CN110884695A - 一种高精度隔振卫星及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度隔振卫星及其控制方法,涉及卫星隔振控制领域。该卫星包括:卫星平台和载荷平台,卫星平台与载荷平台之间通过主动隔振控制装置连接,卫星平台内设置有检验质量、无拖曳控制装置和静电悬浮控制装置;当卫星处于在轨飞行过程中时,主动隔振控制装置用于对卫星平台与载荷平台间的高频振动进行主动隔离;无拖曳控制装置用于控制卫星平台跟随检验质量运动,静电悬浮控制装置用于控制检验质量的运动。本发明提供的高精度隔振卫星,实现了卫星的全频段振动衰减,并且载荷平台具备快速高精度姿态机动能力,满足了载荷对高微重力水平和高精度快速指向的需求。
Description
技术领域
本发明涉及卫星隔振控制领域,尤其涉及一种高精度隔振卫星及其控制方法。
背景技术
目前,随着空间科学研究和空间技术应用的深入发展,对航天技术提出了更高的指标要求,如高微重力水平、高精度、高稳定度、姿态大角度快速跟踪控制等。由于航天器在轨运行受到大气阻力、太阳光压等外部环境扰动作用,同时,因自身载荷动作、柔性部件的颤振、姿轨控发动机工作等都会产生不同程度的扰动,从而破坏航天器的微重力水平和高精度高稳定度的控制性能。
现有的卫星无法实现同时隔离低频扰动和高频扰动,并且载荷平台不具备快速高精度姿态控制的机动能力,导致现有卫星不能满足载荷对高微重力水平和高精度快速指向的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供一种高精度隔振卫星及其控制方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
一种高精度隔振卫星,包括:卫星平台和载荷平台,所述卫星平台与所述载荷平台之间通过主动隔振控制装置连接,所述卫星平台内设置有检验质量、无拖曳控制装置和静电悬浮控制装置;
当所述卫星处于在轨飞行过程中时,所述主动隔振控制装置用于对所述卫星平台与所述载荷平台间的高频振动进行主动隔离;所述无拖曳控制装置用于控制所述卫星平台跟随所述检验质量运动,所述静电悬浮控制装置用于控制所述检验质量的运动。
本发明的有益效果是:本发明提供的高精度隔振卫星,通过在卫星平台和载荷平台之间设置主动隔振控制装置,实现了对高频振动在振动传递的过程中的衰减,并且通过无拖曳控制装置对低频振动进行隔离,实现了卫星的全频段振动衰减,并且载荷平台具备快速高精度姿态机动能力,满足了载荷对高微重力水平和高精度快速指向的需求。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下:
一种高精度隔振卫星的控制方法,卫星包括:卫星平台和载荷平台,所述卫星平台与所述载荷平台之间通过主动隔振控制装置连接,所述卫星平台内设置有检验质量、无拖曳控制装置和静电悬浮控制装置,所述控制方法包括:
当所述卫星处于在轨飞行过程中时,所述主动隔振控制装置对所述卫星平台与所述载荷平台间的高频振动进行主动隔离;所述无拖曳控制装置控制所述卫星平台跟随所述检验质量运动,所述静电悬浮控制装置控制所述检验质量的运动。
本发明提供的高精度隔振卫星控制方法,通过主动隔振控制装置对所述卫星平台与所述载荷平台间的高频振动进行主动隔离,实现了对高频振动在振动传递的过程中的衰减,并且通过无拖曳控制装置对低频振动进行隔离,实现了卫星的全频段振动衰减,并且载荷平台具备快速高精度姿态机动能力,满足了载荷对高微重力水平和高精度快速指向的需求。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明高精度隔振卫星的实施例提供的卫星结构示意图;
图2为本发明高精度隔振卫星的其他实施例提供的电容式传感器结构示意图;
图3为本发明高精度隔振卫星的其他实施例提供的主动隔振控制装置连接关系示意图;
图4为本发明高精度隔振卫星的其他实施例提供的无拖曳控制装置和静电悬浮控制装置的连接关系示意图;
图5为本发明高精度隔振卫星的控制方法的实施例提供的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实施例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
