气浮台在卫星控制系统仿真中的应用

航　天　控　制A e r o s p a c e C o n t r o l O c t .2008

V o l .26,N o .5

气浮台在卫星控制系统仿真中的应用

李季苏1

　牟小刚1

　张锦江1

　王晓磊2

　宗　红2

　孙宝祥

2

1.北京控制工程研究所空间智能控制技术国家级重点实验室,北京100190

2.北京控制工程研究所,北京100190

摘　要　本文叙述单轴和三轴气浮台仿真设备在卫星控制系统仿真中的应用,主要包括空间太阳望远镜高精度姿控系统单轴气浮台物理仿真试验研究、大型

卫星平台单框架控制力矩陀螺(C G C M G )控制系统三轴气浮台物理仿真试验研究、东方红四号卫星控制系统全物理仿真试验。

关键词　单轴气浮台;三轴气浮台;卫星控制系统;物理仿真中图分类号:V 448.2;O 411.3 文献标识码:A 文章编号:1006-3242(2008)05-0064-05

A p p l i c a t i o no f A i r

B e a r i n g T a b l e i nS a t e l l i t e

C o n t r o l S y s t e m S i m u l a t i o n

L I J i s u 1

　M UX i a o g a n g 1

　Z H A N GJ i n j i a n g 1

　W A N GX i a o l e i 2

　Z O N GH o n g 2

　S U NB a o x i a n g

2

1.N a t i o n a l L a b o r a t o r y o f S p a c e I n t e l l i g e n t C o n t r o l ,B e i j i n g I n s t i t u t e o f C o n t r o l E n g i n e e r i n g ,

B e i j i n g 100190,

C h i n a

2.B e i j i n g I n s t i t u t e o f C o n t r o l E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g 100190,C h i n a

A b s t r a c t T h e p a p e r p r e s e n t s t h e a p p l i c a t i o n o f s i n g l e -a x i s a n d t h r e e -a x i s a i r b e a r i n g t a b l e i ns a t e l l i t e c o n t r o l s y s t e m s i m u l a t i o n ,i n c l u d i n g h i g h a c c u r a c y s i m u l a t i o n o f c o n t r o l s y s t e mf o r s p a c e t e l e s c o p e ,t h r e e -a x i s s i m u l a t i o n o f S G C M Gc o n t r o l s y s t e mf o r l a r g e s a t e l l i t e a n d p h y s i c a l s i m u l a t i o n t e s t o f c o n t r o l s y s t e mf o r D O N G F A N G H O N G -4s a t e l l i t e .

K e y w o r d s S i n g l e a x i s a i r b e a r i n gt a b l e ;T h r e e a x i s a i r b e a r i n gt a b l e ;S a t e l l i t e c o n t r o l s y s t e m ;P h y s i c a l s i m u l a t i o n 收稿日期:2007-12-20

作者简介:李季苏(1941-),男,湖南人,研究员,研究方向为卫星控制系统仿真;牟小刚(1969-),男,四川人,高级

工程师,研究方向为卫星控制系统仿真;张锦江(1973-),男,黑龙江人,高级工程师,研究方向为航天器控制、制导与仿真,非线性控制。王晓磊(1972-),男,山东人,高工,研究方向为导航、制导与控制;宗　红(1971-),女,北京人,高工,研究方向为导航、制导与控制;孙宝祥(1944-),男,江苏人,研究员,研究方向为空间控制。

气浮台依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜,使模拟台体浮起,从而实现近似无摩擦的相对运动条件,以模拟卫星在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境。作为卫星运动模拟器,如采用球面气浮轴承支持的三轴气浮台,不但能模拟三轴方向所需要的姿态运动,还能模拟卫星三轴姿态耦合动力学。卫星动力学由气浮台来模拟,控制系统采用部分或全部实物部件组成,并置于气浮台上,

组成与卫星控制系统相同的仿真回路,使用星上实际的控制规律和实际的运行软件,完成对气浮台的姿态控制。执行机构产生的控制力矩直接作用在气浮台上,如气浮台各轴与对应卫星各轴具有相等的转动惯量,实现转动惯量的1∶1模拟,则执行机构的控制力矩矢量与实际卫星的相同。在进行气浮台缩比模型试验时,气浮台各轴与对应卫星各轴的转动惯量比等于试验时执行机构与实际卫星执行机构控

