CN116610044A - 基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置与方法，属于飞行器控制与地面仿真技术领域，解决卫星全物理仿真系统复杂、且不能实现平动，同时模拟适用范围较小并且模拟精度不高问题。本发明的装置包括：图像获取装置、靶标、仪表平台、气浮导轨、气浮轴承、水箱气瓶组、浮箱、水箱、气足和平台；没有悬线以及放置悬线的龙门架等所以结构简单；该装置上方无悬线与仪表平台相连接，无接触该装置相比于含有悬线等的三维模拟装置，结构简单；相比于现有磁液悬浮技术只能模拟垂向微重力模拟，该装置有平动机构，因此能够实现三自由度模拟，该装置相比于磁液悬浮系统，具有能够模拟三自由度运动的优点。本发明适用于航天器三维平动模拟。

Description

基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置与方法

技术领域

本申请涉及飞行器控制与地面仿真技术领域，尤其涉及基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真。

背景技术

论文“空间飞行器三维微重力模拟技术”（哈尔滨工业大学硕士学位论文，姜宏操，20210601）仿真效果较好，但是该方法需要在实验平台上方加装支撑架、滑轨伺服电机等辅助设备，系统较为复杂。

论文“微重力模拟用磁气悬吊系统混合磁单元设计”（天津大学硕士学位论文，刘征，20210601）只对垂向重力进行了抵消，即只能对航天器进行垂向微重力模拟而不能实现平动。

现有技术如公告号为CN111086662A，公开日为2020年05月01日的中国专利公开一种基于磁液混浮的微重力效应地面模拟方法中载荷质量模拟范围较小，同时可能由于水中含磁杂质等影响导致模拟器受到其他影响。

综上，现有航天器三维平动模拟装置的系统复杂、且不能实现平动，同时模拟适用范围较小并且模拟精度不高。

发明内容

本发明目的是为了解决现有卫星全物理仿真系统复杂、且不能实现平动，同时模拟适用范围较小并且模拟精度不高的问题，提供了基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置、方法和设备。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，所述仿真装置包括：图像获取装置、靶标、仪表平台、气浮导轨、气浮轴承、水箱气瓶组、浮箱、水箱、气足和平台；

气足通过其产生的气膜悬浮在平台上，气足上端与水箱底部连接；

浮箱完全浸没在水箱内的流体中；

水箱气瓶组对称安装在水箱的外侧；

气浮轴承安装在水箱上壁；

气浮导轨穿过气浮轴承与仪表平台相连，起着连接浮箱及水箱的作用；

仪表平台上安装靶标；

图像获取装置放置在靶标的上方，用于获取靶标的图像信息；图像获取装置通过靶标来获取仪表平台水平面内的位置姿态信息，并通过无线传输将位置姿态信息传输给仪表平台中的控制单元，所述控制单元进行位置姿态控制。

进一步地，浮箱包括箱体、通讯管路、控制盒、粗精调比例阀、粗精调水泵、压力传感器和橡胶球；

通讯管路为若干根中空管道，数量与气浮导轨相同，通讯管路上端安装位置为气浮导轨与箱体的连接处，下端与控制盒顶部固连，管路之间相互平行，用于放置数据传输线；

控制盒固定安装在箱体底部，包括电源模块以及控制模块；

其中，电源模块负责控制模块、粗精调比例阀、粗精调水泵以及压力传感器的供电；

控制模块接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀以及粗精调水泵使液体排出或进入箱体；

粗精调比例阀以及粗精调水泵数量若干，以箱体底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀用于排出箱体中的水，粗精调水泵用于使水进入箱体中；

橡胶球对称安装在箱体两侧，其内部充有气体。

进一步地，浮箱包括通讯管路、控制盒、粗精调比例阀、粗精调水泵和橡胶外壳；

控制盒包括电源模块以及控制模块；

通讯管路为若干根中空管道，数量与气浮导轨相同，安装位置为气浮导轨与橡胶外壳的连接处，用于放置数据传输线；

控制盒安装在橡胶外壳底部，包括电源模块以及控制模块；

其中，电源模块负责控制模块、粗精调比例阀以及粗精调水泵的供电；

控制模块接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀以及粗精调水泵使液体排出或进入橡胶外壳内部；

粗精调比例阀以及粗精调水泵数量若干，以橡胶外壳底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀用于排出橡胶外壳内部的水，粗精调水泵用于使水进入橡胶外壳中；

