本發(fā)明涉及雙超衛(wèi)星領(lǐng)域，具體地，涉及雙五自由度氣浮主從式非接觸雙超衛(wèi)星地面原理驗(yàn)證系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

主從式非接觸雙超衛(wèi)星平臺(tái)打破傳統(tǒng)衛(wèi)星載荷艙與平臺(tái)艙固連設(shè)計(jì)思路，采用“動(dòng)靜隔離非接觸、主從解耦高精度”的全新設(shè)計(jì)方法，使得載荷指向與穩(wěn)定度不再依靠平臺(tái)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過平臺(tái)艙與載荷艙動(dòng)靜隔離，從物理上隔離平臺(tái)艙的微振動(dòng)干擾，可從根本上解決載荷指向精度與穩(wěn)定度難以大幅提升的重大難題。

與目前傳統(tǒng)方法相比，主從式非接觸雙超衛(wèi)星平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：1)雙超性能：主從式非接觸雙超衛(wèi)星平臺(tái)以空間上動(dòng)靜隔離，控制上主從協(xié)同的全新思想和方法，采用完全位姿解耦構(gòu)型和滑模層控制思想，利用高精度、高帶寬非接觸磁浮機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)指向精度優(yōu)于5×10^-4度、姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于5×10^-6度/秒的超高精度，徹底解決雙超技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了載荷姿態(tài)的完全可測(cè)可控。2)全頻帶隔振：主從式非接觸雙超衛(wèi)星平臺(tái)兩艙通過磁浮機(jī)構(gòu)非接觸連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜隔離，直接隔斷平臺(tái)艙活動(dòng)和撓性部件向載荷艙的微振動(dòng)傳遞，有效保障載荷的超精超穩(wěn)工作狀態(tài)，從而達(dá)到全頻帶隔振的效果，極大降低了對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的帶寬需求。3)隔離平臺(tái)熱變形：相比傳統(tǒng)固連設(shè)計(jì)，主從式非接觸雙超衛(wèi)星平臺(tái)兩艙空間隔離，有效避免了平臺(tái)熱變形對(duì)載荷指向的影響。此外，雙超衛(wèi)星還具有簡(jiǎn)單易行、安全可靠、冗余度高、質(zhì)量小功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種雙五自由度氣浮主從式非接觸雙超衛(wèi)星地面原理驗(yàn)證系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種雙五自由度氣浮主從式非接觸雙超衛(wèi)星地面原理驗(yàn)證系統(tǒng)，包括主從式非接觸雙超衛(wèi)星，還包括多組采用主動(dòng)氣浮方式的氣浮單元；

每組氣浮單元包括平面氣浮裝置和球面氣浮裝置，其中，球面氣浮裝置設(shè)置在平面氣浮裝置的頂部；

主從式非接觸雙超衛(wèi)星的載荷艙由一組氣浮單元支撐在地面上，主從式非接觸雙超衛(wèi)星的平臺(tái)艙由另一組氣浮單元支撐在地面上。

優(yōu)選地，球面氣浮裝置包括球面軸承、球面軸承座、氣罐；

球面軸承與球面軸承座配合設(shè)置；

球面軸承設(shè)置在載荷艙的底部或者平臺(tái)艙的底部；

球面軸承座設(shè)置有噴氣通道和噴氣口，噴氣口通過噴氣通道連通氣罐的輸出口；

噴氣口位于球面軸承座相對(duì)球面軸承的面上。

優(yōu)選地，平面氣浮裝置包括氣足板、氣罐；

氣足板設(shè)置有噴氣通道和噴氣口，噴氣口通過噴氣通道連通氣罐的輸出口；

噴氣口位于氣足板的底面。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明采用氣浮方式模擬空間失重環(huán)境，可以應(yīng)用于在地面上驗(yàn)證主從式非接觸雙超衛(wèi)星所采用“動(dòng)靜隔離非接觸、主從解耦高精度”的全新設(shè)計(jì)方法的可行性以及在三維轉(zhuǎn)動(dòng)和兩維平動(dòng)方向上姿態(tài)控制性能評(píng)估。主從式非接觸雙超衛(wèi)星平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)載荷指向精度、穩(wěn)定度分別高達(dá)10^-4度、10^-6度/秒的雙超控制，可應(yīng)用于高分遙感、高精度編隊(duì)、高性能激光通信、深空探測(cè)等領(lǐng)域。