如图1所示,为本发明高精度隔振卫星的实施例提供的卫星结构示意图,该高精度隔振卫星包括:卫星平台1和载荷平台2,卫星平台1与载荷平台2之间通过主动隔振控制装置4连接,卫星平台1内设置有检验质量3、无拖曳控制装置和静电悬浮控制装置5;
当卫星处于在轨飞行过程中时,主动隔振控制装置4用于对卫星平台1与载荷平台2间的高频振动进行主动隔离;无拖曳控制装置用于控制卫星平台1跟随检验质量3运动,静电悬浮控制装置5用于控制检验质量3的运动。
应理解,卫星整体结构通常分为卫星平台1和载荷平台2两部分,卫星平台1上部署有姿轨控所需的传感器和执行机构,以及太阳帆板等活动部件与挠性部件,卫星平台1内部部署的检验质量3作为高精度惯性参考单元。卫星平台1通过脐带线与载荷平台2相连,用于给载荷平台2供电和数据传输。载荷平台2上安装有具有高微重力水平和高精度快速指向需求的敏感载荷,例如光学望远镜、遥感相机等,完成目标追踪、空间实验等任务。
需要说明的是,主动隔振控制装置4可以采用磁悬浮主动隔振控制方案,衰减从卫星平台1传递到载荷平台2的高频振动。无拖曳控制装置能够实现无拖曳控制,无拖曳控制的基本原理是基于内部检验质量3(在纯引力作用下进行自由落体运动)“测量”得到的加速度信息,利用微推进器产生控制力抵消非保守力干扰。这些直接作用在航天器上的扰动称之为直接扰动,无拖曳控制能够实现对直接扰动的低频减振。
其中,检验质量3为高精度引力参考传感器的一部分,在无拖曳卫星内部通常会部署用于空间实验的高精度引力参考传感器,高精度引力参考传感器通常采用电容式传感器,如图2所示,提供了一种示例性的电容式传感器结构示意图,包括:可以自由运动的检验质量3,以及设置在检验质量3周围的电极笼6,电极笼6的各个面都设置有可通电的电极,设置在电极笼6上的电极形状、数量和位置等,可以根据实际需求设置。其中,检验质量3是采用低磁化率的金铂合金制成的标准立方体,在电极笼6内以一定的运动空间约束运动。
因电极笼6通电会与检验质量3产生6个方向的静电力,可以使检验质量3工作时通常悬浮在电极笼6内,在一定的空间约束下运动,通常为X方向4mm、Y方向2.9mm、Z方向3.5mm和转动±2mrad,当检验质量3相对电极笼6发生相对运动时,二者之间的电容值发生变化,可以通过电容值的变化量来检测检验质量3相对电极笼6的相对位移和相对姿态。而电极笼6相对于卫星平台1是固定的,因此,可以通过电容值的变化检测出检验质量3与卫星平台1之间的相对位移和相对姿态。当得知检验质量3与卫星平台1之间的相对位移和相对姿态后,无拖曳控制装置就可以通过执行机构控制卫星平台1跟随检验质量3运动,包括平动和转动。例如,可以通过微推力器实现平动的控制,可以通过动量轮实现转动的控制。
静电悬浮控制装置5可以通过改变施加在电极笼6上各个面上的电极的电压,改变电极笼6对检验质量3各方向的静电力或静电力矩,从而实现对检验质量3的运动的控制。
例如,当卫星平台1转动时,此时检验质量3与卫星平台1是不固定的,无法跟随卫星平台1转动,那么可以通过改变相应电极的电压,从控制检验质量3的静电力矩,使检验质量3随卫星平台1一同转动。
本实施例提供的高精度隔振卫星,通过在卫星平台1和载荷平台2之间设置主动隔振控制装置4,实现了对高频振动在振动传递的过程中的衰减,并且通过无拖曳控制装置对低频振动进行隔离,实现了卫星的全频段振动衰减,并且载荷平台2具备快速高精度姿态机动能力,满足了载荷对高微重力水平和高精度快速指向的需求。
可选地,在一些实施例中,还包括:第一锁紧机构和第二锁紧机构,当卫星处于发射过程中时,卫星平台1与载荷平台2之间通过第一锁紧机构锁紧,卫星平台1与检验质量3之间通过第二锁紧机构锁紧。例如,可采用如爆炸螺栓等进行锁紧。
通过锁紧结构将卫星平台1、载荷平台2和检验质量3锁紧,能够防止卫星平台1、载荷平台2和检验质量3在卫星的发射过程中撞击晃动,防止损坏。
可选地,在一些实施例中,如图3所示,主动隔振控制装置4包括:二维位置传感器组41、第一位移控制器42、第一姿态控制器43和二维电磁作动器组44,其中:
二维位置传感器组41用于测量卫星平台1与载荷平台2之间的第一相对位移和第一相对姿态;
第一位移控制器42用于根据第一相对位移计算需要施加给载荷平台2的第一控制力;
第一姿态控制器43用于根据第一相对姿态计算需要施加给载荷平台2的第一控制力矩;
二维电磁作动器组44用于根据第一控制力对载荷平台2施加相应的电磁力,并根据第一控制力矩对载荷平台2施加相应的电磁力矩。