橡胶外壳顶部和底部为不可伸缩的铝合金板，侧面材料为橡胶，通过向橡胶外壳内部进行充气或放气，达到改变浮箱初始浮力的作用。

进一步地，仪表平台包括冷气推进系统、仪表平台气瓶组、控制单元和通讯模块；

所述通讯模块接收台下指令，所述控制单元控制计算机计算控制量并通过串口发送给驱动板，驱动板控制电磁阀排出气体进而控制整个气浮台进行三维平动；

所述冷气推进系统通过对称安装的多组喷嘴喷出气体，气浮台受到反方向的力和力矩，进而控制气浮台进行三维平动或姿态调整；

所述仪表平台气瓶组作为冷气推进系统的气源，为冷气推进系统提供一定压强的气体；

所述冷气推进系统分布位置具体为：设台体坐标系为O-XYZ，其中坐标系原点位于仪表平台几何中心，坐标轴X、Y夹角为90度且与仪表平台上下端面平行；Z轴与X、Y所构成的平面正交；

冷气推力系统共有4组冷气推力装置，每套冷气推力装置包含安装底座以及4个喷嘴，4个喷嘴分布在长方体4个侧面的中心，喷口方向均朝外；四组冷气推力装置对称且侧向安装在仪表平台中心所在的水平面上，冷气推力装置A位于X轴正半轴，冷气推力装置B位于Y轴正半轴，冷气推力装置C位于Y轴负半轴冷气推力装置C位于X轴负半轴，冷气推力装置D位于Y轴负半轴。

第二方面，本发明提供一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真方法，所述方法包括：

步骤一、在加装仪表平台前，对仪表平台及其上载荷进行称重，获取仪表平台及其上载荷的重量，将所述仪表平台及其上载荷的重量减去浮箱、气浮导轨、仪表平台以及靶标的重量后，根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内的初始期望排水体积；

步骤二、加装仪表平台，开启粗精调比例阀以及粗精调水泵，待光栅检测到浮箱的位置在期望位置附近时，关闭粗精调比例阀以及粗精调水泵，此时粗调完成；

步骤三、开启或关闭粗精调比例阀以及粗精调水泵，直到光栅检测到浮箱的位置有变化，使浮箱悬浮在水箱中央位置而不与水箱盖接触，关闭粗精调比例阀。

步骤四、待浮箱稳定后，即可以开始整个装置的三维平动模拟；

步骤五、由于仪表平台的载荷为高压气体，高压气体不断消耗时，通过压强计测量气瓶内气压计算出质量变化后再调节粗精调比例阀或粗精调水泵来将变化的重力卸载。

进一步地，步骤一中，所述根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内的初始期望排水体积，包括：根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内水位的起始位置。

进一步地，步骤二包括：

浮箱仍紧贴于水箱上盖底部时，开启粗精调比例阀，水箱内的水在大气压强及本身重力的作用下进入到浮箱内部，并压缩箱内气体，待压力传感器指示水位上升到期望水位附近时，关闭粗精调比例阀；

步骤三包括：

开启粗精调比例阀，直到光栅检测到浮箱的位置有变化，使浮箱悬浮在水箱内部而不与水箱盖接触，关闭粗精调比例阀；

开启粗精调水泵，根据浮箱垂向位置和速度状态，不断调节粗精调水泵以及粗精调比例阀使浮箱在水箱中央位置悬浮。

进一步地，步骤一中，所述根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内的初始期望排水体积，包括：所述浮箱为橡胶浮箱，将所述橡胶浮箱充气至期望体积。

进一步地，步骤三包括：

开启粗精调水泵，根据浮箱垂向位置和速度，不断调节粗精调水泵以及粗精调比例阀使浮箱在水箱中央位置悬浮。

第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时执行如上文所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真方法的步骤。

本发明的有益效果：

针对航天器三维平动模拟装置，本发明提出一种装置简单，自动化程度高、有效载荷范围大的基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置与方法。

首先，给出了该装置的系统组成，该装置模拟的三维运动航天器具有负载范围大的优点；因为没有悬线以及放置悬线的龙门架等机械装置所以结构简单；无接触指的是该装置上方无悬线与仪表平台相连接，因此无接触该装置相比于含有悬线等的三维模拟装置，具有结构简单，无接触的特点；相比于现有磁液悬浮技术（只能模拟垂向微重力模拟），该装置有平动机构，因此能够实现三自由度模拟，该装置相比于磁液悬浮系统，具有能够模拟三自由度运动的优点。

随后，针对垂向微重力模拟方法，阐述了垂向气液悬浮装置的原理和结构，并给出了本发明装置的使用方法。

本发明适用于航天器三维平动模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置的结构示意图；

图2为本发明的冷气推进系统分布位置示意图；

图3为本发明的浮箱装置一的结构示意图；

图4为本发明的浮箱装置二的结构示意图；

图5为本发明的浮箱内部粗精调水泵以及粗精调比例阀的分布示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

具体实施方式一、一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，所述仿真装置包括：图像获取装置1、靶标2、仪表平台3、气浮导轨4、气浮轴承5、水箱气瓶组6、浮箱7、水箱8、气足9和平台10；

