[发明专利]自适应六自由度气浮仿真试验台及其计算方法

说明书

本发明提供了一种用于卫星地面测试的自适应六自由度气浮仿真试验台，包括试验台、下工位机构和上工位机构；下工位机构包括下工位平台、升降支架、升降驱动机构、气浮轴颈轴承、第一气浮平面轴承、第一气浮球轴承、自适应气浮组；自适应气浮组包括自适应支架、第二气浮平面轴承、第二气浮球轴承。本发明为上工位机构提供具有六个自由度的卫星气浮仿真试验，可以更全面、真实地检查卫星测控系统的性能，尤其是全方位的变轨性能；下工位平台通过自适应气浮组以自适应方式与试验台保持平行，减轻了试验台的加工难度，也为更大尺度的试验提供了可能性；试验台可采用局部小平台无限拼接的形式，能够满足地面大尺度试验要求，为多卫星变轨和编队试验提供了条件。

技术领域

本发明涉及卫星地面测试仿真试验系统领域，具体是一种自适应六自由度气浮仿真试验台及其计算方法。

背景技术

自20世纪90年代以来，出现了不同于以往卫星概念的提升卫星性能和生存能力的革命性技术——新型现代小卫星群技术。例如近年来科学家们提出的“分离模块航天器(fractionated spacecraft modules)”概念，把一个在轨服务航天器按功能分解为许多专门功能的小卫星模块，这些小卫星模块物理分离，通过编队飞行和无线传输方式构成一颗虚拟的大卫星，以完成特定的任务：如组成大型的太空望远镜阵列，用以搜寻太阳系外适合人类生存的类地行星或者找寻太空中的生命物体，去检测近地星体的运动；又如观测其它卫星等航天器，或直接去维修那些出故障的卫星；还可以捕捉地球表面图像，监测地球冰面或洪水变化，等等。

2021年1月25号美国太空探索技术公司“猎鹰9”火箭24日携带143颗卫星升空，创下单次发射卫星数目之最，就是当今最好的例子。

但是，为了实现小卫星群的编队和变轨飞行，就需要在地面对卫星的测控系统进行全面的仿真参数测试。

鉴于卫星和卫星上的测控部件众多，每个卫星的质测(质心、惯量、惯性积等的确定)，滑变模结构的控制，以及众多小卫星群的编队等，是一个很复杂的问题，很难用数学方法解决。

相比之下，为了实现这一目标，气浮仿真试验台(亦称卫星控制系统全物理仿真平台)是研制卫星等航天器过程中一种特有的、有效的仿真方法。试验时，气浮仿真试验台上多轴气浮仿真试验台的运动可以近似地模拟外太空环境下航天器微重力、零摩擦的空间活动。与数学仿真相比，全物理仿真用气浮仿真试验台作为航天器运动模拟器直接控制回路，避免了某些部件难于建立精确数学模型的困难。这些部件对控制系统的性能及影响将直观而有效地反映在仿真试验中。这对于验证卫星控制系统方案设计的正确性、检验实际控制系统的功能和性能十分重要。美国NASA自1975年以来的空间飞行任务成功率极高，这与其所坚持的“航天器控制方案须经过气浮仿真试验台全物理仿真验证，星上控制产品须经过半物理仿真闭路检验”这样一套研制程序是分不开的。

早期卫星等航天器的地面仿真试验基本是在一个静止的气浮仿真试验台上进行，试验台提供绕三个轴旋转的自由度来模拟航天器的空间姿态运动。但是现代小卫星在太空中需要有很好的轨道机动性，很多时候需要变轨飞行，所以对其测试就需要一个动态的多自由度气浮仿真试验台以提供更多的空间自由度，包括姿态旋转运动以及轨道线性运动自由度。

随着航天技术的迅速发展，开发和研制三自由度、四自由度，五自由度，甚至全自由度气浮仿真试验系统，是研究现代小型智能敏捷航天器一个重要的不可缺少的环节，在航天器系统的功能测试、指标检验、模拟运行、故障诊断、故障复现和处理对策研究等方面有巨大的需求和作用。

但是，到现在为止，只报道了五自由度的气浮仿真试验系统(参考文献1)，而为了卫星变轨等机动要求，需要气浮仿真试验系统能提供全方位(六自由度)的气浮仿真试验系统。

更重要的是，为了卫星等航天器变轨和集群飞行的需要，气浮仿真试验系统需要在大尺度的试验台平面上进行大尺度范围的变轨试验，甚至是多个气浮仿真试验系统在地面仿真平台上进行集群系统的变轨试验。