CN115848649A - 一种卫星质心调节系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及空间应用设备技术领域，具体而言，涉及一种卫星质心调节系统，包括质心调节机构和质心调节控制器，其中：质心调节结构包括X轴质心调节机构、Y轴质心调节机构以及Z轴质心调节机构；X轴质心调节机构为2台，沿卫星的X轴对称安装；Y轴质心调节机构为2台，沿卫星的Y轴对称安装；Z轴质心调节机构为2台，沿卫星的Z轴对称安装；质心调节控制器与X轴质心调节机构、Y轴质心调节机构以及Z轴质心调节机构连接。本申请通过质心调节控制器控制质心调节机构中移动质量块的位置，来改变整星的质量分布，从而使卫星质心达到指定点附近，转动惯量满足卫星姿轨控精度要求，确保卫星能够提供高精度的质量特性以及部分有效载荷正常工作。

Description

一种卫星质心调节系统

技术领域

本申请涉及空间应用设备技术领域，具体而言，涉及一种卫星质心调节系统。

背景技术

卫星在经历严酷的发射阶段和在轨运行阶段后，卫星的质心会由于燃料消耗、推力器气体排出、结构变形、重力释放等因素而发生变化。此时，质心调节系统可通过调节质量块组件位置来保证卫星质心与初始质心位置相对一致。对于部分卫星有效载荷，当卫星的质心发生变化后，有效载荷会工作异常。因此，质心调节系统通过在轨精确调节卫星质心，可确保卫星能够提供高精度的质量特性以及部分有效载荷的正常工作。

发明内容

本申请提供了一种卫星质心调节系统，实现了在轨精确调节卫星质心位置的功能，确保卫星能够提供高精度的质量特性以及部分有效载荷正常工作。

为了实现上述目的，本申请提供了一种卫星质心调节系统，包括质心调节机构和质心调节控制器，其中：质心调节结构包括X轴质心调节机构、Y轴质心调节机构以及Z轴质心调节机构；X轴质心调节机构为2台，沿卫星的X轴对称安装；Y轴质心调节机构为2台，沿卫星的Y轴对称安装；Z轴质心调节机构为2台，沿卫星的Z轴对称安装；质心调节控制器分别与X轴质心调节机构、Y轴质心调节机构以及Z轴质心调节机构连接。

进一步的，每台质心调节机构均包括光电编码器、电机、轴承组件、丝杆、导轨、移动质量块以及底板，其中：轴承组件固定在底板上，包括左轴承座组件和右轴承座组件；光电编码器与电机连接；电机通过电机支架固定在底板的一端，通过电连接器组件和联轴器与左轴承座组件连接，右轴承座组件设置在底板的另一端；丝杆设置在左轴承座组件和右轴承座组件之间，一端通过左轴承座组件和联轴器与电机连接，另一端与右轴承座组件连接；导轨设置在丝杆的下方，位于左轴承座组件和右轴承座组件之间；移动质量块设置在丝杆上，在电机和丝杆的带动下，能够在导轨上移动。

进一步的，左轴承座组件和右轴承座组件上均设置有到位开关。

进一步的，电机采用双绕组设计，光电编码器的电路与到位开关进行主备份设计。

进一步的，丝杆上设置有螺纹升角，通过螺纹升角可以实现非加电自锁。

进一步的，移动质量块内部设置有双螺母+弹簧结构。

进一步的，质心调节控制器采用冷备份设计，包括主份系统和备份系统。

进一步的，主份系统和备份系统均包括电源模块、主控制系统、通信电路模块、电机驱动模块、光电编码器采集模块、到位开关采集模块，其中：主控制系统分别与通信电路模块、电机驱动模块、光电编码器采集模块以及到位开关采集模块电连接；电机驱动模块通过电机绕组切换电路将输出指令传输至不同质心调节机构的电机绕组；通信电路模块与星务计算机建立通信连接；光电编码器采集模块与不同质心调节机构的光电编码器连接；到位开关采集模块与不同质心调节机构的到位开关连接。