气足9通过其产生的气膜悬浮在平台10上，气足9上端与水箱8底部连接；

浮箱7完全浸没在水箱8内的流体中；

水箱气瓶组6对称安装在水箱8的外侧；

气浮轴承5安装在水箱8上壁；

气浮导轨4穿过气浮轴承5与仪表平台3相连，起着连接浮箱7及水箱8的作用；

仪表平台3上安装靶标2；

图像获取装置1放置在靶标2的上方，用于获取靶标2的图像信息；图像获取装置1通过固定在仪表平台上的靶标2来获取仪表平台3水平面内的位置姿态信息并通过无线传输将位置姿态信息传输给仪表平台3中的控制单元，控制单元进行位置姿态控制。

本实施方式中，可以设置：气浮轴承5所需要的气体由气瓶6提供，气浮轴承的供气由开关阀以及减压阀等组成包含在气浮轴承5中，对称安装在水箱外壁上的气瓶6还负责为整个装置底部的气足供气。

气浮轴承嵌入安装在水箱8的水箱盖上，水箱盖内侧埋有气体管路用以连接气瓶与气浮轴承，使气浮导轨能够做无摩擦的上下运动。

气浮导轨上下部分别与仪表平台以及浮箱7固连。

若干根气浮导轨呈等边型对称安装，内部中空并埋有仪表平台与浮箱控制单元的通讯线路，能够避免无线信号被金属水箱的屏蔽现象出现。气浮导轨上安装有光栅尺，光栅读数头固定安装在水箱盖上部，读数头读取的位置信号通过无线传输将浮箱当前位置发送到仪表平台通讯模块，并通过通讯管路转发给浮箱内的控制模块完成系统闭环控制。

针对航天器三维平动模拟装置，本实施方式提出一种装置简单，自动化程度高、有效载荷范围大的基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置与方法。

首先，给出了该装置的系统组成，该装置模拟的三维运动航天器具有负载范围大的优点；因为没有悬线以及放置悬线的龙门架等机械装置所以结构简单；无接触指的是该装置上方无悬线与仪表平台相连接，因此无接触该装置相比于含有悬线等的三维模拟装置，具有结构简单，无接触的特点；相比于现有磁液悬浮技术（只能模拟垂向微重力模拟），该装置有平动机构，因此能够实现三自由度模拟，该装置相比于磁液悬浮系统，具有能够模拟三自由度运动的优点。

具体实施方式二，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置的进一步限定，本实施方式中，对浮箱7，做了进一步限定，具体包括：

浮箱7包括箱体20、通讯管路21、控制盒22、粗精调比例阀25、粗精调水泵26、压力传感器27和橡胶球28；

通讯管路21为若干根中空管道，数量与气浮导轨4相同，通讯管路21上端安装位置为气浮导轨4与箱体20的连接处，下端与控制盒22顶部固连，管路之间相互平行，用于放置数据传输线；

控制盒22固定安装在箱体20底部，包括电源模块23以及控制模块24；

其中，电源模块23负责控制模块24、粗精调比例阀25、粗精调水泵26以及压力传感器27的供电；

控制模块24接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀25以及粗精调水泵26使液体排出或进入箱体20；

粗精调比例阀25以及粗精调水泵26数量若干，以箱体20底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀25用于排出箱体20中的水，粗精调水泵26用于使水进入箱体20中；

橡胶球28对称安装在箱体20两侧，其内部充有气体。

本实施方式中的装置一浮箱体积固定，在测量浮箱及上部载荷整体质量后，计算浮力与整体质量的差值并开启粗精调比例阀使得进入水箱内的水的质量与该值相等，随后再根据浮箱状态精细调节进水排水达到实验前重力抵消的目的。实验准备步骤更少，操作更简单。

具体实施方式三，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置的进一步限定，本实施方式中，对浮箱7，做了进一步限定，具体包括：

浮箱7包括通讯管路21、控制盒22、粗精调比例阀25、粗精调水泵26和橡胶外壳37；

控制盒22包括电源模块23以及控制模块24；

通讯管路21为若干根中空管道，数量与气浮导轨4相同，安装位置为气浮导轨与橡胶外壳37的连接处，用于放置数据传输线；

控制盒22安装在橡胶外壳37底部，包括电源模块23以及控制模块24；

其中，电源模块23负责控制模块24、粗精调比例阀25以及粗精调水泵26的供电；

控制模块24接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀25以及粗精调水泵26使液体排出或进入橡胶外壳37内部；

粗精调比例阀25以及粗精调水泵26数量若干，以橡胶外壳37底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀25用于排出橡胶外壳37内部的水，粗精调水泵26用于使水进入橡胶外壳37中；

