混合懸浮地面微重力實驗的天地控制等效方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間主動操作地面模擬實驗的等效控制系統(tǒng)設計，具體涉及一種混合 懸浮地面微重力實驗的天地控制等效方法。
【背景技術】
[0002] -種新的航天器主動操作和控制方法，如果在發(fā)射上天前沒有經過完備的和充分 的分析，那么其極有可能會產生故障，不僅使研制投資毫無收益，還會造成太空垃圾。而主 動操作控制是否成功與控制策略和控制律的設計息息相關，面對越來越復雜的空間機動， 控制律的精度和效率已然成為了空間技術的重點之一，所以在航天器發(fā)射前驗證空間控制 律的性能已經變得十分重要。
[0003] 現(xiàn)有驗證飛行器控制系統(tǒng)的天地等效控制策略雖然各有特色，但是隨著技術的發(fā) 展，其缺點也逐漸凸顯，有必要在新的技術條件和任務要求下對天地等效控制策略進行改 進。
[0004] 在空間主動操作的地面等效模擬驗證中，最重要的是對航天器控制性能的驗證， 這就涉及到控制策略和控制律是否可行的檢驗問題。衛(wèi)星的軌道運動的機動主要包括絕對 運動的機動與相對運動的機動，在這兩種機動的控制中，均包含軌道運動的控制以及姿態(tài) 的控制。
[0005] 根據文獻2的總結，目前對航天器主動操作的控制策略的地面驗證方法主要分 為：
[0006] (1)數(shù)字仿真，運用計算機構造與實際系統(tǒng)相符合的數(shù)學模型來進行實驗和研宄。
[0007] (2)半物理仿真，除衛(wèi)星采用數(shù)學模型外，其它全部采用實物，這里需要機械轉臺 和目標模擬器。
[0008] (3)全物理仿真，控制系統(tǒng)全部采用實物，衛(wèi)星采用實物模型，即由氣浮臺來模擬 衛(wèi)星處在空間式中和無摩擦狀態(tài)下的姿態(tài)運動。
[0009] 根據文獻1的總結，現(xiàn)有的衛(wèi)星控制系統(tǒng)的半/全物理仿真的主要發(fā)展如下：
[0010] 在衛(wèi)星控制系統(tǒng)的半物理仿真方面，現(xiàn)有的技術主要是在仿真回路中接入星上真 實部件，利用三軸機械伺服轉臺進行衛(wèi)星姿態(tài)運動的模擬，將衛(wèi)星的姿態(tài)測量敏感器安放 在伺服轉臺上，伺服轉臺按照仿真計算機解算衛(wèi)星姿態(tài)動力學方程得到的解實時復現(xiàn)衛(wèi)星 的姿態(tài)運動。
[0011] 在全物理仿真方面，現(xiàn)有的技術多是設定的衛(wèi)星的運動軌跡，利用球形氣浮軸承3 自由度轉臺作為衛(wèi)星姿態(tài)運動模擬器在氣浮轉臺上安裝所有需要參試的姿態(tài)控制系統(tǒng)的 真實部件，并且將控制力矩和干擾力矩都被真實而直接地加到模擬器上。這種方法不能實 現(xiàn)對衛(wèi)星軌道運動的等效控制。
[0012] 對近距航天器的相對姿態(tài)和相對軌道運動的地面等效控制，目前國內外已建立的 系統(tǒng)大多是半物理仿真模擬系統(tǒng)。在近距離相對運動全物理仿真進行天地等效控制方面， 現(xiàn)有的仿真系統(tǒng)主要由以大塊其表面極為光滑平坦的地板和由氣墊平臺支撐的氣浮轉臺 組成，利用氣墊平臺在水平地板上的2自由度的無摩擦平移運動，來模擬在同一軌道平面 內兩個衛(wèi)星間的相對軌道運動，氣墊平臺上的小型氣浮單軸轉臺或三周轉臺用來模擬衛(wèi)星 的姿態(tài)運動。文獻3第八章介紹了一種兩個5自由度氣浮臺在面積為100m 2的大型環(huán)氧樹 脂地板上進行交會對接的10自由度全物理仿真的實例，但是其并沒有考慮作用在兩個衛(wèi) 星上的地心引力差項和慣性力項。
[0013] 文獻2提出一種采用慣性測量單元配合推進器模擬相對軌道運動效應的方法。
[0014] 隨著計算機技術的發(fā)展，以及姿態(tài)、軌道動力學建模技術的日漸完善，數(shù)字仿真的 逼真程度得到了很好的保證。加上數(shù)字仿真成本低廉，使得數(shù)字仿真具備了獨到的優(yōu)勢。因 此有人認為我們不需要半/全物理仿真了，這是一種片面的看法，正如氣動特性數(shù)字仿真 不能完全代替風動實驗一樣。對于系統(tǒng)中的某些事物部件，我們仍然難以建立精確地數(shù)學 模型，因此這些部件對于控制系統(tǒng)性能的影響就很難被直觀而有效的反應，就算能建立精 確地模型，數(shù)字仿真函數(shù)抽象不直觀的。我們仍然需要對半/全物理仿真加以重視。
[0015] 利用半物理仿真來進行地面等效控制，可以避免天地等效控制時對某些部件建模 的困難，提高了仿真的可靠性，也能降低仿真成本、縮短仿真周期，但是在這種地面等效控 制中，控制力矩和空間環(huán)境干擾力矩并沒有真正作用在轉臺（衛(wèi)星）上，所以這種等效控 制，從本質上講僅僅是一種運動學意義上的等效控制。
