動靜隔離、主從協(xié)同控制超高指向精度、超高穩(wěn)定度衛(wèi)星的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星領(lǐng)域，涉及一種動靜隔離、主從協(xié)同控制超高指向精度、超高穩(wěn)定 度（"雙超"）衛(wèi)星及其設(shè)計方法。這種"雙超"衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)載荷指向精度、穩(wěn)定度分別高達(dá) 10 4度、10 6度/秒的"雙超"控制，可應(yīng)用于高低軌高分遙感、分布式遙感、高精度編隊、高 性能激光通信、空間攻防與深空探測等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 先進(jìn)衛(wèi)星對載荷指向精度、穩(wěn)定度的要求分別高達(dá)10 4度、10 6度/秒量級，比目 前水平高2個量級以上。按照傳統(tǒng)載荷與平臺固連的設(shè)計方法，載荷指向與穩(wěn)定度依靠平 臺控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但由于平臺微振動不可避免，且控制系統(tǒng)產(chǎn)品帶寬、精度等能力有限，使 得固連設(shè)計方法存在微振動"難測、難控"技術(shù)瓶頸，很難實(shí)現(xiàn)載荷"雙超"指標(biāo)。
[0003] 目前，針對衛(wèi)星振動干擾主要有振動抑制和振源隔離兩種方法。振動抑制為在平 臺與振源之間加入隔振器，但此種方法是接觸式隔振，微振動隔而不絕，精度提升有限。平 臺振源隔離方法存在無法將所有振源隔離，且?guī)捑扔邢?。因此傳統(tǒng)解決方法均難以大 幅提升載荷控制精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種動靜隔離、主從協(xié)同控制超高 指向精度、超高穩(wěn)定度（"雙超"）衛(wèi)星及其設(shè)計方法。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種動靜隔離、主從協(xié)同控制超高指向精度、超高穩(wěn)定度衛(wèi)星， 包括平臺艙、載荷艙，還包括布置在平臺艙與載荷艙之間的非接觸磁浮機(jī)構(gòu)；
[0006] 非接觸磁浮機(jī)構(gòu)包括相匹配的動子和定子；動子安裝于平臺艙，定子安裝于載荷 艙；
[0007] 載荷艙與平臺艙之間通過動子和定子實(shí)現(xiàn)動靜隔離。
[0008] 優(yōu)選地，所述動子包括線圈、支架，所述定子包括磁鋼、磁輒；
[0009] 其中，線圈通過支架連接到平臺艙；磁鋼與載荷艙固連；支架與磁輒之間無物理 連接；
[0010] 固定在支架上的線圈位于磁鋼和磁輒之間；磁鋼、磁輒之間留有間隙；載荷艙與 磁鋼、磁輒固連。
[0011] 優(yōu)選地，平臺艙與載荷艙之間布置有8個非接觸磁浮機(jī)構(gòu)，其中，所述8個非接觸 磁浮機(jī)構(gòu)與兩艙間對接面平行或垂直依次間隔對稱布置，對稱布置的非接觸磁浮機(jī)構(gòu)之間 的連線垂直于兩艙質(zhì)心連線，并且對稱布置的非接觸磁浮機(jī)構(gòu)之間的連線中點(diǎn)位于兩艙質(zhì) 心連線上；
[0012] 所述8個非接觸磁浮機(jī)構(gòu)構(gòu)成八自由度磁浮機(jī)構(gòu)；
[0013] 兩艙是指平臺艙、載荷艙。
[0014] 優(yōu)選地，所述非接觸磁浮機(jī)構(gòu)利用電磁力或者靜電力方式。
[0015] 優(yōu)選地，平臺艙、載荷艙之間的信息傳輸和位置傳感采用無線方式實(shí)現(xiàn)，無線方式 包括電磁互感或光電轉(zhuǎn)換；平臺艙、載荷艙之間的能量傳輸采用無線或柔性電纜方式實(shí)現(xiàn)
[0016] 優(yōu)選地，載荷艙與平臺艙之間采用主從協(xié)同控制，其中，所述主從協(xié)同控制，是 指：
[0017] 載荷艙通過姿態(tài)傳感器和非接觸式磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，平臺艙根據(jù)相對位置 傳感信息和自身安裝的飛輪、推力器伺服跟蹤載荷艙姿態(tài)，并避免與載荷艙相撞。
[0018] 優(yōu)選地，所述主從協(xié)同控制包含載荷艙姿態(tài)主動控制、平臺艙從動控制，其中，平 臺艙從動控制包含兩艙相對位置控制、平臺艙姿態(tài)控制、平臺艙前饋控制三個控制回路；兩 艙是指載荷艙與平臺艙；