进一步的，电源模块的输入端与供电电源连接，输出端分别与主控制系统、电机驱动模块以及光电编码器采集模块连接，电源模块的输出端还通过光电编码供电电源切换电路与不同质心调节机构的光电编码器连接。

进一步的，质心调节机构的壳体采用碳纤维材料，质心调节控制器的壳体采用镁合金材料。

本发明提供的一种卫星质心调节系统，具有以下有益效果：

本申请通过质心调节控制器控制质心调节机构中移动质量块的位置，来改变整星的质量分布，从而使卫星质心达到指定点附近，转动惯量满足卫星姿轨控精度要求，确保卫星能够提供高精度的质量特性以及部分有效载荷正常工作。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的卫星质心调节系统的位置示意图；

图2是根据本申请实施例提供的卫星质心调节系统的质心调节机构的正视图；

图3是根据本申请实施例提供的卫星质心调节系统的质心调节机构的俯视图；

图4是根据本申请实施例提供的卫星质心调节系统的质心调节控制器的组成示意图；

图5是根据本申请实施例提供的卫星质心调节系统的调节卫星质心位置的流程图；

图中：1-电机、2-支架、3-光电编码器、4-电连接器组件、5-联轴器、6-左轴承座组件、7-到位开关、8-丝杆、9-移动质量块、10-底板、11-右轴承座组件、12-导轨。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，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他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请提供了一种卫星质心调节系统，包括质心调节机构和质心调节控制器，其中：质心调节结构包括X轴质心调节机构、Y轴质心调节机构以及Z轴质心调节机构；X轴质心调节机构为2台，沿卫星的X轴对称安装；Y轴质心调节机构为2台，沿卫星的Y轴对称安装；Z轴质心调节机构为2台，沿卫星的Z轴对称安装；质心调节控制器分别与X轴质心调节机构、Y轴质心调节机构以及Z轴质心调节机构连接。

具体的，本申请实施例提供的卫星质心调节系统安装在卫星上，包括6台质心调节机构和1台质心调节控制器，卫星的每个轴向安装2台机构，2台机构对称安装，可互为备份，可以实现在轨精确调节卫星质心位置的功能。质心调节机构在运动过程中，采用了软件、开关和机械限位三重保护，防止控制失效，质量块过冲对机构造成的损坏。

进一步的，如图2-图3所示，每台质心调节机构均包括光电编码器3、电机1、轴承组件、丝杆8、导轨12、移动质量块9以及底板10，其中：轴承组件固定在底板10上，包括左轴承座组件6和右轴承座组件11；光电编码器3与电机1连接；电机1通过电机支架2固定在底板10的一端，通过电连接器组件4和联轴器5与左轴承座组件6连接，右轴承座组件11设置在底板10的另一端；丝杆8设置在左轴承座组件6和右轴承座组件11之间，一端通过左轴承座组件6和联轴器5与电机1连接，另一端与右轴承座组件11连接；导轨12设置在丝杆8的下方，位于左轴承座组件6和右轴承座组件11之间；移动质量块9设置在丝杆8上，在电机1和丝杆8的带动下，能够在导轨12上移动。光电编码器3用于根据控制器的指令，驱动电机1进行转动，电机1通过联轴器5带动丝杆8转动，从而带到丝杆8上的移动质量块9在导轨12上进行移动，到达相应的位置，实现对卫星质心的调节。电机1与丝杠之间设置联轴器5，可消减电机1振动对质量块的传功精度影响，当电机1输出轴与丝杠轴心不同轴时，仍可有效传动驱动力。

进一步的，左轴承座组件6和右轴承座组件11上均设置有到位开关7。到位开关7主要用于采集移动质量块9移动的位置，质量块组件如果到达滑动导轨12的末端，到位开关7会触发，立即停止驱动电机1。