本發(fā)明構(gòu)型上采用兩艙五自由度主動(dòng)氣浮，兩艙通過非接觸磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜隔離，控制上采用載荷艙為主，平臺(tái)艙跟蹤載荷艙從動(dòng)控制以及兩艙相對(duì)位置控制保證兩艙不相碰撞且不分離過遠(yuǎn)，從而達(dá)到從兩艙三維轉(zhuǎn)動(dòng)、兩維平動(dòng)這五個(gè)自由度驗(yàn)證主從式非接觸雙超衛(wèi)星的原理可行性及姿態(tài)控制性能潛力評(píng)估的目的。

球面氣浮裝置依靠氣罐內(nèi)的壓縮氣體在球面軸承、球面軸承座之間形成的氣膜，使艙體浮起，從而實(shí)現(xiàn)近似無(wú)摩擦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件，以模擬艙體在外層空間所受干擾力矩很小的力學(xué)環(huán)境，兩艙的兩維平動(dòng)通過采用四個(gè)或多個(gè)平面氣浮軸承將艙體浮起。

載荷艙、平臺(tái)艙這兩艙通過非接觸磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜隔離，實(shí)現(xiàn)兩艙在X、Y、Z軸方向上的小角度姿態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)，以及X軸和Y軸方向上的平動(dòng)，可驗(yàn)證除重力方向上的其他五個(gè)方向上的雙超衛(wèi)星設(shè)計(jì)原理以及評(píng)估姿態(tài)控制潛力，兩艙之間的動(dòng)靜隔離利用電磁力或靜電力方式實(shí)現(xiàn)。載荷艙以及平臺(tái)艙均通過平面氣浮裝置在光滑的大理石平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)二維平動(dòng)，并通過球面氣浮裝置球面軸承實(shí)現(xiàn)三維轉(zhuǎn)動(dòng)。

地面試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行原理性驗(yàn)證時(shí)，首先需要對(duì)雙超衛(wèi)星原理樣機(jī)進(jìn)行質(zhì)量特性調(diào)整，使其水平方向質(zhì)心調(diào)節(jié)精度達(dá)0.1gf·cm，具體實(shí)施過程分為質(zhì)心預(yù)調(diào)節(jié)、手動(dòng)粗調(diào)平和自動(dòng)精調(diào)平。其中手動(dòng)粗調(diào)平利用不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊，自動(dòng)精調(diào)平采用測(cè)量精度高達(dá)1μm的高精度定位臺(tái)實(shí)現(xiàn)。通過本發(fā)明提供的系統(tǒng)可驗(yàn)證兩艙三維轉(zhuǎn)動(dòng)和兩維平動(dòng)的控制，可以在除重力方向上多個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證主從式非接觸雙超控制。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為雙五自由度氣浮主從式非接觸雙超衛(wèi)星地面原理驗(yàn)證系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

雙超衛(wèi)星是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)理念，需要通過地面試驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)原理的可行性。與目前傳統(tǒng)方法相比，雙五自由度氣浮主從式非接觸雙超衛(wèi)星地面原理驗(yàn)證系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1)符合“動(dòng)靜隔離非接觸，主從協(xié)同高精度”的雙超衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念；2)控制通道更多，通過五自由度的載荷艙主動(dòng)氣浮、五自由度的平臺(tái)艙主動(dòng)氣浮，通過磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜隔離非接觸；載荷艙為主，平臺(tái)艙跟隨載荷艙從動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)在三維轉(zhuǎn)動(dòng)、兩維平動(dòng)方向上的主從協(xié)同高精度控制；3)采用氣浮方式模擬空間失重環(huán)境技術(shù)成熟可靠，容易實(shí)現(xiàn)。

主從式非接觸雙超衛(wèi)星主要由載荷艙和平臺(tái)艙組成，載荷艙安裝有效載荷、光纖陀螺、星敏感器、磁浮機(jī)構(gòu)定子等安靜部件，平臺(tái)艙安裝有太陽(yáng)帆板及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、飛輪、推力器、貯箱、天線、磁浮機(jī)構(gòu)動(dòng)子等活動(dòng)部件。載荷艙和平臺(tái)艙之間通過非接觸磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜隔離。

