CN114427983A - 一种卫星姿态控制和测量平台及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种卫星姿态控制和测量平台及系统，该平台包括：工作台、外壳体、力矩电机、角度传感器、主轴、轴承以及轴承座，其中，工作台作为该平台与被测物的接口部件；主轴的顶面与工作台的底面连接，底面与外壳体的底部内表面连接，且主轴中心轴与外壳体和工作台的中心轴均重合；轴承与工作台的底面连接，轴承座用于支撑主轴旋转的轴承定子；力矩电机用于带动轴承转动，以使得在轴承带动下带动主轴旋转，以及在主轴转动下带动工作台旋转运动；角度传感器用于输出角度信号，以使得根据角度信号控制工作台的旋转角度。本申请解决了现有技术中对于小卫星总装自动化精度检测系统的姿态控制以及测量平台的研究还比较缺乏的技术问题。

Description

一种卫星姿态控制和测量平台及系统

技术领域

本申请涉及航天器技术领域，尤其涉及一种卫星姿态控制和测量平台及系统。

背景技术

小卫星总装精度检测工作主要是检测星上或其部组件上设备的安装角度关系。传统精度检测系统主要由电子经纬仪、高稳定支架、数据采集设备和解算软件组成，检测过程自动化程度很低，仪器的设站、高度调整、互瞄、准直等环节均需要人工完成，不仅检测效率低，并且检测精度受人为因素影响较大。

随着小卫星功能快速发展变化以及星上精测设备数量增加和更短的生产周期要求，技术人员对自动化精度检测工作的需求日益迫切，为了提高检测精度及检测效率，减少人为测量误差影响，对小卫星总装自动化精度检测系统进行了研制，该系统由高精度姿态控制及测量平台、电子经纬仪、高精度自动化升降平台、CCD电子目镜、系统集成控制设备、精测适配器和系统控制及解算软件组成。但是，目前对于小卫星总装自动化精度检测系统的姿态控制以及测量平台的研究还比较缺乏。

发明内容

本申请解决的技术问题是：针对现有技术中对于小卫星总装自动化精度检测系统的姿态控制以及测量平台的研究还比较缺乏。本申请提供了一种卫星姿态控制和测量平台及系统，本申请实施例所提供的方案中，通过工作台、外壳体、力矩电机、角度传感器、主轴、轴承以及轴承座等部件组合，作为小卫星总装自动化精度检测系统中的被测物的承重载体，以在控制子系统运动控制指令的控制下，带动被测物在水平面上进行精密一维旋转运动，以弥补目前对于小卫星总装自动化精度检测系统的姿态控制以及测量平台的研究还比较缺乏的问题。

第一方面，本申请实施例提供的一种卫星姿态控制和测量平台，该平台包括：工作台、外壳体、力矩电机、角度传感器、主轴、轴承以及轴承座，其中，所述工作台设置于所述外壳体顶部，作为该平台与被测物的接口部件；由所述外壳体作为外壁构成内部中空的腔体结构，在所述空腔结构中设置主轴，所述主轴的顶面与所述工作台的底面连接，底面与所述外壳体的底部内表面连接，且所述主轴中心轴与所述外壳体和所述工作台的中心轴均重合；在所述主轴的两侧均设置有所述轴承、轴承座、力矩电机以及角度传感器，其中，所述轴承与所述工作台的底面连接，所述轴承座用于支撑所述主轴旋转的轴承定子；所述力矩电机用于带动所述轴承转动，以使得在所述轴承带动下带动所述主轴旋转，以及在所述主轴转动下带动所述工作台旋转运动；所述角度传感器用于输出角度信号，以使得根据所述角度信号控制所述工作台的旋转角度。

可选地，所述工作台采用3Cr13不锈钢，以使得其所能承载重量不低于2000Kg。

可选地，所述轴承包括成对角接触球轴承和隔套，其中，所述成对角接触球轴承相对设置，所述隔套设置于所述成对角接触球轴承之间，所述成对角接触球轴承之间的缝隙可动态调节。