具体地,假设在卫星的运行过程中,因某种原因,卫星平台1产生了沿运动方向正方向的一个扰动,此时,扰动会通过卫星平台1与载荷平台2之间的连接件传递给载荷平台2,此时卫星平台1与载荷平台2之间产生了微小的位移,二维位置传感器组41检测到相对位移后,通过第一位移控制器42计算出抵消该扰动载荷平台2所需要施加的控制力,然后发送给二维电磁作动器组44,二维电磁作动器组44对载荷平台2施加该控制力,从而抵消了这种扰动。
第一位移控制器42和第一姿态控制器43的计算过程属于现有技术,本发明中其余的位移控制器和姿态控制器的计算过程也属于现有技术,本领域技术人员能够实现,在此不再赘述。
需要说明的是,为了检测卫星平台1与载荷平台2的相对位移和姿态角,需要采用3组二维位置传感器,图3中示出的二维位置传感器仅为其功能表示,并不代表其数量,实际应为3组二维位置传感器共同工作,检测卫星平台1与载荷平台2的相对位移和姿态角。
同样地,图3中示出的二维电磁作动器44实际也为3组,共同工作,对载荷平台2施加相应的电磁力和电磁力矩。
应理解,在主动隔振控制过程中,相对位移参考输入和姿态角参考输入均可设为零值,以避免载荷平台2与卫星平台1发生碰撞。
通过主动隔振控制,一方面可以实现载荷平台2弱跟随卫星平台1,另一方面可以有效隔离从卫星平台1传递给载荷平台2的高频振动扰动。
可选地,在一些实施例中,如图4所示,无拖曳控制装置包括:电容式传感器组51、第二位移控制器52、第二姿态控制器53、微推力器54和动量轮55,其中:
电容式传感器用于测量卫星平台1相对于检验质量3的第二相对位移和第二相对姿态;
第二位移控制器52用于根据第二相对位移计算需要施加给卫星平台1的第二控制力;
第二姿态控制器53用于根据第二相对姿态计算需要施加给卫星平台1的第二控制力矩;
微推力器54用于根据第二控制力对卫星平台1施加相应的推力;
动量轮55用于根据第二控制力矩对卫星平台1施加相应的力矩。
具体地,假设以卫星平台1的运动方向为正方向,检验质量3相左移动了x,那么电容式传感器就会检测到处于检验质量3左边的电容值变大,从而检测到卫星平台1发生了相对检验质量3向右移动了x的相对位移,此时,第二位移控制器52根据相对位移x计算出卫星平台1向左移动x需要的控制力,然后微推力器54根据计算出的控制力给卫星平台1一个向左移动的控制力,使卫星平台1向左移动x,从而实现卫星平台1跟随检验质量3运动,实现卫星平台1的无拖曳控制。
需要说明的是,在检验质量3与卫星平台1之间,可以通过多组电容式传感器测量二者之间的相对位移和姿态,以提高控制精度。
应理解,为实现卫星平台1强跟随检验质量3,相对位移参考输入和姿态角参考输入均可设为零值。
可选地,在一些实施例中,如图4所示,静电悬浮控制装置5包括:姿态测量传感器56、第三姿态控制器57和静电力执行机构58,其中:
姿态测量传感器56用于测量卫星平台1的姿态;
第三姿态控制器57用于根据卫星平台1的姿态计算需要施加给检验质量3的第三控制力矩;
静电力执行机构58用于根据第三控制力矩对检验质量3施加相应的静电力矩。
具体地,假设卫星沿运动方向发生了向左的转动,此时,由于检验质量3是悬浮在电极笼6内的,此时,可以通过姿态测量传感器56检测卫星平台1转动的角度,然后通过第三姿态控制器57计算检验质量3转动该角度时需要施加的静电力矩,然后再通过静电力执行机构58施加相应的静电力矩,从而实现检验质量3与卫星平台1的随动。
应理解,静电力执行机构58可以为加压装置和设置在电极笼6上的电极,加压装置通过分别改变电极笼6上电极的电压,就能够控制不同的电极产生不同的静电力。
可以理解,在一些实施例中,可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。
如图5所示,为本发明高精度隔振卫星的控制方法的实施例提供的流程示意图,该高精度隔振卫星包括:卫星平台和载荷平台,卫星平台与载荷平台之间通过主动隔振控制装置连接,卫星平台内设置有检验质量、无拖曳控制装置和静电悬浮控制装置,控制方法包括:
当卫星处于在轨飞行过程中时:
S1,主动隔振控制装置对卫星平台与载荷平台间的高频振动进行主动隔离;
S2,无拖曳控制装置控制卫星平台跟随检验质量运动,静电悬浮控制装置控制检验质量的运动。
本实施例提供的高精度隔振卫星控制方法,通过主动隔振控制装置对卫星平台与载荷平台间的高频振动进行主动隔离,实现了对高频振动在振动传递的过程中的衰减,并且通过无拖曳控制装置对低频振动进行隔离,实现了卫星的全频段振动衰减,并且载荷平台具备快速高精度姿态机动能力,满足了载荷对高微重力水平和高精度快速指向的需求。