橡胶外壳37顶部和底部为不可伸缩的铝合金板，侧面材料为橡胶，通过向橡胶外壳37内部进行充气或放气，达到改变浮箱7初始浮力的作用。

本实施方式中的装置二外壳采用橡胶材料，体积可变，在测量浮箱及上部载荷整体质量后，将该值转换为浮箱需要排出的水的体积。其初始浮力可变通过向浮箱内充气放气改变橡胶外壳体积实现。

具体实施方式四，本实施方式是对实施方式一至三任一项所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置的进一步限定，本实施方式中，对仪表平台3，做了进一步限定，具体包括：

仪表平台3包括冷气推进系统、仪表平台气瓶组、控制单元和通讯模块；

所述通讯模块接收台下指令，所述控制单元控制计算机计算控制量并通过串口发送给驱动板，驱动板控制电磁阀排出气体进而控制整个气浮台进行三维平动；

所述冷气推进系统通过对称安装的多组喷嘴喷出气体，气浮台受到反方向的力和力矩，进而控制气浮台进行三维平动或姿态调整；

所述仪表平台气瓶组作为冷气推进系统的气源，为冷气推进系统提供一定压强的气体；

所述冷气推进系统分布位置具体为：设台体坐标系为O-XYZ，其中坐标系原点位于仪表平台几何中心，坐标轴X、Y夹角为90度且与仪表平台上下端面平行；Z轴与X、Y所构成的平面正交；

冷气推力系统共有4组冷气推力装置，每套冷气推力装置包含安装底座以及4个喷嘴，4个喷嘴分布在长方体4个侧面的中心，喷口方向均朝外；四组冷气推力装置对称且侧向安装在仪表平台中心所在的水平面上，冷气推力装置A位于X轴正半轴，冷气推力装置B位于Y轴正半轴，冷气推力装置C位于X轴负半轴，冷气推力装置D位于Y轴负半轴。

本实施方式中，可以设置：控制单元包括控制计算机、驱动板和执行器电磁阀。控制计算机通过网络接收台下指令并执行控制算法，随后将计算后的控制量信号通过串口传输给驱动板，驱动板控制电磁阀的开启或关闭，电磁阀起着连接电路和气路的作用，电磁阀开启时气体排出，关闭时气体停止排出。

通讯模块为内嵌在控制计算机中的软件程序，通过网络传输接收台下控制指令。

所述冷气推进系统分布位置的设置可以实现控制的方便性。

具体实施方式五，本实施方式是对如上文所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置的实施例1，具体包括：

基于智能调压技术的三自由度平动微重力模拟装置与方法：该装置由工业相机1（不限于工业相机）、靶标2、仪表平台3、气浮导轨4、气浮轴承5、水箱气瓶组6、浮箱7、水箱8、气足9以及平台10等组成。

气足9通过其产生的气膜悬浮在平台10上，气足上端与水箱8底部连接，浮箱7完全浸没在水箱8内的流体（水或其他液体）中，水箱气瓶组6对称安装在水箱8的外侧，气浮轴承5安装在水箱8上壁，气浮导轨4穿过气浮轴承5与仪表平台3相连，起着连接浮箱及水箱的作用。仪表平台3上安装了靶标（由三个呈对称分布的红色点光源组成），图像获取装置1（工业相机）放置在整个装置的正上方，其作用为获取靶标2的图像信息并传递给仪表平台3中的控制单元，进而获取整个装置的位置姿态信息并进行位置以及姿态控制。

装置整体采用气浮的方法，在整个装置底部安装气足9以实现水平面内的无摩擦二维运动；通过完全浸没在水中的浮箱7装置排水进水来抵消运动部分的重力以实现垂向微重力模拟。装整体装置如图1所示。

（1）仪表平台

仪表平台由冷气推进系统、仪表平台气瓶组、控制单元以及通讯模块等组成。

冷气推进系统通过对称安装的多组喷嘴喷出气体，气浮台受到反方向的力和力矩，进而控制气浮台进行三维平动或姿态调整。

气瓶组作为冷气推进系统的气源，为冷气推进系统提供一定压强的气体；

控制单元包括控制计算机、驱动板和执行器电磁阀。控制计算机通过网络接收台下指令并执行控制算法，随后将计算后的控制量信号通过串口传输给驱动板，驱动板控制电磁阀的开启或关闭，电磁阀起着连接电路和气路的作用，电磁阀开启时气体排出，关闭时气体停止排出。

通讯模块为内嵌在控制计算机中的软件程序，通过网络传输接收台下控制指令。

上述四个模块的执行先后顺序为：首先通讯模块接收台下指令，控制单元控制计算机计算控制量并通过串口发送给驱动板，驱动板控制电磁阀排出气体进而控制整个气浮台进行三维平动。

