[发明专利]重力补偿系统、航天器相对运动地面悬吊实验系统及方法

权利要求书

1.一种航天器相对运动地面悬吊实验系统，包括追踪模拟器(2)和目标模拟器(3)，追踪模拟器(2)具有第一星载计算机(201)和喷气系统(204)；第一星载计算机(201)内置有姿轨控制算法；第一星载计算机(201)与喷气系统(204)的控制端电连接；

其特征在于，还包括第二控制器(4)和悬吊式重力补偿系统(1)，所述悬吊式重力补偿系统包括支撑架(101)、随动单元(102)、第一吊索(103)和第一控制器(104)，其中：

所述随动单元(102)设于支撑架(101)上；第一吊索(103)的一端与随动单元(102)固连，第一吊索(103)的另一端用于与追踪模拟器(2)固连；随动单元(102)的控制端与第一控制器(104)电连接；

第一控制器(104)：用于根据追踪模拟器(2)的位置和速度信息控制随动平台改变水平位置，使得随动平台在水平方向跟随追踪模拟器(2)的运动轨迹；

还包括第一通讯单元(105)，追踪模拟器(2)的第一惯导系统(202)通过第一通讯单元(105)与第一控制器(104)电连接；

第一惯导系统(202)：用于获取追踪模拟器(2)的位置和速度信息，并通过第一通讯单元(105)将获得的位置和速度信息发送至第一控制器(104)；

第一控制器(104)和第二控制器(4)均与第一星载计算机(201)电连接；

目标模拟器(3)通过第二吊索(5)悬吊于所述支撑架(101)，追踪模拟器(2)通过第一吊索(103)悬吊于所述随动单元(102)；

第二控制器(4)：用于获得目标模拟器(3)的位置、速度、姿态和角速度信息并将其发送给第一星载计算机(201)；

第一控制器(104)：用于获得追踪模拟器(2)的位置、速度、姿态和角速度信息并将其发送给第一星载计算机(201)；

第一星载计算机(201)：用于根据第一控制器(104)和第二控制器(4)发送的信息，计算出目标模拟器(3)和追踪模拟器(2)二者的相对位置、相对速度、相对姿态和相对角速度；用于根据目标模拟器(3)和追踪模拟器(2)二者的相对关系，运用姿轨控制算法求得控制追踪模拟器(2)喷气系统(204)的控制指令；

喷气系统(204)：用于根据控制指令喷出冷气，获得对追踪模拟器(2)的姿轨进行控制的对应控制力和控制力矩，使得追踪模拟器(2)追踪目标模拟器(3)；

其中，所述姿轨控制算法是采用PD控制器对空间站进行姿态控制，具体如下：

追踪模拟器(2)的当前姿态θ_cm和φ_cm分别为追踪模拟器(2)的自转角、章动角和进动角，目标模拟器(3)的当前姿态为θ_tm和φ_tm分别为目标模拟器(3)的自转角、章动角和进动角，追踪模拟器(2)的当前角速度为和分别为追踪模拟器(2)的自转角、章动角和进动角的变化率，目标模拟器(3)的当前角速度为和分别为追踪模拟器(2)的自转角、章动角和进动角的变化率，PD控制器设计为

τ_m＝J_cm(K_P(Θ_cm-Θ_tm)+K_D(ω_cm-ω_tm))

其中，τ_m为追踪模拟器(2)的控制力矩，J_cm为追踪模拟器(2)的转动惯量，K_p和K_D分别为比例和微分控制器参数，下标P代表比例Proportional，下标D代表微分Derivative；

并在地面悬吊实验中为追踪模拟器(2)设计一个施密特触发器，该触发器具有死区阈值，其表达式为

其中，u_act(t)为实际执行机构的输出，为理论计算的输出变化率，h为滞环系数，θ_d为死区阈值，u(t)为仿真计算所得的控制力，u_c为模拟器实际喷气推力，下标act代表实际actual。