可选地,在一些实施例中,卫星还包括:第一锁紧机构和第二锁紧机构,控制方法还包括:
当卫星处于发射过程中时,通过第一锁紧机构锁紧卫星平台与载荷平台,并通过第二锁紧机构锁紧卫星平台与检验质量。
可选地,在一些实施例中,主动隔振控制装置包括:二维位置传感器组、第一位移控制器、第一姿态控制器和二维电磁作动器组,主动隔振控制装置对卫星平台与载荷平台间的高频振动进行主动隔离,具体包括:
二维位置传感器组测量卫星平台与载荷平台之间的第一相对位移和第一相对姿态;
第一位移控制器根据第一相对位移计算需要施加给载荷平台的第一控制力;
第一姿态控制器根据第一相对姿态计算需要施加给载荷平台的第一控制力矩;
二维电磁作动器组根据第一控制力对载荷平台施加相应的电磁力,并根据第一控制力矩对载荷平台施加相应的电磁力矩。
可选地,在一些实施例中,无拖曳控制装置包括:电容式传感器组、第二位移控制器、第二姿态控制器、微推力器和动量轮,无拖曳控制装置控制卫星平台跟随检验质量运动,具体包括:
电容式传感器测量卫星平台相对于检验质量的第二相对位移和第二相对姿态;
第二位移控制器根据第二相对位移计算需要施加给卫星平台的第二控制力;
第二姿态控制器根据第二相对姿态计算需要施加给卫星平台的第二控制力矩;
微推力器根据第二控制力对卫星平台施加相应的推力;
动量轮根据第二控制力矩对卫星平台施加相应的力矩。
可选地,在一些实施例中,静电悬浮控制装置包括:姿态测量传感器、第三姿态控制器和静电力执行机构,静电悬浮控制装置控制检验质量的运动,具体包括:
姿态测量传感器测量卫星平台的姿态;
第三姿态控制器根据卫星平台的姿态计算需要施加给检验质量的第三控制力矩;
静电力执行机构根据第三控制力矩对检验质量施加相应的静电力矩。
可以理解,在一些实施例中,可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。
需要说明的是,上述各实施例是与在先产品实施例对应的方法实施例,对于方法实施例中各可选实施方式的说明可以参考上述各产品实施例中的对应说明,在此不再赘述。
读者应理解,在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的,例如,步骤的划分,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,例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤,或一些特征可以忽略,或不执行。
以上,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,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改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权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高精度隔振卫星,其特征在于,包括:卫星平台和载荷平台,所述卫星平台与所述载荷平台之间通过主动隔振控制装置连接,所述卫星平台内设置有检验质量、无拖曳控制装置和静电悬浮控制装置;
当所述卫星处于在轨飞行过程中时,所述主动隔振控制装置用于对所述卫星平台与所述载荷平台间的高频振动进行主动隔离;所述无拖曳控制装置用于控制所述卫星平台跟随所述检验质量运动,所述静电悬浮控制装置用于控制所述检验质量的运动。
2.根据权利要求1所述的高精度隔振卫星,其特征在于,还包括:第一锁紧机构和第二锁紧机构,当所述卫星处于发射过程中时,所述卫星平台与所述载荷平台之间通过所述第一锁紧机构锁紧,所述卫星平台与所述检验质量之间通过所述第二锁紧机构锁紧。
3.根据权利要求1所述的高精度隔振卫星,其特征在于,所述主动隔振控制装置包括:二维位置传感器组、第一位移控制器、第一姿态控制器和二维电磁作动器组,其中:
所述二维位置传感器组用于测量所述卫星平台与所述载荷平台之间的第一相对位移和第一相对姿态;
所述第一位移控制器用于根据所述第一相对位移计算需要施加给所述载荷平台的第一控制力;
所述第一姿态控制器用于根据所述第一相对姿态计算需要施加给所述载荷平台的第一控制力矩;