[0016] 利用球形氣浮軸承三自由度轉臺作為衛(wèi)星姿態(tài)運動模擬器的全物理仿真，能夠在 運動學和動力學上實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的物理仿真，在質量特性上可以實現(xiàn)與真實衛(wèi)星 1:1的仿真，所有需要參試的姿態(tài)控制系統(tǒng)的真實部件均可以安裝到氣浮轉臺上，控制力矩 和干擾力矩也真實而直接地加載到衛(wèi)星上。但是這種方法仍然不能模擬衛(wèi)星的軌道運動。 現(xiàn)有的全物理仿真系統(tǒng)，幾乎所有的地面（半）物理仿真系統(tǒng)都是跟蹤設定的軌跡并研宄 運動中的姿態(tài)控制，而忽略了軌跡跟蹤控制與空間的本質聯(lián)系。
[0017] 隨著空間交會對接和衛(wèi)星編隊任務的發(fā)展，對衛(wèi)星相對姿態(tài)和相對軌道運動的地 面等效控制的需求與日俱增。
[0018] 基于氣浮臺軌道相對運動控制系統(tǒng)仿真，現(xiàn)有的方法可以實現(xiàn)全物理仿真，但是 航天器的空間運動是6自由度，而氣浮臺_級的懸浮高度使得氣浮臺最多只能提供5自由 度的仿真。參考文獻
[0019] 1、林來興.衛(wèi)星控制系統(tǒng)仿真一一優(yōu)化設計，方案驗證，產品檢驗，故障模擬和動 態(tài)實驗的主要手段.航天控制，1983, 3.
[0020] 2.孫承啟.一種提高衛(wèi)星相對軌道運動全物理仿真逼真度的新方法[J]，空間控 制技術與應用，2011. 10
[0021] 3.林來興.空間交會對接技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995
【發(fā)明內容】
[0022] 為了使得地面模擬實驗的等效控制系統(tǒng)能夠直接、全面而準確地反應航天器的空 間控制特性，本發(fā)明提出一種混合懸浮地面微重力實驗的天地控制等效方法，該方法采用 全物理的天地等效控制方法，從動力學模型出發(fā)，基于磁液混浮的地面微重力環(huán)境，充分考 慮了地面環(huán)境與空間環(huán)境的不同，通過改造地面力學環(huán)境，使其與空間力學環(huán)境基本相似， 由此讓地面實驗系統(tǒng)采用與空間飛行器相同的控制律，施加相同的控制力，但是二者可以 獲得相同的控制效果。
[0023] 本發(fā)明采用以下技術方案：
[0024] -種混合懸浮地面微重力實驗的天地控制等效方法，包括以下步驟：（1)選擇空 間航天器的主動操作過程為模擬對象，根據相似性原理，設計地面模擬器；(2)選擇要被驗 證的控制規(guī)律，計算在理想實驗環(huán)境下，地面模擬器達到期望軌跡時所需要的控制力；（3) 將地面模擬器放置于磁液混浮的微重力環(huán)境，選擇步驟（2)的控制規(guī)律，計算地面模擬器 在該環(huán)境下，達到期望軌跡的控制力；(4)計算步驟（2)與步驟（3)兩個控制力之差，對地 面模擬器施加該控制力之差，然后再施加理想實驗環(huán)境下的控制力，保證天地干擾具有相 同的上限，即得到地面實驗等效控制。
[0025] 步驟（1)得到地面模擬器之后，計算給出標稱軌跡矢量^。
[0026] 步驟（2)的控制力的計算方法為
為航天 器的動力學方程，fd為未知有界攝動加速度矢量，纟'為控制所引入的軌跡誤差反饋的二階 導。
[0027] 步驟⑶的控制力的計算方法為：
取決于模擬器的動力學方程，k=CDPS/2m，CD為阻力系數(shù)，P為介質密度，S為迎流面積，fd °為地面未知有界干擾加速度項。
[0028] 所述步驟（2)的理想實驗環(huán)境是理想的空間航天器的運行環(huán)境，不考慮阻力。
[0029] 所述步驟（3)的磁液混浮的微重力環(huán)境有水的擾動。
[0030] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明方法采用全物理的天地 等效控制方法，從動力學模型出發(fā)，基于磁液混浮的地面微重力環(huán)境，充分考慮了地面環(huán)境 與空間環(huán)境的不同，通過改造地面力學環(huán)境，使其與空間力學環(huán)境基本相似，由此讓地面實 驗系統(tǒng)采用與空間飛行器相同的控制律，施加相同的控制力，但是二者獲得相同的控制效 果。
【具體實施方式】
[0031] 本發(fā)明的基本思想如下：
[0032] 首先根據相似性原理，參考地面實驗場所（水池）的尺寸，選擇一定的相似比，將 被模擬航天器的質量、期望的軌