进一步的，电机1采用双绕组设计，光电编码器3的电路与到位开关7进行主备份设计，能够提高质心调节机构的可靠度，确保质心调节的精度。

进一步的，丝杆8上设置有螺纹升角，通过螺纹升角可以实现非加电自锁。丝杆8上设置有设计合理的螺纹升角，确保质心调节机构可以实现非加电自锁。

进一步的，移动质量块9内部设置有双螺母+弹簧结构，可以消除质心调节机构的回程差，提高质心调节机构的传动精度。

进一步的，质心调节控制器采用冷备份设计，包括主份系统和备份系统。质心调节控制器的主份系统和备份系统完全一致，利用80C32最小系统实现6台电机1分时驱动、光电编码器3信号采集、到位开关7状态采集。质心调节控制器采用冷备份设计主要指实际硬件电路和主份系统完全一致，采用主备份系统，系统内的软件也是相同的，当主份系统电路出现问题时，备份电路可以启用，增强质心调节控制器的可靠性。

进一步的，如图4所示，主份系统和备份系统均包括电源模块、主控制系统、通信电路模块、电机驱动模块、光电编码器采集模块、到位开关采集模块，其中：主控制系统分别与通信电路模块、电机驱动模块、光电编码器采集模块以及到位开关采集模块电连接；电机驱动模块通过电机绕组切换电路将输出指令传输至不同质心调节机构的电机绕组；通信电路模块与星务计算机建立通信连接；光电编码器采集模块与不同质心调节机构的光电编码器连接；到位开关采集模块与不同质心调节机构的到位开关连接。主控制系统通过CAN通信电路模块接收星务计算机质心调节指令，并对调节指令进行解析并输出相应的执行指令，通过电机驱动模块驱动电机1运动，电机1驱动移动质量块9运动的同时，带动光电编码器3转动，主控制系统通过光电编码器采集模块采集光电编码器3的输出信号，得到转动的圈数及角度，并实时计算移动质量块9的位置值，根据实时的位置值可以对移动质量块9的位置进行精确调整，使动质量块9到达相应的指定位置，到达指定位置后，电机1停止驱动，实现对卫星质心的调节，在移动质量块9移动的过程中，到位开关采集模块采集到位开关7的状态信息。

进一步的，电源模块的输入端与供电电源连接，输出端分别与主控制系统、电机1驱动模块以及光电编码器3采集模块连接，电源模块的输出端还通过光电编码供电电源切换电路与不同质心调节机构的光电编码器3连接。电源模块用于向各个模块、电机1以及光电编码器3进行供电。

具体的，质心调节控制器整体设计1路电机驱动模块，能够分时驱动6台质心调节机构的电机1，降低功耗，减轻重量，同时简化软件设计，同时解决了电机1主备绕组间感生电压的相互影响。

进一步的，质心调节机构的壳体采用碳纤维材料，质心调节控制器的壳体采用镁合金材料，实现了系统的整体轻量化。

下面结合本申请实施例提供的卫星质心调节系统的工作过程，进行更具体的说明，如图5所示，首先确定质心调节机构的安装位置，卫星的每个轴向安装2台机构，2台机构对称安装，可互为备份，然后计算移动质量块9的质量，根据卫星的重量(M)及质心调节范围(L)确定机构移动质量块9的重量(m)及调节范围(l)，计算公式如下：

