双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法，属于航天器地面仿真技术领域。该装置包括单轴气浮平台和同轴多自由度目标运动模拟器。单轴气浮平台用于模拟任务卫星本体，其上设置目标探测器和卫星GNC系统，由卫星GNC系统控制气浮平台实现任务卫星的指向和姿态运动。同轴多自由度目标运动模拟器用于模拟目标卫星在两星交会区域内的运动和外部特征，其包括目标卫星姿轨计算系统、多自由度伺服机构和目标特性模拟器。本发明专利技术利用自成一体的闭环反馈控制系统能更加接近于真实太空环境中的双星情况，还通过倾斜臂或拱形臂设置，使目标卫星更接近于真实卫星运动轨迹，且更利于仰角效果模拟，模拟自由度大，模拟运动范围广，精度高。精度高。精度高。

【技术实现步骤摘要】
双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法


[0001]本专利技术涉及航天器地面仿真
，特别是涉及一种双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法。

技术介绍

[0002]空间双星的跟踪指向仿真仍是当下的一个研究热点。由于空间飞行器远离地面，工作环境特殊，无法在地面进行实机验证。当前国内已有的方法主要集中在数字仿真和半实物仿真领域，存在难以精确复现现实空间中的工作环境，存在精度低的缺陷。
[0003]现有技术CN202111018334.8，名称为一种空间双星高精度跟踪指向演练装置与方法，虽然公开了一种全物理仿真装置及方法，但该装置中由于目标星模拟装置只能在竖直臂的竖直面内作周向和上下运动，仍存在无法真实模拟不同轨道上的双星在轨道交会区域内的高速交会运动，以及很难实现仰角效果的模拟。还有，该方法中仍是依靠外部装置提供的信息进行目标星的跟踪，与真实环境中的卫星工作状态还是具有较大差别。
[0004]针对分布式的模拟装置，现有同步装置多利用有线总线连接或GPS信号完成同步功能，但是有线总线连接方式多为周期性校时，对于航天器仿真装置中的气浮台，只能在实验开始前进行有线校时，因此该有线总线连接的同步方式无法用于航天器仿真装置中；而航天器仿真装置的仿真过程需要在微波暗室中进行，因此也无法采用GPS信号进行同步校时。
[0005]由此可见，上述现有的航天器运动模拟装置仍存在模拟自由度不足、模拟运动范围小、仿真性和同步性不足的问题。本申请就是在此基础上，创设的一种新的双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法，使其通过对竖直臂的改进，提升模拟自由度，增加模拟运动范围，且通过闭环反馈控制系统，达到接近真实太空环境中的双星高速交会运动模拟，仿真性和精度大大提高，更利于空间双星的跟踪指向仿真。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是提供一种双星高速交会运动时空同步模拟装置，使其通过对竖直臂的改进，提升模拟自由度，增加模拟运动范围，且通过闭环反馈控制系统，达到接近真实太空环境中的双星高速交会运动模拟，仿真性和精度大大提高，更利于空间双星的跟踪指向仿真，从而克服现有的双星跟踪模拟装置的不足。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种双星高速交会运动时空同步模拟装置，包括单轴气浮平台和同轴多自由度目标运动模拟器；所述单轴气浮平台，用于模拟任务卫星本体，其上用于设置目标探测器和卫星GNC系统，所述目标探测器用于接收所述同轴多自由度目标运动模拟器中目标特性模拟器发出的光学特性信号，并自行解算出与目标卫星的相对位置后，将解算结果反馈至所述卫星GNC系统，所述卫星GNC系统用于根据解算结果控制所述单轴气浮平台实现跟踪目标卫星的指向和姿态运动；
所述同轴多自由度目标运动模拟器，用于模拟与任务卫星相交轨道上的目标卫星在两星高速交会区域内的运动和外部特征，其包括目标卫星姿轨计算系统、多自由度伺服机构和目标特性模拟器；所述目标卫星姿轨计算系统用于根据目标卫星和任务卫星的实际轨道参数完成目标卫星轨道和姿态的解算，并将解算结果发送至所述多自由度伺服机构和目标特性模拟器，所述目标特性模拟器用于根据所述目标卫星姿轨计算系统发送的解算结果完成目标卫星的光学特性模拟，且所述目标特性模拟器设置在所述多自由度伺服机构上，所述多自由度伺服机构用于根据所述目标卫星姿轨计算系统发送的解算结果带动所述目标特性模拟器运动，实现对目标卫星的运动模拟，使所述目标特性模拟器和单轴气浮平台的相对位置符合实际卫星间的相对位置。
