质心在z轴方向与形心位置误差|δz|＜0.01mm；
步骤五：将三轴加速度计测量模块安装在立方星的顶部如图2所示；
步骤六：通过悬吊机构将立方星悬挂起来形成质心调节系统如图3所示，在立方星稳定的条件下，读取三轴加速度计测量模块的测量值，判断质心偏移方向以及粗略偏移量，具体包括：
设三轴加速度计的测量值为M＝[mx my mz]，若mx＜9.8，my＜0，则立方星质心偏向-y；若mx＜9.8，my＞0，则立方星质心偏向+y；若mx＜9.8，mz＜0，则立方星质心偏向-z；若mx＜9.8，mz＞0，则立方星质心偏向+z，
由三轴加速度计的测量值可以计算加速度计测量矢量与卫星本体坐标系三轴的夹角分别为其中以此计算出质心在y轴、z轴方向的粗略位置偏移量 其中l为立方星的高度；
步骤七：通过质心调节模块将立方星的质心调至几何纵轴线位置，具体为：分别移动质心调节模块上y轴、z轴方向上的粗调质量块的位移 其中M星为立方星的质量，m粗为粗调质量块的质量；
步骤八：重复步骤六和步骤七直至四个三轴加速度计的测量值M满足M＝[9.8±0.001 ±0.001 ±0.001]。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种立方星二维质心调节方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：设置一水平台面，通过水平调整机构，将所述水平台面上表面调整至水平；
步骤二：建立立方星本体坐标系，建立三轴加速度计本体坐标系，所述三轴加速度计本体坐标系坐标轴按照与立方星本体坐标系的坐标轴相互平行，所述立方星本体坐标系以立方星的形心为坐标原点，将立方星飞行的正向和反向分别设为+X、-X，将立方星的对天、对地方向分别设为+Z、-Z轴，根据右手螺旋定理确定立方星的Y轴；
步骤三：将三轴加速度计测量模块放置于所述水平台面上，所述三轴加速度计测量模块包括四个对称布置的所述三轴加速度计，对四个三轴加速度计进行标定；
步骤四：通过悬吊机构将三轴加速度计测量模块悬挂起来，调节三轴加速度计测量模块的质心至形心位置，具体为：在三轴加速度计测量模块稳定的条件下，读取三轴加速度计测量模块的测量值，判断质心偏移方向，
设三轴加速度计的测量值为M＝[mx my mz]，若mx＜9.8，my＜0，则三轴加速度计测量模块质心偏向-y；若mx＜9.8，my＞0，则三轴加速度计测量模块质心偏向+y，调节y轴方向两个三轴加速度计的安装位置至|my|＜0.001，可保证三轴加速度计测量模块的质心在y轴方向与形心位置误差|δy|＜0.01mm；
同理可以调节z轴方向另外两个三轴加速度计的安装位置直至|mz|＜0.001以及三轴加速度计测量模块的质心在z轴方向与形心位置误差|δz|＜0.01mm；
步骤五：将三轴加速度计测量模块安装在立方星的顶部；
步骤六：通过悬吊机构将立方星悬挂起来，在立方星稳定的条件下，读取三轴加速度计测量模块的测量值，判断质心偏移方向以及粗略偏移量，具体包括：
设三轴加速度计的测量值为M＝[mx my mz]，若mx＜9.8，my＜0，则立方星质心偏向-y，若mx＜9.8，my＞0，则立方星质心偏向+y；若mx＜9.8，mz＜0，则立方星质心偏向-z，若mx＜9.8，mz＞0，则立方星质心偏向+z，
由三轴加速度计的测量值可以计算加速度计测量矢量与卫星本体坐标系三轴的夹角分别为其中以此计算出质心在y轴、z轴方向的粗略位置偏移量 其中l为立方星的高度；
步骤七：通过质心调节模块将立方星的质心调至几何纵轴线位置，具体为：分别移动质心调节模块上y轴、z轴方向上的粗调质量块的位移 其中M星为立方星的质量，m粗为粗调质量块的质量；
步骤八：重复步骤六和步骤七直至四个三轴加速度计的测量值M满足M＝[9.8±0.001±0.001 ±0.001]。
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