可选地，所述工作台旋转的角度范围为(0°，360°)。

可选地，所述工作台的转速可调节，其转速调节范围为(0°/s，10°/s)。

可选地，所述工作台旋转角度的测量精度不大于±1″，旋转角度的定位精度不大于±3″。

可选地，所述角度传感器为绝对式圆光栅角度传感器。

可选地，所述外壳体采用球墨铸铁铸造成形。

第二方面，本申请实施例提供的一种卫星姿态控制和测量系统，该系统包括：控制子系统和卫星姿态控制和测量平台，其中，

所述控制子系统与所述卫星姿态控制和测量平台电连接，用于向所述卫星姿态控制和测量平台发送运动控制指令；

所述卫星姿态控制和测量平台用于根据所述运动控制指令控制其承载被测物转动。

可选地，所述卫星姿态控制和测量平台还将所述被测物的实际转动信息发送给所述控制子系统；所述控制子系统根据所述实际转动信息对所述被测物的运动情况进行监控。

与现有技术相比，本申请实施例所提供的方案至少具有如下有益效果：

1、本申请实施例所提供的方案中，由于轴承座的结构尺寸较大，一般的精密磨床加工不了，因此需要较大的磨床进行加工，但是大的磨床加工精度低，不能保证零件的精度要求，因此制作了精密的工装，并在加工过程中采取了特殊的工艺流程，最终保证了零件的加工精度；同时，结构尺寸较大的工作台面为了保证加工精度和形位公差要求，除了在精加工前进行多次低、高温时效热处理外，在精加工时进行人工刮研，但由于工作台面的结构尺寸较大，研具也要求很大，因此又设计制作了较大的研具进行刮研，最终实现了工作台面的加工精度，保证了装配的要求，达到了技术指标参数的要求。作为举例，最终实现了平台的平面度误差要求为±0.015mm，平台的平面度误差要求为±0.01mm，平台的中心孔径向跳动误差要求为±0.01mm，台面的形位公差保证了在平台调整水平后稳定运行的水平度。

2、本申请实施例所提供的方案中，通过平台机械结构、电机选型及控制部件等的装配及调试，最终实现了姿态控制及测量平台的旋转角度的测量精度不大于±1″，旋转角度的定位精度不大于±3″，保证了姿态控制及测量平台的角度控制和反馈精度。其中的转角测量精度的保证，是采用高精度圆光栅和谐波补偿法消除误差的方法策略实现，圆光栅的分辨率高、系统精度高、重复性好、动态响响应快、环境适应性强，但是系统精度易受机械安装误差、随机误差等各类误差影响，在测角精度要求较高的场合往往达不到理想的要求，需要采用误差补偿方法消除重复性误差，方案采用谐波补偿法来消除误差和提高测角精度；旋转角度的定位精度是同时依靠与高精度圆光栅和谐波补偿法消除误差、以及基于高精度圆光栅采集目标控制量实现的即时闭环控制策略，从而实现高精度定位精度要求。

3、本申请实施例所提供的方案中，通过工作台、外壳体、力矩电机、角度传感器、主轴、轴承以及轴承座等部件组合，作为小卫星总装自动化精度检测系统中的被测物的承重载体，以在控制子系统运动控制指令的控制下，带动被测物在水平面上进行精密一维旋转运动，以弥补目前对于小卫星总装自动化精度检测系统的姿态控制以及测量平台的研究还比较缺乏的问题。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的一种卫星姿态控制和测量平台的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种工作台的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种外壳体的结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种轴承座的结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的一种主轴的结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种卫星姿态控制和测量系统的结构示意图；

