一种高稳SADA姿态扰动地面测试系统及方法与流程

本发明涉及一种高稳sada姿态扰动地面测试系统及方法，属于航天器姿态控制和测量技术领域。

背景技术：

为了满足我国未来“智能化高品质大型低轨遥感卫星平台”研制任务需求，整星姿态控制稳定度提出了优于0.00004°/s的指标要求。为此，在原有永磁同步电机技术研制的新型高稳定度帆板驱动机构基础上，需进一步提升帆板驱动稳定度水平，实现帆板的超高稳定度驱动性能。然而，由于帆板驱动速率波动非常小，对整星的姿态扰动也极小，因此对于准确测量sada的姿态扰动造成了相当大的困难。现有的sada驱动引起的姿态扰动测量方法采用高精度测力平台实现对sada转动产生的扰动力矩进行测量，然后通过扰动力矩转换为姿态扰动数据进行评估，此方法主要有以下不足：

(1)卫星的真实太阳翼采用刚体加柔性附件的结构，整个太阳翼不是一个整体结构，而是有多块基板组成，采用真实的太阳翼进行姿态扰动测试需要配置专门的卸载装置。现有的sada姿态扰动测量方法需要对太阳翼进行整体卸载，以减少太阳翼的重力影响；

(2)现有sada扰动姿态测量方法都是基于静态基座安装测力传感器的方式，优点是方法简单，但是不能准确评估sada与航天器本体相互耦合产生的姿态扰动；

(3)现有sada扰动姿态测量方法所用的台体基座采用静态基座，仅作为sada及太阳帆板安装使用，不能实现卫星本体的真实载体模拟及主动高稳定度控制，不能准确评估太阳翼驱动和气浮台扰动之间的相互影响。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种高稳sada姿态扰动地面测试系统及方法，利用角动量守恒定律，通过设计与真实太阳翼具有相同结构参数的模拟太阳翼模拟sada在轨真实运行状态，同时实现对小惯量气浮台的高稳定度控制，从而准确测量出具有极低速率波动水平的附件驱动扰动影响。本方法具有原理简单可靠，试验成本低，易于操作等优点，具有极强的实用性价值。

本发明的技术解决方案是：一种高稳sada姿态扰动地面测试系统，包括模拟太阳翼、高速飞轮、sada、单轴气浮台系统和测角光栅传感器；

所述模拟太阳翼用于模拟航天器太阳帆板，作为sada的驱动对象，是单轴气浮台系统的最大干扰源；

所述高速飞轮用于实现单轴气浮转台的甚高稳定度控制；

所述sada作为模拟太阳翼的驱动源，实现模拟太阳翼的控制和驱动；

所述单轴气浮台系统用于模拟卫星本体的转动惯量；

所述测角光栅传感器用于模拟卫星的星敏感器，测量单轴气浮台系统的姿态稳定度。

根据所述的一种高稳sada姿态扰动地面测试系统实现的高稳sada姿态扰动地面测试方法，包括如下步骤：

选择刚性材料，制作与真实太阳翼具有相同惯量、耦合系数和扭转频率的挠性模拟件，并根据真实太阳翼的三维特征完成模拟太阳翼的加工；

构建单轴气浮台系统，将模拟太阳翼及其驱动机构安装在单轴气浮台系统的中轴线上，对单轴气浮台系统及模拟太阳翼的组合体进行甚高稳定度控制，通过测角光栅传感器测量单轴气浮台系统的姿态稳定度和背景噪声；

向sada的驱动线路发送转动控制指令，启动sada，进行相应的单轴气浮台姿态控制和sada驱动，通过测角光栅传感器测量单轴气浮台系统的姿态数据，根据测量得到的姿态数据和背景噪声计算sada驱动模拟太阳翼引起的姿态扰动。