图像获取装置1（工业相机）实时采集靶标2的位置信息并通过网络传输反馈给控制计算机进而控制冷气推进系统完成二维平动及转动的闭环控制。

为了方便控制，设台体坐标系为O-XYZ，其中坐标系原点位于仪表平台几何中心，坐标轴X、Y夹角为90度且与仪表平台上下端面平行；Z轴与X、Y所构成的平面正交。如图2所示，冷气推力系统共有4组冷气推力装置，每套冷气推力装置包含安装底座（长方体机械结构）以及4个喷嘴，4个喷嘴分布在长方体4个侧面的中心，喷口方向均朝外；四组冷气推力装置（编号为A、B、C、D)对称且侧向安装在仪表平台中心所在的水平面上，冷气推力装置A位于X轴正半轴，冷气推力装置B位于Y轴正半轴，冷气推力装置C位于X轴负半轴，冷气推力装置D位于Y轴负半轴。

（2）气浮导轨及气浮轴承

气浮轴承5所需要的气体由气瓶6提供，气浮轴承的供气由开关阀以及减压阀等组成（包含在气浮轴承5中），对称安装在水箱外壁上的气瓶6还负责为整个装置底部的气足供气。

气浮轴承嵌入安装在水箱8的水箱盖上，水箱盖内侧埋有气体管路用以连接气瓶与气浮轴承，使气浮导轨能够做无摩擦的上下运动。

气浮导轨上下部分别与仪表平台以及浮箱7固连。

若干根气浮导轨呈等边型对称安装，内部中空并埋有仪表平台与浮箱装置控制单元的通讯线路，能够避免无线信号被金属水箱的屏蔽现象出现。气浮导轨上安装有光栅尺，光栅读数头固定安装在水箱盖上部，读数头读取的位置信号通过无线传输将浮箱当前位置发送到仪表平台通讯模块，并通过通讯管路转发给浮箱内的控制模块完成系统闭环控制。

光栅尺和光栅读数头组成了光栅，用来读取气浮导轨的垂向位置信息。

（3）浮箱

浮箱有两种实现仪表平台重力补偿（重力抵消补偿）的方法：

进一步地，浮箱可以设置为浮箱装置一或浮箱装置二中的一种，其中，

浮箱装置一具体包括：

浮箱装置一由通讯管路21、控制盒22（包括电源模块23以及控制模块24）、粗精调比例阀25、粗精调水泵26、压力传感器27以及对称安装的橡胶球28等组成。通讯管路21为若干根中空管道，数量与气浮导轨相同，安装位置为气浮导轨与浮箱装置一的连接处。其作用为放置数据传输线来接收仪表平台的控制数据。控制盒22固定安装在浮箱装置一底部，其包含电源模块23以及控制模块24（二者之间由机械装置固连），其中电源模块负责浮箱装置一中控制模块24、粗精调比例阀25、粗精调水泵26以及压力传感器27的供电。控制模块24接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀25以及粗精调水泵26使水（或其他液体）排出或进入浮箱装置一；粗精调比例阀25以及粗精调水泵26数量若干，以浮箱装置一底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀25作用为排出浮箱装置一中的水，粗精调水泵26的作用为使水进入浮箱装置一中；橡胶球28对称安装在浮箱装置一两侧，其中为空气，可在实验前对其进行充气，进一步增大浮箱能产生的浮力。整体浮箱装置一的结构如图3所示。

浮箱装置二具体包括：

浮箱装置二主要由通讯管路21、控制盒22（包括电源模块23以及控制模块24）、粗精调比例阀25、粗精调水泵26以及橡胶外壳37等组成。通讯管路21为若干根中空管道，数量与气浮导轨相同，安装位置为气浮导轨与浮箱装置二的连接处。其作用为放置数据传输线来接收仪表平台的控制数据。控制盒22固定安装在浮箱装置二底部，其包含电源模块23以及控制模块24（二者之间由机械装置固连），其中电源模块负责浮箱装置二中控制模块24、粗精调比例阀25、粗精调水泵26以及压力传感器37的供电。控制模块24接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀25以及粗精调水泵26使水（或其他液体）排出或进入浮箱装置二；粗精调比例阀25以及粗精调水泵26数量若干，以浮箱装置二底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀25作用为排出浮箱装置二中的水，粗精调水泵26的作用为使水进入浮箱装置二中；橡胶外壳37顶部和底部为不可伸缩的铝合金板，侧面材料为橡胶，在每次实验前可以通过充气或放气使橡胶外壳伸展或收缩，达到更改浮箱装置二初始浮力的作用。整体浮箱装置二的结构如图4所示。

