[发明专利]一种卫星星座轨道物理仿真实验平台

说明书

本发明公开了一种卫星星座轨道物理仿真实验平台，两颗模拟卫星分别由伸缩杆和可三轴移动的悬吊臂支撑，通过控制伸缩杆的旋转与伸缩以及悬吊臂的三轴移动，模拟卫星在太空中绕轨运行的过程。本发明可以实现对卫星星座轨道运行效果的直接展示，填补了国内对于卫星星座轨道物理仿真的空白，突破了当前卫星轨道仿真仅停留在数值计算与软件仿真的局限。

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，特别涉及了一种卫星轨道仿真实验平台。

背景技术

当今社会是一个信息社会，而人造卫星是极其重要的空间信息基础设施，是当今人们准确实时全面获取信息的重要手段，卫星的各项应用已经成为信息社会发展的强大动力。然而人造卫星从设计到发射到轨道维护，是一个高投入、高风险、长周期的活动，仿真技术由于其可控制、可重复、经济且高效，可以显著地减少研究成本。

由于轨道研究的特殊性，物理仿真的成本和条件要求较高，目前国际上对于卫星轨道的仿真主要依赖于软件，如最常见的STK软件等。但是一些主流的轨道仿真软件价格昂贵，甚至不对中国销售，而中国自身的仿真软件发展缓慢。除此之外，软件模拟中卫星参数和深空环境参数取决于人为设置，对实际情况的模拟具有很大的局限性。事实上，在物理仿真中，各元器件的真实误差比软件仿真要更加贴合实际情况。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明提出了一种卫星星座轨道物理仿真实验平台。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种卫星星座轨道物理仿真实验平台，包括第一模拟卫星、第二模拟卫星、使第一模拟卫星按设定轨道运行的第一支撑装置、使第二模拟卫星按设定轨道运行的第二支撑装置、控制器和显示器；所述第一支撑装置包括伸缩杆、伸缩电机和旋转电机，第一模拟卫星连接在伸缩杆的一端，伸缩电机、旋转电机的输出轴与伸缩杆连接，控制器向旋转电机发送控制指令，旋转电机根据控制指令带动伸缩杆绕模拟地心旋转，从而带动第一模拟卫星模拟在轨运行状态，同时控制器向伸缩电机发送控制指令，伸缩电机根据控制指令驱动伸缩杆伸缩，实现对椭圆轨道卫星矢径变化的模拟；所述第二支撑装置包括三轴独立移动的悬吊臂及其三轴电机，第二模拟卫星悬吊于悬吊臂上，三轴电机的输出轴分别对应连接悬吊臂的三轴，控制器向三轴电机发送控制指令，三轴电机根据控制指令驱动悬吊臂的三轴移动，实现卫星在轨运行的模拟；显示器用于实时显示卫星的轨道数据和控制信号。

进一步地，所述伸缩杆分为两节，分别为导轨节和伸缩节，导轨节上设置导轨并安装驱动轮，伸缩节上安装从动轮，驱动轮的控制端与伸缩电机的输出轴连接，驱动轮带动伸缩节沿导轨移动，从而实现整个伸缩杆的伸缩。

进一步地，确定原点和空间三维坐标轴方向，建立空间坐标系；所述三轴独立移动的悬吊臂包括底座、垂直杆和水平杆；底座下端设有平行于空间坐标系x轴的移动导轨，能够实现沿x轴方向的移动；垂直杆安装在底座上，且平行于空间坐标系z轴，该垂直杆为伸缩结构，能够实现沿z轴方向的伸缩；平行杆安装在垂直杆上，且平行于空间坐标系y轴，该水平杆为伸缩结构，能够实现沿y轴方向的伸缩。

进一步地，控制器与各电机之间采用闭环控制，控制器向各电机输入控制信号，同时将各电机的旋转角度作为反馈信号。

进一步地，第一模拟卫星的仿真过程如下：

(1)初始时刻，按照要仿真的真实轨道的空间位置调整伸缩杆的角度和长度；

(2)t_k时刻，伸缩杆反馈回真实的真近点角和矢径长度，计算真实的真近点角与其理论值θ_k的误差Δθ，计算真实的矢径长度与其理论值r_k的误差Δr；

(3)取一时间段Δt，记t_k+1＝t_k+Δt，计算t_k+1时刻的平近点角M_k+1：