进一步地，所述甚高稳定度控制的步骤包括：

通过单轴气浮台系统上安装的通过测角光栅传感器进行单轴气浮台系统及模拟太阳翼的组合体的姿态角测量，采用高速飞轮和高稳sada进行单轴气浮台系统及模拟太阳翼的组合体姿态角的控制，并通过通信设备进行测量数据的下传和控制指令的上传。

进一步地，所述测量单轴气浮台系统的背景噪声的方法包括如下步骤：通过单轴气浮台系统的低带宽控制方法使单轴气浮台系统处于预设姿态稳定度的甚高稳定度状态，测量此状态下单轴气浮台系统的背景噪声。

进一步地，所述低带宽为小于0.01hz。

进一步地，所述预设姿态稳定度为9.9286e-005°/s。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本方法利用了驱动方向上具有相同惯量、频率和耦合系数的模拟太阳翼实现了对驱动系统在轨运行状态的准确模拟，避免了采用真实太阳翼进行驱动试验带来的诸多不易实施的难题，具有成本低、易于操作等优点；

(2)本方法采用小惯量气浮台作为测量载体，可以将扰动量级充分放大，大幅降低了测量难度，也提高了测量的可信度；

(3)本方法实现了对小惯量气浮台的甚高精度控制，为姿态扰动的准确测量提供了基础。测试结果表明，模拟太阳帆板驱动和气浮台扰动之间完全满足角动量守恒定律，充分证明了测量方法的准确性和有效性。

附图说明

图1为单轴气浮台测试系统。图中，1-模拟太阳帆板，用于模拟航天器真实太阳翼，作为sada的驱动对象，是整个气浮台的最大干扰源；2-高速飞轮，用于实现单轴气浮转台的甚高稳定度控制；3-sada，作为模拟太阳翼的驱动源，实现模拟太阳翼的高稳定度控制；4-高精度气浮转台，用于模拟卫星本体的转动惯量；5-高精度测角光栅传感器，用于测量单轴气浮台的姿态稳定度；

图2为高稳sada姿态扰动测量流程图；

图3为采用专用工具设计的挠性模拟板三维结构图；

图4为采用不同控制周期下的气浮台高稳定度控制，其中(1)为0.05s控制周期下气浮台的高稳定度控制平台测量数据，(2)为0.125s控制周期下气浮台的高稳定度控制平台测量数据；

图5为高分辨率卫星模拟下的气浮台和帆板的速率稳定性对比；

图6为某测绘卫星模拟下的气浮台和帆板的速率稳定性对比；

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步解释和说明。

一种高稳sada姿态扰动地面测试系统如图1所示，包括：

模拟太阳帆板1，用于模拟航天器真实太阳翼，作为sada的驱动对象，是整个气浮台的最大干扰源；

高速飞轮2，用于实现单轴气浮转台的甚高稳定度控制；

高稳sada3，作为模拟太阳翼的驱动源，实现模拟太阳翼的高稳定度控制；

高精度气浮转台4，用于模拟卫星本体的转动惯量；

高精度测角光栅传感器5，用于测量单轴气浮台的姿态稳定度。

一种高稳sada姿态扰动地面测试方法，整个测试方法流程图如图2所示，主要技术内容包括如下三个方面：

首先是太阳帆板负载的模拟；

由于真实的太阳翼造价昂贵、悬吊方法复杂、且在实验过程中需要卸载，因此需要对太阳帆板进行模拟设计和制作，最终的设计结果与真实太阳翼具有相同惯量、耦合系数和扭转频率的挠性模拟太阳翼，使sada运行在真实在轨状态。

采用专用设计工具，通过选择刚性材料，进而多次调整长、宽、厚三维尺寸，即可得到与真实太阳翼具有相同惯量、耦合系数和扭转频率高度一致的挠性模拟件，最后完成模拟太阳翼的加工。模拟太阳帆板结构设计如图3所示。