图7为本申请实施例所提供的另一种卫星姿态控制和测量系统的结构示意图。

图中，1-工作台；2-外壳体；3-力矩电机；4-角度传感器；5-主轴；6-轴承；7-轴承座；21-空腔结构；51-轴承定子；61-角接触球轴承；62-隔套。

具体实施方式

本申请实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1，为本申请实施例所提供的一种卫星姿态控制和测量平台的结构示意图。在图1中，该平台包括：工作台1、外壳体2、力矩电机3、角度传感器4、主轴5、轴承6以及轴承座7，其中，所述工作台1设置于所述外壳体2顶部，作为该平台与被测物的接口部件；由所述外壳体2作为外壁构成内部中空的腔体结构21，在所述空腔结构21中设置主轴5，所述主轴5的顶面与所述工作台1的底面连接，底面与所述外壳体2的底部内表面连接，且所述主轴5中心轴与所述外壳体2和所述工作台1的中心轴均重合；在所述主轴5的两侧均设置有所述轴承6、轴承座7、力矩电机3以及角度传感器4，其中，所述轴承6与所述工作台1的底面连接，所述轴承座7用于支撑所述主轴5旋转的轴承定子51；所述力矩电机3用于带动所述轴承6转动，以使得在所述轴承6带动下带动所述主轴5旋转，以及在所述主轴5转动下带动所述工作台1旋转运动；所述角度传感器4用于输出角度信号，以使得根据所述角度信号控制所述工作台1的旋转角度。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，工作台1是整个平台与被测物的接口部件，如卫星或其被测部组件。工作台1为不锈钢锻造成形所得到。具体的不锈钢经热处理去应力后再进行初加工得到初加工的工作台，然后将初加工的工作台进行多次去应力时效处理得到精加工的工作台，再将精加工的加工台再进行刮研，以保证工作台1的台面的精度要求，并在工作台1的中心位置加工定位孔Φ50H7，在Φ600mm处加工2个直径Φ8H7定位销钉孔，在Φ280/Φ450/Φ560/Φ710/Φ900分度圆上均布M12螺孔，从而满足适应多种接口需求。具体的，工作台1的结构如图2所示。

本申请实施例所提供的方案中，由于轴承座7的结构尺寸较大，一般的精密磨床加工不了，因此需要较大的磨床进行加工，但是大的磨床加工精度低，不能保证零件的精度要求，因此制作了精密的工装，并在加工过程中采取了特殊的工艺流程，最终保证了零件的加工精度；同时，结构尺寸较大的工作台面为了保证加工精度和形位公差要求，除了在精加工前进行多次低、高温时效热处理外，在精加工时进行人工刮研，但由于工作台面的结构尺寸较大，研具也要求很大，因此又设计制作了较大的研具进行刮研，最终实现了工作台面的加工精度，保证了装配的要求，达到了技术指标参数的要求。作为举例，最终实现了平台的平面度误差要求为±0.015mm，平台的平面度误差要求为±0.01mm，平台的中心孔径向跳动误差要求为±0.01mm，台面的形位公差保证了在平台调整水平后稳定运行的水平度。

进一步，在小卫星总装精度检测工作中，为解决承载被测卫星及其部组件进行高精度高稳定性一维旋转运动的问题。工作台1需承载能力不低于2000kg。在一种可能实现的方式中，所述工作台1采用3Cr13不锈钢，以使得其所能承载重量不低于2000Kg。

在一种可能实现的方式中，工作台1旋转角度的测量精度不大于±1″，旋转角度的定位精度不大于±3″。具体的，在本申请实施例所提供的方案中，工作台1的高精度是基于硬件结构设计(高精度机加、高精度零部件的选用以及精密装配)和闭环控制策略(以角度传感器采集目标指控量实现即时闭环控制)进行保证，从而保证卫星坐标平面与转台保持很高的平行度姿态要求，以及卫星与转台的高精度旋转位移定位，从而满足小卫星自动化精度检测系统对被测物做一维旋转运动的精度和稳定性要求。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，外壳体2是整个工作台1的主体支撑结构，采用球墨铸铁铸造成形，设计加工保证其壁厚基本均匀，保证整个支撑结构应力均匀，球墨铸铁的牌号为QT50-5，图3所示为本申请实施实例提供的一种外壳体的结构示意图。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，轴承座7的作用主要是为支撑安放主轴旋转的轴承定子51，保证轴承转子51运转过程中保持稳定，对轴承座7进行了磨削加工，可达到较高的尺寸精度和形位公差精度，材料采用45号钢，经过锻造和调质热处理，保证良好的机加性能和刚度要求，并在精加工前进行去应力失效处理，可以得到高稳定性。参见图4，为本申请实施例提供的一种轴承座的结构示意图。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，主轴5是工作台1旋转的核心机械零件，通过分析计算，轴材料选用调质45号钢，通过受载情况、轴上零件布置和固定方式、制造和装配工艺的分析，考虑强度和主轴5结构受力合理，减小应力集中，保证了轴上零件定位可靠、装卸方便，刚性较好，稳定且变形小。参见图5，为本申请实施例提供的一种主轴的结构示意图。