ML＝ml

然后进行质心调节机构的组装，同时测量卫星质心偏差，计算移动质量块9的移动距离，卫星的质心调节精度(△L)计算公式如下：

M△L＝m△l

其中，△l为移动质量块9的调节精度；

质心调节控制器接收到星务计算机上述的质心调节指令后，解析并执行指令，接通相应光电编码器3的电源及相应电机1的绕组，驱动电机1，电机1带动联轴器5转动，联轴器5带动丝杆8转动，丝杆8带动移动质量块9沿导轨12移动，同时，电机1带动光电编码器3转动，通过采集光电编码器3的输出信号，得到转动圈数及角度，从而对移动质量块9的位置进行调整，到达指定位置，实现对卫星质心的调节；同时，在移动质量块9移动的过程中，采集到位开关7的状态信息，以判断移动质量块9是否到达滑动导轨12的末端，如果到位，到位开关7触发，立即停止驱动电机1。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星质心调节系统，其特征在于，包括质心调节机构和质心调节控制器，其中：

所述质心调节结构包括X轴质心调节机构、Y轴质心调节机构以及Z轴质心调节机构；

所述X轴质心调节机构为2台，沿卫星的X轴对称安装；所述Y轴质心调节机构为2台，沿卫星的Y轴对称安装；所述Z轴质心调节机构为2台，沿卫星的Z轴对称安装；

所述质心调节控制器分别与所述X轴质心调节机构、所述Y轴质心调节机构以及所述Z轴质心调节机构连接。

2.根据权利要求1所述的卫星质心调节系统，其特征在于，每台质心调节机构均包括光电编码器、电机、轴承组件、丝杆、导轨、移动质量块以及底板，其中：

所述轴承组件固定在所述底板上，包括左轴承座组件和右轴承座组件；

所述光电编码器与所述电机连接；

所述电机通过电机支架固定在所述底板的一端，通过电连接器组件和联轴器与所述左轴承座组件连接，所述右轴承座组件设置在所述底板的另一端；

所述丝杆设置在所述左轴承座组件和所述右轴承座组件之间，一端通过所述左轴承座组件和联轴器与所述电机连接，另一端与所述右轴承座组件连接；

所述导轨设置在所述丝杆的下方，位于所述左轴承座组件和所述右轴承座组件之间；

所述移动质量块设置在所述丝杆上，在所述电机和所述丝杆的带动下，能够在所述导轨上移动。

3.根据权利要求2所述的卫星质心调节系统，其特征在于，所述左轴承座组件和所述右轴承座组件上均设置有到位开关。

4.根据权利要求3所述的卫星质心调节系统，其特征在于，所述电机采用双绕组设计，所述光电编码器的电路与所述到位开关进行主备份设计。

5.根据权利要求4所述的卫星质心调节系统，其特征在于，所述丝杆上设置有螺纹升角，通过所述螺纹升角可以实现非加电自锁。

6.根据权利要求2所述的卫星质心调节系统，其特征在于，所述移动质量块内部设置有双螺母+弹簧结构。

7.根据权利要求1所述的卫星质心调节系统，其特征在于，所述质心调节控制器采用冷备份设计，包括主份系统和备份系统。

8.根据权利要求7所述的卫星质心调节系统，其特征在于，所述主份系统和所述备份系统均包括电源模块、主控制系统、通信电路模块、电机驱动模块、光电编码器采集模块、到位开关采集模块，其中：

所述主控制系统分别与所述通信电路模块、所述电机驱动模块、所述光电编码器采集模块以及所述到位开关采集模块电连接；

所述电机驱动模块通过电机绕组切换电路将输出指令传输至不同质心调节机构的电机绕组；

所述通信电路模块与星务计算机建立通信连接；

所述光电编码器采集模块与不同质心调节机构的光电编码器连接；

所述到位开关采集模块与不同质心调节机构的到位开关连接。

9.根据权利要求8所述的卫星质心调节系统，其特征在于，所述电源模块的输入端与供电电源连接，输出端分别与主控制系统、电机驱动模块以及光电编码器采集模块连接，所述电源模块的输出端还通过光电编码供电电源切换电路与不同质心调节机构的光电编码器连接。

10.根据权利要求1所述的卫星质心调节系统，其特征在于，所述质心调节机构的壳体采用碳纤维材料，所述质心调节控制器的壳体采用镁合金材料。

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