[发明专利]用于在轨服务技术验证的模拟服务星

说明书

技术领域

本发明涉及空间机器人领域，具体说涉及一种用于在轨服务技术验证的模拟服务星。

背景技术

空间在轨服务技术是当今国际上航天技术的研究热点，也是“十三五”国家战略百大工程项目之一，但是直接开展在轨实验需要耗费大量人力物力，而且存在较高风险，因此需要充分开展空间在轨服务地面模拟实验。模拟服务星设计是实现地面在轨服务技术模拟的重要环节。

目前用于在轨服务技术地面模拟根据微重力模拟方式不同可以分为基于自由落体运动的微重力模拟系统、基于抛物线飞行的微重力模拟系统、水浮实验系统、吊丝配重实验系统和平面气浮式实验系统几种。其中平面气浮式实验系统的实验时间不受限制，可靠性及鲁棒性高，以及对实验件的结构没有太多限制，是目前使用最广泛的空间操作地面模拟方式。

目前公开报导的平面气浮式模拟服务星有的模拟服务星没有集成机械臂，不能模拟空间机械臂的在轨操作；有的仅对机械臂进行重力消除，卫星本体仍然固定，不能模拟卫星和机械臂之间的耦合运动；有的模拟服务星集成了机械臂但是需要外接供电电缆，这会严重干扰模拟服务星的运动而影响实验效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于在轨服务技术验证的模拟服务星。

本发明的技术方案是：

一种用于在轨服务技术验证的模拟服务星，包括通信子系统、姿轨控制子系统、操作机构子系统、推进子系统以及电源子系统。

所述通信子系统利用无线通信模块通过无线路由器实现姿轨控制子系统和地面控制站之间的通信，用于模拟在轨天地无线通信链路。

所述操作机构子系统在中央处理单元的控制下用于完成模拟在轨操作任务。

所述推进子系统在中央处理单元的控制下实现控制模拟服务星的水平运动和旋转运动，使模拟服务星按期望运动完成与目标航天器交会对接。

所述电源子系统为模拟服务星的各用电设备提供工作电源。

所述姿轨控制子系统包括相对位姿测量单元和中央处理单元，在模拟服务星逼近目标航天器的过程中，相对位姿测量单元对目标航天器的靶标进行检测，检测得到的图像输给中央处理单元，然后中央处理单元对检测得到的图像进行处理，并解算得到相对位姿，中央处理单元通过控制算法生成推进子系统的控制指令，控制模拟服务星按期望运动完成与目标航天器交会对接；模拟服务星与目标航天器完成交会对接后，中央处理单元控制操作机构子系统对目标航天器自主模拟在轨操作；在交会对接和操作过程中，模拟服务星的状态信息通过无线通信模块送到地面控制站进行显示；地面控制站能够实时发送控制指令，控制模拟服务星的运动以及控制操作机构子系统的运动来完成模拟在轨操作任务。其中模拟服务星的状态信息包括模拟服务星相对目标星的位置、速度、姿态、角速度，以及机械臂的关节角等等。

进一步地，本发明还包括模拟服务星舱体，模拟服务星舱体用于安装和承载模拟服务星的各组成设备。模拟服务星舱体内部采用两层框架结构，可以充分利用内部空间。模拟服务星舱体内设置有储气装置。本发明中储气装置为多个相连通的用于储存空气的储气罐。储气装置连接有两条带有减压阀和截止阀的管路，其中一条管路通过气足34将储气装置内的压缩空气喷出进而将模拟服务星悬浮在气浮平台上，模拟微重力环境。模拟服务星舱体上设置有对接杆和电磁单元，模拟服务星与目标航天器交会对接过程中，对接杆插入目标航天器的对接锥中，然后电磁单元产生吸力和目标航天器的吸合装置锁紧，实现模拟服务星和目标航天器有效连接。

进一步地，本发明所述推进子系统包括飞轮、电磁阀、电磁阀控制器、储气装置和喷管，所述飞轮能够提供力矩，用于控制模拟服务星的旋转运动；所述储气装置上连接的另一条管路连接喷管，且储气装置与喷管之间的管路上连接有电磁阀，储气装置中的气体通过电磁阀从喷管喷出产生推力从而控制模拟服务星的水平运动，所述电磁阀控制器用于控制电磁阀的打开和关闭，喷管和飞轮协作完成模拟服务星的运动控制。

定义一个固连在模拟服务星上的本体坐标系，其中+X方向指向模拟服务星的前进方向，+Z方向竖直向上，+Y方向满足右手法则。进一步地，本发明储气装置上用于连接喷管的管路分为6条支路，6条支路上均连接有电磁阀和喷管组合，即本发明总共布置有6个电磁阀和喷管组合。在+/-X方向各分布有两个电磁阀和喷管组合，在+/-Y方向各一个电磁阀和喷管组合，这个布局可以用最少的电磁阀和喷管组合提供推力和力矩。