浮箱装置一和浮箱装置二的区别如下：

浮箱装置一浮箱体积固定，在测量浮箱及上部载荷整体质量后，计算浮力与整体质量的差值并开启粗精调比例阀使得进入水箱内的水的质量与该值相等，随后再根据浮箱状态精细调节进水排水达到实验前重力抵消的目的。其优势为：相比于浮箱装置二，实验准备步骤更少，操作更简单（因为不需要向浮箱内进行充气排气操作）。

浮箱装置二外壳采用橡胶材料，体积可变，在测量浮箱及上部载荷整体质量后，将该值转换为浮箱需要排出的水的体积。其优势为：相比于浮箱装置一，其初始浮力可变（通过向浮箱内充气放气改变橡胶外壳体积实现），在充气到极限位置时的最大浮力值大于浮箱装置一。

浮箱的两种结构上部均与气浮导轨固连，可通过通讯管路接收来自地面的控制信号以及来自光栅的垂向位置信息；浮箱底部对称安装了用来进水的粗精调比例阀25以及用来排水的粗精调水泵26；侧壁每隔一定距离安装的压力传感器用来检测浮箱内水位的高低。装置内部俯视示意图如图5所示，图中，进水的粗精调比例阀25；排水的粗精调水泵26。在实际应用中，所述粗精调比例阀根据所安装管路来选择具体型号即可。

（4）气足

装置整体承载采用平面气浮轴承（也称气足）浮于大理石平台上支撑整个系统做水平面内的二维运动。气源气体经过气浮轴承与平台之间形成气垫，产生的反作用力使整个试验台悬浮起来，达到对航天器在轨失重环境下无摩擦状态模拟的目的。

具体实施方式六、一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真方法，所述方法包括：

步骤一、在加装仪表平台前，对仪表平台及其上载荷进行称重，获取仪表平台及其上载荷的重量，将所述仪表平台及其上载荷的重量减去浮箱、气浮导轨、仪表平台以及靶标的重量后，根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内的初始期望排水体积；

步骤二、加装仪表平台，开启粗精调比例阀以及粗精调水泵，待光栅检测到浮箱的位置在期望位置附近时，关闭粗精调比例阀以及粗精调水泵，此时粗调完成；

步骤三、开启或关闭粗精调比例阀以及粗精调水泵，直到光栅检测到浮箱的位置有小幅变化，使浮箱悬浮在水箱中央位置而不与水箱盖接触，立刻关闭粗精调比例阀。

步骤四、待浮箱稳定后，即可以开始整个装置的三维平动模拟；

步骤五、由于仪表平台的载荷为高压气体，高压气体不断消耗时，通过压强计测量气瓶内气压计算出质量变化后再调节粗精调比例阀或粗精调水泵来将变化的重力卸载。

具体实施方式七，本实施方式是基于如上文所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置的仿真方法的实施例2，具体包括：

浮箱一卸载流程如下：

步骤一：在加装仪表平台前，对仪表平台及其上载荷进行称重，获取仪表平台及其上载荷的重量，将所述仪表平台及其上载荷的重量减去浮箱和气浮导轨等的重量后，根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内水位的粗略起始位置（使用侧壁安装的压力传感器测量得到）；

步骤二：加装仪表平台，此时浮箱仍紧贴于水箱上盖底部；

步骤三：开启粗精调比例阀，水箱内的水在大气压强及本身重力的作用下进入到浮箱内部，并压缩箱内气体，待压力传感器指示水位上升到期望水位附近时，关闭粗精调比例阀；

步骤四：开启粗精调比例阀，直到光栅检测到浮箱的位置有小幅变化，使浮箱悬浮在水箱内部而不与水箱盖接触，立刻关闭粗精调比例阀；

步骤五：开启粗精调水泵，根据浮箱垂向位置、速度等状态，不断调节粗精调水泵以及粗精调比例阀使浮箱在水箱中央位置悬浮；

步骤六：待浮箱稳定后，即可以开始整个装置的三维平动模拟。

步骤七：由于仪表平台的载荷为高压气体，高压气体不断消耗时，通过压强计测量气瓶内气压计算出质量变化后再调节粗精调比例阀或粗精调水泵来将变化的重力卸载。

具体实施方式八，本实施方式是基于如上文所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置的仿真方法的实施例3，具体包括：

浮箱二卸载流程如下：

步骤一：在加装仪表平台前，对仪表平台及其上载荷进行称重，获取仪表平台及其上载荷的重量，将所述仪表平台及其上载荷的重量减去浮箱和气浮导轨等的重量后，将橡胶浮箱充气至期望体积（期望排水体积）；