[0008]进一步改进，所述多自由度伺服机构包括基座和设置在其上部的同轴回转台，所述同轴回转台设置在所述单轴气浮平台外周且与其同轴设置，所述同轴回转台通过轴承与所述基座连接，并通过驱动电机带动轴承外转子旋转实现其围绕所述单轴气浮平台的转动；所述同轴回转台的一侧设有其上端向所述单轴气浮平台上方倾斜的倾斜臂，所述倾斜臂上设有直线滑轨，所述直线滑轨内部设有滑动台，所述滑动台上固定有单轴目标模拟台，所述目标特性模拟器设置在所述单轴目标模拟台上，由所述滑动台带动其沿所述直线滑轨做直线运动，所述单轴目标模拟台用于保证所述目标特性模拟器始终指向所述目标探测器，所述同轴回转台的另一侧设有配重块。
[0009]进一步改进，所述倾斜臂采用可调节旋转臂，由回转驱动机构驱动其旋转实现倾斜角度的调整；或者所述倾斜臂设置为从所述同轴回转台的一侧延伸至另一侧的拱形臂，所述拱形臂内部设有弧形导轨，所述弧形导轨内部设有由皮带传动机构带动的所述滑动台。
[0010]进一步改进，还包括安装矩阵激光校准系统，所述安装矩阵激光校准系统包括激光坐标测量仪和分别安装在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜，所述激光坐标测量仪用于通过设置在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜实现所述卫星GNC系统、目标探测器相对于所述单轴气浮平台的安装矩阵测量，以完成对所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间的坐标转换，提高所述卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和所述目标探测器的探测指向精度。
[0011]进一步改进，还包括台上台下同步系统，所述台上台下同步系统包括同步时钟主板卡和若干同步时钟从板卡，其中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述单轴气浮平台上的工控机中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述同轴多自由度目标运动模拟器的工控机中，所述同步时钟主板卡安装在台下数据采集工控机中，与所述同步时钟从板卡通过有线、无线或激光方式实现时间同步校准；所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡中均设有恒温晶振计时模块，用于在仿真实验过程中主板卡和从板卡断开后的各板卡完成自守时同步。
[0012]进一步改进，所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过有线方式连接时，利用线缆实现同步信号的传输，且有线连接方式采用主从树型拓扑结构或主从链式拓扑结构；或者，所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过无线方式连接时，利用UWB无线通信
模块实现同步信号的传输；或者，所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过激光方式连接时，利用激光器和光电感应装置实现同步信号的传输，其中所述激光器与所述同步时钟主板卡连接，并由其激发实现激光发射，所述光电感应装置设置在所述单轴气浮平台上，且与其上设置的所述同步时钟从板卡连接，用于感应接收所述激光器发射的激光，所述同步时钟从板卡根据接收激光的时间与主板卡的激发时间之差完成时间同步校准。
[0013]作为本专利技术的又一改进，本专利技术还提供一种双星高速交会运动时空同步模拟方法，所述方法由上述的双星高速交会运动时空同步模拟装置完成，包括以下步骤：（1）根据预模拟的目标卫星和任务卫星的轨道参数，通过所述目标卫星姿轨计算系统进行目标卫星轨道和姿态的解算，将解算结果发送至所述多自由度伺服机构和目标特性模拟器；所述多自由度伺服机构根据解算结果带动所述目标特性模拟器运动，实现对目标卫星的运动模拟，使所述目标特性模拟器和单轴气浮平台的相对位置符合实际卫星间的相对位置；所述目标特性模拟器根据解算结果实时、动态的完成目标卫星本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，包括单轴气浮平台和同轴多自由度目标运动模拟器；所述单轴气浮平台，用于模拟任务卫星本体，其上用于设置目标探测器和卫星GNC系统，所述目标探测器用于接收所述同轴多自由度目标运动模拟器中目标特性模拟