[发明专利]充液航天器姿态动力学全物理仿真试验系统及方法

权利要求书

1.充液航天器姿态动力学全物理仿真试验系统，其特征在于，包括一套液体晃动力矩模拟系统，该液体晃动力矩模拟系统依靠自身组件即可独立运行，能够对气浮台体施加模拟液体晃动的干扰力矩，包括：

由多个单框架控制力矩陀螺组成的液体晃动力矩生成器，该力矩生成器安装在气浮台台体上，与三轴气浮台进行角动量交换，用于模拟液体晃动对卫星姿态产生干扰；

用于力矩计算和遥测数据转发的液体晃动计算通信模块；

用于系统状态监视和参数上注的地面监控模块；

用于控制力矩陀螺组和计算通信模块供电的电源模块。

2.如权利要求1所述的充液航天器姿态动力学全物理仿真系统，其特征在于，所述的力矩生成器采用多个单框架控制力矩陀螺组成金字塔构型，控制力矩陀螺的框架轴分别位于金字塔的侧面，并与塔面底线垂直。

3.如权利要求1所述的充液航天器姿态动力学全物理仿真系统，其特征在于，所述计算通信模块安装在气浮台台体上，用于实时计算液体晃动的干扰力矩，并将控制指令发送给控制力矩陀螺组，以及将陀螺组的遥测数据通过无线方式下传至台下的监控模块。

4.如权利要求1所述的充液航天器姿态动力学全物理仿真系统，其特征在于，所述的地面监控模块放置在气浮台附近的地面，用于接收台上发来的遥测数据，并进行所述仿真系统的状态监控和液体晃动的液面动画显示；

所述的电源模块安装在气浮台台体上，具备充放电和控制供电功能，在试验过程中用于控制力矩陀螺组和计算通信模块的供电。

5.一种充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用三轴气浮台模拟航天器在轨微重力、三轴自由转动动力学环境；

步骤2、采用冷气推进系统为三轴气浮台提供喷气控制力矩，模拟航天器变轨控制期间的喷气姿态控制；

步骤3、采用液体晃动力矩模拟器模拟航天器液体晃动干扰力矩；

步骤4、采用激光跟踪仪和激光陀螺仪分析液体晃动对航天器姿态动力学的影响。

6.如权利要求5所述的一种充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法，其特征在于，采用冷气推进系统和液体晃动力矩模拟器共同模拟充液航天器喷气控制时的姿态动力学过程，所述冷气推进系统仅提供姿态控制力矩，不产生液体晃动力矩；所述液体晃动力矩模拟器仅输出液体晃动干扰力矩，不模拟液体的质心位置变化，避免引入了额外重力干扰力矩。

7.如权利要求5所述的一种充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法，其特征在于，所述步骤3中的液体晃动力矩模拟器安装在三轴气浮台上，采用角动量交换方式产生力矩，通过液体晃动力矩模拟器的角动量反馈监测试验期间液体晃动干扰力矩的变化情况。

8.如权利要求5所述的一种充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法，其特征在于，所述步骤4中采用激光跟踪仪和激光陀螺测量三轴气浮台的姿态角和姿态角速度，分析液体晃动对航天器的影响；通过高采样频率的陀螺数据，分析液体晃动干扰力矩的频域特性。

9.如权利要求5所述的一种充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤(1)：由气浮台上陀螺实时测量采集气浮台三轴姿态角速度信息，作为液体晃动力矩计算模型的输入；

步骤(2)：设置液体晃动模型参数，根据姿态角速度信息实时计算液体晃动力矩；

步骤(3)：根据液体晃动力矩分配算法，计算控制力矩陀螺群外框架角速度。

10.如权利要求9所述的一种充液航天器姿态动力学全物理仿真试验方法，其特征在于，所述步骤(2)中的所述液体晃动模型采用单摆模型，模型参数包括：静止质量、静止质量位置、晃动质量、摆长、摆悬挂点位置、晃动方向；

所述液体晃动力矩计算公式为：

其中，F_L为液体晃动产生的干扰力，m_i为第i个摆动质点的晃动质量，l_i为摆动质点的摆长，α_i为单摆的摆角，τ_i为摆动质点的摆动方向矢量，r_i为摆动质点在贮箱系中的位置矢量，r_c为贮箱系原点在本体系中的位置矢量，即贮箱的安装位置，r_s为航天器在惯性系中的位置矢量，n为单摆模型个数；

所述步骤(3)中的液体晃动力矩分配算法根据液体晃动产生的三轴干扰力矩计算4个控制力矩陀螺的外框架角速度，计算公式为：

其中，δ＝[δ₁,δ₂,δ₃,δ₄]^T为4个控制力矩陀螺外框架转角矢量，h为控制力矩陀螺最大角动量，α为权系数，E为单位阵，D＝det(CC^T)，C＝Acosδ-Bsinδ，

β为金字塔构型中控制力矩陀螺框架轴与塔顶轴夹角。