步骤二：加装仪表平台，开启粗精调比例阀以及粗精调水泵，待光栅检测到浮箱的位置在期望位置附近时，关闭粗精调比例阀以及粗精调水泵，此时粗调完成；

步骤三：并开启粗精调水泵，根据浮箱垂向位置、速度等状态，不断调节粗精调水泵以及粗精调比例阀使浮箱在水箱中央位置悬浮；

步骤四：待浮箱稳定后，即可以开始整个装置的三维平动模拟。

步骤五：由于仪表平台的载荷为高压气体，高压气体不断消耗时，通过压强计测量气瓶内气压计算出质量变化后再调节粗精调比例阀或粗精调水泵来将变化的重力卸载。

为了能够较为精细的调节需要平衡的重力，浮箱的进水和排水均采用粗调（流量大）细调（流量小）组合的方式。在起始配平阶段，采用粗调方式，使得整个装置达到平衡点附近，随后再调节粗精调比例阀使整个装置竖直位置稳定。

综上，设计的粗精调比例阀和粗精调水泵有以下两点主要作用：

在实验开始前，测量载荷重量并人为向浮箱内加水或排水，使得浮箱产生的浮力与浮箱上部载荷的重力完全抵消。对于浮箱装置一，设计水箱尺寸为3m×3m×1.5m，内部浮箱装置一起始中空体积为1.2m×1.2m×0.8m（内部为大气压），则浮箱装置一完全浸入水中时受到的浮力为11520N。设计气浮导轨及仪表平台重力为5000N，则仍可携带500kg左右的有效载荷，即实验前浮箱装置一上部可带载荷质量范围为0~500kg，另外，浮箱装置一周围对称安装了多组橡胶球，在载荷重量大于500kg后，可通过加装橡胶球的办法人为增大浮箱排水体积以增加浮力，因此，在增加气浮球后浮箱装置一的有效载荷可以达到1T左右；而浮箱装置二的初始浮力可以通过实验前向橡胶外壳内充气来增加，有效载荷也可以达到1T左右（水箱尺寸为3.5m×3.5m×1.5m，内部浮箱中空体积为2m×2m×0.8m)，因此该装置具有负载范围大的优点。对于浮箱装置二，由于橡胶浮箱实际产生的浮力与实际需要的浮力存在不可避免地偏差，因此采用粗精调比例阀、粗精调水泵的调节以及光栅的位置反馈来使偏差消除。

在实验进行中，由于仪表平台高压气瓶内气体不断消耗，使得当前所需抵消重量的浮力略大于浮箱等载荷的重力，此时测量高压气瓶内的气体气压并计算出气瓶重量变化，开启粗精调比例阀向浮箱内加水，使得浮箱能够抵消实验过程中载荷的小范围质量变化。

Claims (10)

1.一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，其特征在于，所述仿真装置包括：图像获取装置（1）、靶标（2）、仪表平台（3）、气浮导轨（4）、气浮轴承（5）、水箱气瓶组（6）、浮箱（7）、水箱（8）、气足（9）和平台（10）；

气足（9）通过其产生的气膜悬浮在平台（10）上，气足（9）上端与水箱（8）底部连接；

浮箱（7）完全浸没在水箱（8）内的流体中；

水箱气瓶组（6）对称安装在水箱（8）的外侧；

气浮轴承（5）安装在水箱（8）上壁；

气浮导轨（4）穿过气浮轴承（5）与仪表平台（3）相连，起着连接浮箱（7）及水箱（8）的作用；

仪表平台（3）上安装靶标（2）；

图像获取装置（1）放置在靶标（2）的上方，用于获取靶标（2）的图像信息；图像获取装置（1）通过靶标（2）来获取仪表平台（3）水平面内的位置姿态信息，并通过无线传输将位置姿态信息传输给仪表平台（3）中的控制单元，所述控制单元进行位置姿态控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，其特征在于，浮箱（7）包括箱体（20）、通讯管路（21）、控制盒（22）、粗精调比例阀（25）、粗精调水泵（26）、压力传感器（27）和橡胶球（28）；

通讯管路（21）为若干根中空管道，数量与气浮导轨（4）相同，通讯管路（21）上端安装位置为气浮导轨（4）与箱体（20）的连接处，下端与控制盒（22）顶部固连，管路之间相互平行，用于放置数据传输线；

控制盒（22）固定安装在箱体（20）底部，包括电源模块（23）以及控制模块（24）；

其中，电源模块（23）负责控制模块（24）、粗精调比例阀（25）、粗精调水泵（26）以及压力传感器（27）的供电；

控制模块（24）接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26）使液体排出或进入箱体（20）；

粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26）数量若干，以箱体（20）底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀（25）用于排出箱体（20）中的水，粗精调水泵（26）用于使水进入箱体（20）中；

橡胶球（28）对称安装在箱体（20）两侧，其内部充有气体。

3.根据权利要求1所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，其特征在于，浮箱（7）包括通讯管路（21）、控制盒（22）、粗精调比例阀（25）、粗精调水泵（26）和橡胶外壳（37）；