[0019] 所述載荷艙主動控制，具體為：通過傳感器確定有效載荷指向，基于載荷艙姿態(tài)確 定信息，姿態(tài)控制單元產(chǎn)生動作指令，驅(qū)動非接觸磁浮機(jī)構(gòu)產(chǎn)生控制力，使有效載荷達(dá)到期 望的指向精度和穩(wěn)定度控制；所述傳感器包括星敏感器、光纖陀螺；
[0020] 所述兩艙相對位置控制，具體為：所述兩艙相對位置控制的位置反饋信息由相對 位置傳感器測量信息解算得到，執(zhí)行器為非接觸磁浮機(jī)構(gòu)；
[0021] 所述平臺艙姿態(tài)控制，具體為：所述平臺艙姿態(tài)控制的姿態(tài)反饋信息由相對位置 傳感器測量信息解算得到，基于平臺艙姿態(tài)確定信息，姿態(tài)控制單元產(chǎn)生動作指令，驅(qū)動飛 輪、推力器產(chǎn)生控制力矩，使平臺艙姿態(tài)伺服跟蹤載荷艙姿態(tài)。
[0022] 優(yōu)選地，對于平臺艙的控制：
[0023] 當(dāng)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)的線圈在設(shè)定區(qū)域之內(nèi)或在設(shè)定區(qū)域之外但線圈向平衡位置 方向運(yùn)動時，不啟動兩艙相對位置控制；
[0024] 當(dāng)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)的線圈在設(shè)定區(qū)域之外且向平衡位置之外運(yùn)動時，啟動兩艙相 對位置控制；
[0025] 所述設(shè)定區(qū)域，是指：磁鋼、磁輒之間的間隙的一個閾值范圍，根據(jù)控制情況人為 設(shè)定。
[0026] 優(yōu)選地，所述平臺艙前饋控制，用于補(bǔ)償非接觸磁浮機(jī)構(gòu)的反作用力矩，保障兩艙 姿態(tài)及兩艙相對位置變化盡可能的小，為載荷艙超精超穩(wěn)控制提供保障。
[0027] 優(yōu)選地，非接觸磁浮機(jī)構(gòu)輸出的姿控力與相對位置控制力進(jìn)行解耦是通過在兩艙 間布置八自由度磁浮機(jī)構(gòu)，由八自由度磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對載荷艙轉(zhuǎn)動和兩艙相對位置運(yùn)動共 六個控制量的解耦，兩艙是指載荷艙與平臺艙。
[0028] 與目前傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：
[0029] 1、"雙超"性能：雙超衛(wèi)星以空間上動靜隔離，控制上主從協(xié)同的全新思想和方法， 采用完全位姿解耦構(gòu)型和滑模層控制思想，利用高精度、高帶寬非接觸磁浮機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星 姿態(tài)指向精度優(yōu)于5 X 10 4度、姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于5 X 10 6度/秒的超高精度，徹底解決"雙超" 技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了載荷姿態(tài)的完全可測可控。
[0030] 2、全頻帶隔振：雙超衛(wèi)星兩艙通過磁浮機(jī)構(gòu)非接觸連接，實(shí)現(xiàn)動靜隔離，直接隔斷 平臺艙活動和撓性部件向載荷艙的微振動傳遞，有效保障載荷的超精超穩(wěn)工作狀態(tài)，從而 達(dá)到全頻帶隔振的效果，極大降低了對控制系統(tǒng)產(chǎn)品的帶寬需求。
[0031] 3、隔離平臺熱變形：相比傳統(tǒng)固連設(shè)計，"雙超"衛(wèi)星兩艙空間隔離，有效避免了平 臺熱變形對載荷指向的影響。此外，"雙超"衛(wèi)星還具有簡單易行、安全可靠、冗余度高、質(zhì)量 小功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
[0032] 4、本發(fā)明通過非接觸磁浮機(jī)構(gòu)，物理上直接消除平臺艙高頻微振動對載荷艙的不 利影響，極大的降低了對控制系統(tǒng)產(chǎn)品的帶寬需求，實(shí)現(xiàn)載荷艙姿態(tài)的完全可測可控，控制 上改變兩艙傳統(tǒng)的主從控制關(guān)系，采用載荷艙控制為主，平臺艙控制為從的"主從協(xié)同"控 制思路，并巧妙利用隔離區(qū)的"間隙非線性"與兩艙的協(xié)同解耦控制，實(shí)現(xiàn)載荷艙姿態(tài)的"雙 超"控制，以及平臺艙隨動載荷艙的控制效果。
