[发明专利]八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天技术领域，更具体的说，涉及一种八杆连接式非接触卫星平台的载荷位置和姿态调节装置与方法。

背景技术

传统平台与载荷刚性连接的一体化构型卫星高精度姿态控制主要是基于动量交换装置实现，典型代表如飞轮，其具有对卫星质心运动不产生干扰等优点，但飞轮高速旋转对支承要求很高，同时其不平衡引起的振动尤为明显，严重影响卫星光轴指向精度及稳定度，是高分成像发展的主要制约因素之一。

目前，针对卫星飞轮等旋转部件振动抑制进行了大量研究，主要有被动和主动两种隔振形式，各有优劣。被动隔振结构简单，稳定可靠，且不需额外提供能源及测量装置，但低频抑制效果较差；主动隔振理论上有更好的性能，但控制系统复杂，稳定性差，且具有水床效应，放大了低频响应。

基于主被动形式的接触型隔振系统性能提升难度大，且潜力有限。鉴于此，国外发展了一种非接触卫星平台构型，利用音圈电机形成六杆Stewart平台，线圈通电时，与永久磁铁产生磁悬浮效应，在可隔离平台干扰情况下，实现载荷的三轴姿态控制，但其各方向姿态控制耦合严重，需要求解复杂的雅克比矩阵，且当雅克比矩阵奇异时，导致无解，极大增加了航天器姿态控制系统的复杂性，实际应用困难。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种八杆连接式非接触卫星平台的载荷位置和姿态调节装置及方法，通过本载荷位姿调节装置和方法，可以实现载荷六自由度高精度指向控制。可以应用于甚高精度遥感卫星、深空探测天文望远镜等。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种八杆连接式非接触卫星平台载荷位姿调节装置，主要包括两组力执行器单元；一组为竖直安装力执行器单元，其由4个相同的竖直安装力执行器A1、A2、A3和A4组成；一组为水平安装力执行器单元，其由4个相同的水平安装力执行器B1、B2、B3和B4组成。

所述力执行器是指通过静电力或电磁力等形式实现直线伸缩运动的一种部件，如永磁直线电机等。

设置三维直角坐标系OXYZ，该坐标系三个坐标轴OX、OY、OZ分别与卫星平台机械坐标系平行。

所有力执行器均布置在服务舱与载荷舱之间，并通过螺栓将两者连成一体，上述三维直角坐标系OXYZ的原点位于载荷舱质心。其中，4个竖直安装力执行器布置在服务舱主传力路径上，相对于坐标轴OZ呈对称排列，且成对布置在面OXZ或面OYZ的两侧；4个水平安装力执行器相对于坐标轴OZ呈90°的圆周排列，均布置在坐标轴OX和坐标轴OY在服务舱力执行器安装面的投影上，且与竖直安装力执行器呈相互交错布置。8个力执行器整体为正交布置，竖直安装力执行器之间相互平行；水平安装力执行器相邻垂直，相隔平行；竖直安装力执行器与水平安装力执行器之间相互垂直。

通过控制上述力执行器的伸缩运动组合，可以实现八杆连接式非接触卫星平台载荷的平动和转动六自由度位姿调节。

基于载荷平动和转动六自由度运动需求，竖直安装力执行器A1、A2、A3和A4可成对布置在面OYZ的两侧，其伸缩运动方向与坐标轴OZ平行；水平安装力执行器B1和B3可布置在坐标轴OX在服务舱力执行器安装面的投影上，其伸缩运动方向与坐标轴OY平行；水平安装力执行器B2和B4可布置在坐标轴OY在服务舱力执行器安装面的投影上，其伸缩运动方向与坐标轴OX平行。

基于上述布置方法，载荷沿坐标轴OX方向的平动可由竖直安装力执行器A1、A2、A3、A4和水平安装力执行器B2、B4组合运动实现。此时，要求水平安装力执行器B2、B4产生方向相同的输出力，且要求水平安装力执行器B2、B4输出力引起的绕坐标轴OZ的力矩代数和为零；同时要求竖直安装力执行器A1、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩与水平安装力执行器B2、B4的输出力引起的绕坐标轴OY的力矩的代数和为零；同时要求竖直安装力执行器A1、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩代数和为零。

基于上述布置方法，载荷沿轴坐标OY方向的平动可由竖直安装力执行器A1、A2、A3、A4和水平安装力执行器B1、B3组合运动实现。此时，要求水平安装力执行器B1、B3产生方向相同的输出力，且要求水平安装力执行器B1、B3输出力引起的绕坐标轴OZ的力矩代数和为零；同时要求竖直安装力执行器A1、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OX的力矩与水平安装力执行器B1、B3的输出力引起的绕坐标轴OX的力矩的代数和为零；同时要求竖直安装力执行器A1、A2、A3、A4的输出力产生的绕坐标轴OY的力矩代数和为零。