控制盒（22）包括电源模块（23）以及控制模块（24）；

通讯管路（21）为若干根中空管道，数量与气浮导轨（4）相同，安装位置为气浮导轨与橡胶外壳（37）的连接处，用于放置数据传输线；

控制盒（22）安装在橡胶外壳（37）底部，包括电源模块（23）以及控制模块（24）；

其中，电源模块（23）负责控制模块（24）、粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26）的供电；

控制模块（24）接收上平台重力补偿指令以及光栅的反馈信号，并控制粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26）使液体排出或进入橡胶外壳（37）内部；

粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26）数量若干，以橡胶外壳（37）底部中心为原点呈对称分布，粗精调比例阀（25）用于排出橡胶外壳（37）内部的水，粗精调水泵（26）用于使水进入橡胶外壳（37）中；

橡胶外壳（37）顶部和底部为不可伸缩的铝合金板，侧面材料为橡胶，通过向橡胶外壳（37）内部进行充气或放气，达到改变浮箱（7）初始浮力的作用。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真装置，其特征在于，仪表平台（3）包括冷气推进系统、仪表平台气瓶组、控制单元和通讯模块；

所述通讯模块接收台下指令，所述控制单元控制计算机计算控制量并通过串口发送给驱动板，驱动板控制电磁阀排出气体进而控制整个气浮台进行三维平动；

所述冷气推进系统通过对称安装的多组喷嘴喷出气体，气浮台受到反方向的力和力矩，进而控制气浮台进行三维平动或姿态调整；

所述仪表平台气瓶组作为冷气推进系统的气源，为冷气推进系统提供一定压强的气体；

所述冷气推进系统分布位置具体为：设台体坐标系为O-XYZ，其中坐标系原点位于仪表平台几何中心，坐标轴X、Y夹角为90度且与仪表平台上下端面平行；Z轴与X、Y所构成的平面正交；

冷气推力系统共有4组冷气推力装置，每套冷气推力装置包含安装底座以及4个喷嘴，4个喷嘴分布在长方体4个侧面的中心，喷口方向均朝外；四组冷气推力装置对称且侧向安装在仪表平台中心所在的水平面上，冷气推力装置A位于X轴正半轴，冷气推力装置B位于Y轴正半轴，冷气推力装置C位于X轴负半轴，冷气推力装置D位于Y轴负半轴。

5.一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、在加装仪表平台前，对仪表平台及其上载荷进行称重，获取仪表平台及其上载荷的重量，将该重量减去浮箱、气浮导轨、仪表平台以及靶标的重量后，根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内的初始期望排水体积；

步骤二、加装仪表平台，开启粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26），待光栅检测到浮箱的位置在期望位置附近时，关闭粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26），此时粗调完成；

步骤三、开启或关闭粗精调比例阀（25）以及粗精调水泵（26），直到光栅检测到浮箱的位置有变化，使浮箱悬浮在水箱中央位置而不与水箱盖接触，关闭粗精调比例阀（25）；

步骤四、待浮箱稳定后，即可以开始整个装置的三维平动模拟；

步骤五、由于仪表平台的载荷为高压气体，高压气体不断消耗时，通过压强计测量气瓶内气压计算出质量变化后再调节粗精调比例阀（25）或粗精调水泵（26）来将变化的重力卸载。

6.根据权利要求5所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真方法，其特征在于，步骤一中，所述根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内的初始期望排水体积，包括：根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内水位的起始位置。

7.根据权利要求6所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真方法，其特征在于，步骤二包括：

浮箱仍紧贴于水箱上盖底部时，开启粗精调比例阀（25），水箱内的水在大气压强及本身重力的作用下进入到浮箱内部，并压缩箱内气体，待压力传感器指示水位上升到期望水位附近时，关闭粗精调比例阀（25）；

步骤三包括：

开启粗精调比例阀（25），直到光栅检测到浮箱的位置有变化，使浮箱悬浮在水箱内部而不与水箱盖接触，关闭粗精调比例阀（25）；

开启粗精调水泵（26），根据浮箱垂向位置和速度状态，不断调节粗精调水泵（26）以及粗精调比例阀（25）使浮箱在水箱中央位置悬浮。

8.根据权利要求6所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真方法，其特征在于，步骤一中，所述根据卸载装置内部空间分布计算得到装置内的初始期望排水体积，包括：所述浮箱为橡胶浮箱，将所述橡胶浮箱充气至期望体积。

9.根据权利要求8所述的一种基于气液悬浮技术的卫星全物理仿真方法，其特征在于，步骤三包括：

开启粗精调水泵（26），根据浮箱垂向位置和速度，不断调节粗精调水泵（26）以及粗精调比例阀（25）使浮箱在水箱中央位置悬浮。

10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时执行权利要求5至9中任一项所述的方法的步骤。