其次是单轴气浮台系统的构建及甚高稳定度控制

本发明专利采用的单轴气浮台系统以单轴气浮台作为被控对象，主要通过高精度圆光栅、动量轮和工控机构成一套完整的台体与地面无接触控制系统模拟卫星在轨飞行姿态，试验控制台计算机通过通信设备进行试验数据下传和试验指令上注等动作。

气浮台台体转动惯量可以通过喷气推力器进行快速机动时，动量轮的角动量积累进行估算。估算结果表明，台体惯量为330kgm²(带30kgm²模拟太阳翼)。气浮台控制时，首先让控制系统处于稳态控制模式，待控制气浮台稳定后，便可根据试验内容发送各种控制指令，进行相应的姿态和sada控制试验。

值得注意的是，为确保控制器不影响测量结果的精确性，闭环控制系统带宽必须足够低；同时，实验室环境必须保持静默状态，确保试验装置不受气流、地震等环境因素影响。在上述条件下，当sada不驱动时，单轴气浮台稳态控制效果如图4(1)、图4(2)所示。气浮台姿态稳定度为9.9286e-005°/s(3σ)，优于0.0001°/s的控制目标。

最后是气浮台扰动的测量

在气浮台实现优于0.0001°/s的高度稳定度状态下进行帆板驱动测试，此时台体姿态扰动完全来源于sada驱动过程的速率波动。通过测量台体的姿态扰动，即可估算出sada带帆板驱动过程中引起的整星姿态扰动影响。测试结果如图5和图6所示。

由以上两图可以看出，帆板速率波动与气浮台姿态扰动存在准确的一一对应关系，完全满足系统角动量守恒原理，因此测试结果正确，表明测试方法有效。

测试结果表明：

①当sada带22.7kg·m²帆板时(帆板速率波动为10％(3σ))，气浮台姿态稳定度约为0.00055°/s，折合到卫星，则两台sada的姿态扰动为2*0.00055*320/5000＝7.0400e-005°/s；(方案估计值为4.72e-005°/s)

②当sada带31kg·m²帆板时(帆板速率波动为10％(3σ))，气浮台姿态稳定度约为6.1846e-004°/s，折合到卫星，则两台sada的姿态扰动为2*6.1846e-004*330/10000＝4.0818e-005°/s；(方案估计值为3.2e-005～3.5e-005°/s)

上述结果与方案设计阶段的估计基本一致。

实施例

下面通过具体实施例对一种高稳sada姿态扰动地面测试方法发明作进一步详细说明。

一种高稳sada姿态扰动地面测试方法的控制过程包括以下步骤：

(1)太阳帆板负载的模拟：

步骤一：选择适当的材料(本实施例选用钢件)，并设计适当的长、宽、厚三维尺寸，从而得到与真实太阳翼具有相同惯量、耦合系数和扭转频率高度一致的挠性模拟件，设计工具采用自行开发的工具，如图3所示；

步骤二：完成设计后(如图3所示)，根据设计结果制作模拟太阳翼；

(2)小惯量单轴气浮台系统的构建及甚高稳定度控制：

步骤一：采用单轴气浮台搭建整星姿态控制模拟装置，通过圆光栅进行姿态角测量，采用动量轮进行姿态角的控制，通过无线网络进行试验数据下传和试验指令上传，整套试验装置如图1所示。

步骤二：安装sada及其模拟负载，通过气浮台的低带宽(小于0.01hz)控制系统使气浮台姿态稳定度优于0.0001°/s的甚高稳定度水平，同时通过姿态角测量装置测量出平台本身的姿态值和背景值，测量结果如图4所示。

(3)sada引起的姿态扰动测量：

在气浮台达到甚高稳定度水平的情况下，启动帆板驱动机构，此时台体姿态扰动几乎完全来源于sada驱动过程的速率波动。通过测量台体的姿态扰动，即可估算出sada带帆板驱动过程中引起的整星姿态扰动影响，测试结果如图5和图6所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。