所述二维电磁作动器组用于根据所述第一控制力对所述载荷平台施加相应的电磁力,并根据所述第一控制力矩对所述载荷平台施加相应的电磁力矩。
4.根据权利要求1所述的高精度隔振卫星,其特征在于,所述无拖曳控制装置包括:电容式传感器组、第二位移控制器、第二姿态控制器、微推力器和动量轮,其中:
所述电容式传感器用于测量所述卫星平台相对于所述检验质量的第二相对位移和第二相对姿态;
所述第二位移控制器用于根据所述第二相对位移计算需要施加给所述卫星平台的第二控制力;
所述第二姿态控制器用于根据所述第二相对姿态计算需要施加给所述卫星平台的第二控制力矩;
所述微推力器用于根据所述第二控制力对所述卫星平台施加相应的推力;
所述动量轮用于根据所述第二控制力矩对所述卫星平台施加相应的力矩。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的高精度隔振卫星,其特征在于,所述静电悬浮控制装置包括:姿态测量传感器、第三姿态控制器和静电力执行机构,其中:
所述姿态测量传感器用于测量所述卫星平台的姿态;
所述第三姿态控制器用于根据所述卫星平台的姿态计算需要施加给所述检验质量的第三控制力矩;
所述静电力执行机构用于根据所述第三控制力矩对所述检验质量施加相应的静电力矩。
6.一种高精度隔振卫星的控制方法,其特征在于,卫星包括:卫星平台和载荷平台,所述卫星平台与所述载荷平台之间通过主动隔振控制装置连接,所述卫星平台内设置有检验质量、无拖曳控制装置和静电悬浮控制装置,所述控制方法包括:
当所述卫星处于在轨飞行过程中时,所述主动隔振控制装置对所述卫星平台与所述载荷平台间的高频振动进行主动隔离;所述无拖曳控制装置控制所述卫星平台跟随所述检验质量运动,所述静电悬浮控制装置控制所述检验质量的运动。
7.根据权利要求6所述的高精度隔振卫星的控制方法,其特征在于,所述卫星还包括:第一锁紧机构和第二锁紧机构,所述控制方法还包括:
当所述卫星处于发射过程中时,通过所述第一锁紧机构锁紧所述卫星平台与所述载荷平台,并通过所述第二锁紧机构锁紧所述卫星平台与所述检验质量。
8.根据权利要求6所述的高精度隔振卫星的控制方法,其特征在于,所述主动隔振控制装置包括:二维位置传感器组、第一位移控制器、第一姿态控制器和二维电磁作动器组,所述主动隔振控制装置对所述卫星平台与所述载荷平台间的高频振动进行主动隔离,具体包括:
所述二维位置传感器组测量所述卫星平台与所述载荷平台之间的第一相对位移和第一相对姿态;
所述第一位移控制器根据所述第一相对位移计算需要施加给所述载荷平台的第一控制力;
所述第一姿态控制器根据所述第一相对姿态计算需要施加给所述载荷平台的第一控制力矩;
所述二维电磁作动器组根据所述第一控制力对所述载荷平台施加相应的电磁力,并根据所述第一控制力矩对所述载荷平台施加相应的电磁力矩。
9.根据权利要求6所述的高精度隔振卫星的控制方法,其特征在于,所述无拖曳控制装置包括:电容式传感器组、第二位移控制器、第二姿态控制器、微推力器和动量轮,所述无拖曳控制装置控制所述卫星平台跟随所述检验质量运动,具体包括:
所述电容式传感器测量所述卫星平台相对于所述检验质量的第二相对位移和第二相对姿态;
所述第二位移控制器根据所述第二相对位移计算需要施加给所述卫星平台的第二控制力;
所述第二姿态控制器根据所述第二相对姿态计算需要施加给所述卫星平台的第二控制力矩;
所述微推力器根据所述第二控制力对所述卫星平台施加相应的推力;
所述动量轮根据所述第二控制力矩对所述卫星平台施加相应的力矩。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的高精度隔振卫星的控制方法,其特征在于,所述静电悬浮控制装置包括:姿态测量传感器、第三姿态控制器和静电力执行机构,所述静电悬浮控制装置控制所述检验质量的运动,具体包括:
所述姿态测量传感器测量所述卫星平台的姿态;
所述第三姿态控制器根据所述卫星平台的姿态计算需要施加给所述检验质量的第三控制力矩;
所述静电力执行机构根据所述第三控制力矩对所述检验质量施加相应的静电力矩。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113002803A (zh) * | 2021-03-21 | 2021-06-22 | 西北工业大学 | 多星超长基线复合编队方法 |
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