进一步，在一种可能实现的方式中，轴承6包括成对角接触球轴承61和隔套62，其中，所述成对角接触球轴承61相对设置，所述隔套62设置于所述成对角接触球轴承61之间，所述成对角接触球轴承61之间的缝隙可动态调节。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，轴承6采用P4级精度的成对角接触球轴承61，P4级精度的角接触球轴承的使用保证了平台回转的高精度，成对角接触球轴承61背对背安装，通过锁紧螺母进行调整，可使游隙最小。通过在两角接触球轴承61间加精密隔套62，保证了较高的轴系回转精度。另外，作为举例，通过在主轴5的下端增加一个深沟球扶正轴承(图中未标注)，提高了在大载荷情况下的轴系回转精度。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，角度传感器4为绝对式圆光栅角度传感器。通过该绝对式圆光栅角度传感器可直接输出角度信号数字量，分辨率为0.0003″，同时采用了谐波补偿方法消除重复性误差，提高测角精度，解决了圆光栅系统精度易受机械安装误差、随机误差等各类误差影响问题，光栅的测量精度能够达到±1″的定位精度。力矩电机3为稀土永磁无刷电机，驱动器具有优良的线性控制特性，力矩波动小，结构简单体积小，不需维护，使用寿命长，且无火花干扰；该电机采用高性能磁性材料，电机的过载能力强；采用矢量控制方式。

本申请实施例所提供的方案中，通过平台机械结构、电机选型及控制部件等的装配及调试，最终实现了姿态控制及测量平台的旋转角度的测量精度不大于±1″，旋转角度的定位精度不大于±3″，保证了姿态控制及测量平台的角度控制和反馈精度。其中的转角测量精度的保证，是采用高精度圆光栅和谐波补偿法消除误差的方法策略实现，圆光栅的分辨率高、系统精度高、重复性好、动态响响应快、环境适应性强，但是系统精度易受机械安装误差、随机误差等各类误差影响，在测角精度要求较高的场合往往达不到理想的要求，需要采用误差补偿方法消除重复性误差，方案采用谐波补偿法来消除误差和提高测角精度；旋转角度的定位精度是同时依靠与高精度圆光栅和谐波补偿法消除误差、以及基于高精度圆光栅采集目标控制量实现的即时闭环控制策略，从而实现高精度定位精度要求。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，通过工作台1、外壳体2、力矩电机3、角度传感器4、主轴5、轴承6以及轴承座7等部件的组合，能够实现平台在0°～360°范围内的高精度稳定旋转运动，且转速在0°/s～10°/s范围内可自主调节。

本申请实施例所提供的方案中，通过工作台1、外壳体2、力矩电机3、角度传感器4、主轴5、轴承6以及轴承座7等部件组合，作为小卫星总装自动化精度检测系统中的被测物的承重载体，以在控制子系统运动控制指令的控制下，带动被测物在水平面上进行精密一维旋转运动，以弥补目前对于小卫星总装自动化精度检测系统的姿态控制以及测量平台的研究还比较缺乏的问题。