如圖1所示，雙五自由度氣浮主從式非接觸雙超衛(wèi)星地面原理驗(yàn)證系統(tǒng)主要由五自由度主動(dòng)氣浮的載荷艙1、平臺(tái)艙2、非接觸磁浮機(jī)構(gòu)3組成。載荷艙1設(shè)置有激光角位置傳感器12、光纖陀螺13、第一磁浮機(jī)構(gòu)磁鐵31以及載荷艙姿態(tài)控制單元15這些安靜部件。平臺(tái)艙2由通用的衛(wèi)星模塊組成，設(shè)置有第二磁浮機(jī)構(gòu)磁鐵32、太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)23、外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)、太陽(yáng)電池陣24等撓性附件以及平臺(tái)艙姿態(tài)控制單元25，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括推力器21、飛輪22這些活動(dòng)部件。載荷艙、平臺(tái)艙各通過五自由度氣浮臺(tái)主動(dòng)氣浮在光滑的大理石平臺(tái)上。載荷艙1的上方設(shè)置有鏡子500。

載荷艙姿態(tài)控制回路：激光角位置傳感器12、光纖陀螺13等姿態(tài)敏感器提供載荷艙1的姿態(tài)角、姿態(tài)角速度等信息，并反饋至載荷艙姿態(tài)控制單元15，載荷艙姿態(tài)控制單元15根據(jù)載荷艙姿態(tài)信息產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作指令，通入磁浮機(jī)構(gòu)線圈相應(yīng)的電流值，驅(qū)動(dòng)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)3產(chǎn)生控制力矩，控制載荷艙1達(dá)到預(yù)期的姿態(tài)指向精度和穩(wěn)定度。

平臺(tái)艙相對(duì)姿態(tài)控制回路：非接觸磁浮機(jī)構(gòu)3上的距離測(cè)量裝置檢測(cè)兩艙相對(duì)位置和相對(duì)速度，解算兩艙相對(duì)姿態(tài)角和相對(duì)姿態(tài)角速度信息，反饋至平臺(tái)艙姿態(tài)控制單元25，平臺(tái)艙姿態(tài)控制單元25根據(jù)兩艙相對(duì)姿態(tài)信息解算出姿態(tài)控制指令并驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩，控制平臺(tái)艙2的姿態(tài)在預(yù)定的精度內(nèi)跟隨載荷艙1的運(yùn)動(dòng)。

平臺(tái)艙相對(duì)位置控制回路：非接觸磁浮機(jī)構(gòu)3上的距離測(cè)量裝置檢測(cè)兩艙相對(duì)位置和相對(duì)速度信息，并反饋給平臺(tái)艙姿態(tài)控制單元25，平臺(tái)艙姿態(tài)控制單元25解算出位置控制指令并驅(qū)動(dòng)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)3使其產(chǎn)生位置控制力，控制平臺(tái)艙2與載荷艙1的相對(duì)位置保持在預(yù)期的閾值內(nèi)。

具體地，根據(jù)本發(fā)明提供的一種雙五自由度氣浮主從式非接觸雙超衛(wèi)星地面原理驗(yàn)證系統(tǒng)，包括主從式非接觸雙超衛(wèi)星，還包括多組采用主動(dòng)氣浮方式的氣浮單元；每組氣浮單元包括平面氣浮裝置和球面氣浮裝置，其中，球面氣浮裝置設(shè)置在平面氣浮裝置的頂部；主從式非接觸雙超衛(wèi)星的載荷艙由一組氣浮單元支撐在地面上，主從式非接觸雙超衛(wèi)星的平臺(tái)艙由另一組氣浮單元支撐在地面上。

球面氣浮裝置包括球面軸承100、球面軸承座200、氣罐；球面軸承與球面軸承座配合設(shè)置；球面軸承設(shè)置在載荷艙的底部或者平臺(tái)艙的底部；球面軸承座設(shè)置有噴氣通道和噴氣口，噴氣口通過噴氣通道連通氣罐的輸出口；噴氣口位于球面軸承座相對(duì)球面軸承的面上。

平面氣浮裝置包括氣足板300、氣罐；氣足板設(shè)置有噴氣通道和噴氣口，噴氣口通過噴氣通道連通氣罐的輸出口；噴氣口位于氣足板的底面。氣足板300的噴氣口噴出高壓氣體形成氣足400。

本發(fā)明采用平面氣浮和球面氣浮的主動(dòng)氣浮方式，通過磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)艙與載荷艙動(dòng)靜隔離，采用載荷艙主動(dòng)控制，平臺(tái)艙跟隨從動(dòng)控制，可以從兩艙三維轉(zhuǎn)動(dòng)、兩維平動(dòng)這五個(gè)自由度驗(yàn)證主從式非接觸雙超衛(wèi)星的可行性及其姿態(tài)控制性能潛力評(píng)估。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。