[0033] 5、本發(fā)明中所述平臺艙從動控制的目的是為了保證兩艙不碰撞，因此對平臺艙控 制精度的要求相對較低，可以利用滑?？刂扑枷耄寒?dāng)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)的線圈在設(shè)定區(qū)域之 內(nèi)或在設(shè)定區(qū)域之外但線圈向平衡位置方向運(yùn)動時，不啟動兩艙相對位置控制；當(dāng)非接觸 磁浮機(jī)構(gòu)的線圈在設(shè)定區(qū)域之外且向平衡位置之外運(yùn)動時，啟動兩艙相對位置控制，從而 降低兩艙相對位置控制的頻次，使磁浮機(jī)構(gòu)專注于調(diào)整載荷艙姿態(tài)。
[0034] 6、本發(fā)明中載荷艙的高精度"主"動控制與兩艙的相對位置控制均是通過磁浮機(jī) 構(gòu)實(shí)現(xiàn)，因此需要對磁浮機(jī)構(gòu)輸出的姿控力與相對位置控制力進(jìn)行解耦。解耦是通過在兩 艙間布置八自由度磁浮機(jī)構(gòu)，由八自由度磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對載荷艙轉(zhuǎn)動和兩艙相對位置運(yùn)動 共六個控制量的解耦，系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，并且冗余、高可靠。
【附圖說明】
[0035] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：
[0036] 圖1為"雙超"衛(wèi)星動靜隔離式構(gòu)型示意圖。
[0037] 圖2為非接觸磁浮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038] 圖3為兩艙間非接觸磁浮機(jī)構(gòu)布局示意圖。
[0039] 圖4為"雙超"衛(wèi)星主從協(xié)同控制原理圖。
[0040] 圖5為滑膜控制策略示意圖。
[0041 ] 圖中的標(biāo)號26表示貯箱，標(biāo)號23表示帆板驅(qū)動機(jī)構(gòu)
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0043] 本發(fā)明提出了基于磁浮技術(shù)的動靜隔離式超高指向精度、超高穩(wěn)定度衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)解 決方案，通過非接觸磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩艙的動靜隔離，物理上直接消除平臺艙全頻段微振動 對載荷艙的不利影響。與傳統(tǒng)設(shè)計思路迥異，控制系統(tǒng)采用"載荷艙控制為主，平臺艙控制 為從"的主從控制思路，并巧妙利用隔離區(qū)的"間隙非線性"與兩艙的協(xié)同解耦控制，實(shí)現(xiàn)載 荷指向精度達(dá)到5 X 10 4度，姿態(tài)穩(wěn)定度達(dá)到5 X 10 6度/秒的控制效果，從根本上解決載荷 指向精度與穩(wěn)定度難以大幅提升的瓶頸問題。
[0044] 如圖1所示，本發(fā)明提供的雙超衛(wèi)星主要由載荷艙和平臺艙組成，載荷艙可以安 裝有效載荷14、光纖陀螺11、星敏感器12、磁浮機(jī)構(gòu)定子等安靜部件，平臺艙可以安裝太陽 帆板24及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)、飛輪22、推力器21、貯箱25、磁浮機(jī)構(gòu)動子等活動部件。
[0045] 載荷艙和平臺艙這兩艙間通過非接觸磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動靜隔離。非接觸磁浮機(jī)構(gòu)結(jié) 構(gòu)示意圖如圖2所示。主要包括動子（線圈31、支架34)和定子（磁鋼32、磁輒33)。線 圈31通過支架34連接到平臺艙304,磁鋼32與載荷艙104固連，支架34與磁輒33之間 無物理連接，從而實(shí)現(xiàn)了兩艙的非接觸。由于磁浮機(jī)構(gòu)輸出力主要取決于電流，與定、動子 相對位置基本無關(guān)，因此平臺艙304的振動和干擾不會傳輸至載荷艙104,從而達(dá)到有效載 荷14動中取靜，兩艙動靜隔離的效果，同時也自然的避免了平臺艙