参见图6，为本申请实施例提供的一种卫星姿态控制和测量系统的结构示意图。该系统包括：控制子系统和卫星姿态控制和测量平台，其中，

所述控制子系统与所述卫星姿态控制和测量平台电连接，用于向所述卫星姿态控制和测量平台发送运动控制指令；

所述卫星姿态控制和测量平台用于根据所述运动控制指令控制其承载被测物转动。

在一种可能实现的方式中，所述卫星姿态控制和测量平台还将所述被测物的实际转动信息发送给所述控制子系统；所述控制子系统根据所述实际转动信息对所述被测物的运动情况进行监控。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，控制子系统由一台高配置工控机集中控制和管理，完成实时控制计算、控制单元的管理、故障检测和人机界面等工作。控制子系统在设计上采用了模块化的设计方法，控制子系统按功能可分为测角系统、控制器(含控制软件)、功率放大器(驱动器)、电机，系统组成框图如图7所示。转台的电控系统采用三环控制结构，即电流环、速率环和位置环，电流环在功率放大器内部实现，速率PID、位置PID都由控制软件实现。系统使用外部时钟，时钟精度不大于1×10^-7，控制子系统的采样周期是200μs，采样频率足够高，接近连续系统，不会对速率精度及速率平稳性产生影响。同时，系统采用多种安全保护机制，监控转台异常和错误状态，自动对转台下电并给出报警，确保设备安全可靠运行。控制软件架构分为人机交互部分(WinTCS)和实时控制部分(RealTime.rtss)，人机交互部分基于Visual C++开发，实时控制部分基于C语言开发，两部分通过触发“事件”进行通信，通过“共享内存”进行数据交换。驱动器、变压器采取屏蔽措施，信号线、电源线分离布线，各机箱AC220V电源进线均采用交流滤波器和去耦滤波器，各印刷电路板直流稳压电源到各部电路每个芯片均配有0.01uF去耦电容，每个电路板电源引线端均配有去耦滤波电路，模拟地和数字地分开，屏蔽层单独接地，机械台体、控制柜分别接大地。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种卫星姿态控制和测量平台，其特征在于，包括：工作台(1)、外壳体(2)、力矩电机(3)、角度传感器(4)、主轴(5)、轴承(6)以及轴承座(7)，其中，

所述工作台(1)设置于所述外壳体(2)顶部，作为该平台与被测物的接口部件；

由所述外壳体(2)作为外壁构成内部中空的腔体结构(21)，在所述空腔结构(21)中设置主轴(5)，所述主轴(5)的顶面与所述工作台(1)的底面连接，底面与所述外壳体(2)的底部内表面连接，且所述主轴(5)中心轴与所述外壳体(2)和所述工作台(1)的中心轴均重合；

在所述主轴(5)的两侧均设置有所述轴承(6)、轴承座(7)、力矩电机(3)以及角度传感器(4)，其中，所述轴承(6)与所述工作台(1)的底面连接，所述轴承座(7)用于支撑所述主轴(5)旋转的轴承定子(51)；所述力矩电机(3)用于带动所述轴承(6)转动，以使得在所述轴承(6)带动下带动所述主轴(5)旋转，以及在所述主轴(5)转动下带动所述工作台(1)旋转运动；所述角度传感器(4)用于输出角度信号，以使得根据所述角度信号控制所述工作台(1)的旋转角度。

2.如权利要求1所述的平台，其特征在于，所述工作台(1)采用3Cr13不锈钢，以使得其所能承载重量不低于2000Kg。

3.如权利要求2所述的平台，其特征在于，所述轴承(6)包括成对角接触球轴承(61)和隔套(62)，其中，所述成对角接触球轴承(61)相对设置，所述隔套(62)设置于所述成对角接触球轴承(61)之间，所述成对角接触球轴承(61)之间的缝隙可动态调节。

4.如权利要求3所述的平台，其特征在于，所述工作台(1)旋转的角度范围为(0°，360°)。

5.如权利要求4所述的平台，其特征在于，所述工作台(1)的转速可调节，其转速调节范围为(0°/s，10°/s)。

6.如权利要求5所述的平台，其特征在于，所述工作台(1)旋转角度的测量精度不大于±1″，旋转角度的定位精度不大于±3″。

7.如权利要求1～6任一项所述的平台，其特征在于，所述角度传感器(4)为绝对式圆光栅角度传感器。

8.如权利要求1～6任一项所述的平台，其特征在于，所述外壳体(2)采用球墨铸铁铸造成形。

9.一种卫星姿态控制和测量系统，其特征在于，包括：控制子系统和卫星姿态控制和测量平台，其中，

所述控制子系统与所述卫星姿态控制和测量平台电连接，用于向所述卫星姿态控制和测量平台发送运动控制指令；

所述卫星姿态控制和测量平台用于根据所述运动控制指令控制其承载被测物转动。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述卫星姿态控制和测量平台还将所述被测物的实际转动信息发送给所述控制子系统；所述控制子系统根据所述实际转动信息对所述被测物的运动情况进行监控。

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