器发出的光学特性信号，并自行解算出与目标卫星的相对位置后，将解算结果反馈至所述卫星GNC系统，所述卫星GNC系统用于根据解算结果控制所述单轴气浮平台实现跟踪目标卫星的指向和姿态运动；所述同轴多自由度目标运动模拟器，用于模拟与任务卫星相交轨道上的目标卫星在两星高速交会区域内的运动和外部特征，其包括目标卫星姿轨计算系统、多自由度伺服机构和目标特性模拟器；所述目标卫星姿轨计算系统用于根据目标卫星和任务卫星的实际轨道参数完成目标卫星轨道和姿态的解算，并将解算结果发送至所述多自由度伺服机构和目标特性模拟器，所述目标特性模拟器用于根据所述目标卫星姿轨计算系统发送的解算结果完成目标卫星的光学特性模拟，且所述目标特性模拟器设置在所述多自由度伺服机构上，所述多自由度伺服机构用于根据所述目标卫星姿轨计算系统发送的解算结果带动所述目标特性模拟器运动，实现对目标卫星的运动模拟，使所述目标特性模拟器和单轴气浮平台的相对位置符合实际卫星间的相对位置。2.根据权利要求1所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，所述多自由度伺服机构包括基座和设置在其上部的同轴回转台，所述同轴回转台设置在所述单轴气浮平台外周且与其同轴设置，所述同轴回转台通过轴承与所述基座连接，并通过驱动电机带动轴承外转子旋转实现其围绕所述单轴气浮平台的转动；所述同轴回转台的一侧设有其上端向所述单轴气浮平台上方倾斜的倾斜臂，所述倾斜臂上设有直线滑轨，所述直线滑轨内部设有滑动台，所述滑动台上固定有单轴目标模拟台，所述目标特性模拟器设置在所述单轴目标模拟台上，由所述滑动台带动其沿所述直线滑轨做直线运动，所述单轴目标模拟台用于保证所述目标特性模拟器始终指向所述目标探测器，所述同轴回转台的另一侧设有配重块。3.根据权利要求2所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，所述倾斜臂采用可调节旋转臂，由回转驱动机构驱动其旋转实现倾斜角度的调整；或者所述倾斜臂设置为从所述同轴回转台的一侧延伸至另一侧的拱形臂，所述拱形臂内部设有弧形导轨，所述弧形导轨内部设有由皮带传动机构带动的所述滑动台。4.根据权利要求1至3任一项所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，还包括安装矩阵激光校准系统，所述安装矩阵激光校准系统包括激光坐标测量仪和分别安装在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜，所述激光坐标测量仪用于通过设置在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜实现所述卫星GNC系统、目标探测器相对于所述单轴气浮平台的安装矩阵测量，以完成对所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间的坐标转换，提高所述卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和所述目标探测器的探测指向精度。5.根据权利要求1至3任一项所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，还包括台上台下同步系统，所述台上台下同步系统包括同步时钟主板卡和若干同步时钟从板卡，其中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述单轴气浮平台上的工控机中，至
少一个所述同步时钟从板卡设置在所述同轴多自由度目标运动模拟器的工控机中，所述同步时钟主板卡安装在台下数据采集工控机中，与所述同步时钟从板卡通过有线、无线或激光方式实现时间同步校准；所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡中均设有恒温晶振计时模块，用于在仿真实验过程中主板卡和从板卡断开后的各板卡完成自守时同步。6.根据权利要求5所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过有线方式连接时，利用线缆实现同步信号的传输，且有线连接方式采用主从树型...

【专利技术属性】
技术研发人员：王常虹，徐珂雨，马广程，夏红伟，马长波，温奇咏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
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