·

64·

第26卷　第5期李季苏等:气浮台在卫星控制系统仿真中的应用

制力矩之比,因此两者的角加速度矢量相一致。另外,卫星姿态敏感器也按要求安装在气浮台上,与地面目标模拟器相配合,得到姿态角测量信号,因此这种物理仿真就相当于对卫星实际物理模型控制的演示试验。

近年来,气浮台仿真有了新的进展,进行了挠性结构卫星控制方法的物理仿真试验研究和卫星动量轮控制系统的单轴气浮台仿真试验,完成了多体卫星复合控制物理仿真试验,进行了大型航天器单框架控制力矩陀螺控制系统物理仿真试验研究等。本文叙述单轴和三轴气浮台仿真设备在卫星控制系统仿真中的应用,主要包括空间太阳望远镜高精度姿控系统单轴气浮台物理仿真试验研究、大型卫星平台单框架控制力矩陀螺(C G C M G)控制系统三轴气浮台物理仿真试验研究、东方红四号卫星控制系统全物理仿真试验等。

1　空间太阳望远镜高精度姿控系统单轴气浮台物理仿真试验研究

为适应卫星控制系统仿真的需要,北京控制工程研究所对大型单轴气浮台进行技术改造。单轴气浮台仿真系统达到如下技术指标:

1)气浮轴承承载:约1500k g;

2)可加载质量:约500k g;

3)转动惯量:100～4000k g·m2(具有1m～

4.9m直径的台面及相应惯量配置环);

4)干扰力矩:小于10-3N·m;

5)冷气喷气模拟装置推力:0.3N,3N;

6)测角范围:±360°,测角分辨率:2.5×10-4 (°);

7)测角速度范围:±1(°)/s;

测角速度精度:5×10-4(°)/s;

8)目标模拟器:地球模拟器,太阳模拟器,星模拟器。

利用该仿真系统先后完成了多种卫星的单通道物理仿真试验。主要进行的工作有:

1)多体卫星复合控制单通道物理仿真试验(2002年);

2)空间太阳望远镜控制系统物理仿真试验(2004年);

3)高精度高稳定度大型卫星平台控制系统物理仿真试验(2005年);

4)风云卫星控制系统物理仿真试验(2005年)。

本文仅叙述利用该单轴气浮台进行的空间太阳望远镜高精度物理仿真试验研究这个典型的应用。

为验证空间太阳望远镜(S S T)姿态控制系统方案设计的正确性,检验控制精度是否满足高指向精度的要求,以大型单轴气浮台为基本设备,进行了S S T姿态控制系统单通道物理仿真试验。

1.1　物理仿真试验的目的

1)验证S S T姿态控制系统方案设计的正确性;

2)按照太阳定向模式的要求定量检验控制系统性能;

3)验证太阳导行望远镜(S G T)、高精度动量轮等部件的性能及接口匹配情况。

1.2　S S T主要动力学参数及姿态控制精度

1)转动惯量:俯仰轴I y=4000k g·m2,偏航轴

I z=3300k g·m2,滚动轴I x=3300k g·m2;

2)干扰力矩:主要为重力梯度力矩,最大幅值为0.0035N·m;

3)挠性附件:对俯仰轴影响最大,基频为0.8H z,二阶频率为2H z;

4)姿态控制精度:指向误差优于6″。

1.3　试验内容

S S T仿真试验针对精太阳定向模式和寻区机动模式进行。试验内容主要是:

1)S G T粗标定:利用单轴气浮台同步感应器测角对S G T的实际零位和测量精度进行标定;

2)精太阳定向模式仿真:姿态控制系统将姿态调整到使太阳光斑在S G T视场中心;

3)寻区机动模式仿真:姿态控制系统在一定时间内使S G T视场中心机动到瞄准太阳光斑的任意指定位置。

1.4　仿真系统的组成

仿真系统由大型单轴气浮台和台上技术系统以及S S T姿态控制系统主要测量部件太阳导行望远镜(S G T)、高精度动量轮执行部件和测控计算机等组成。其中,S G T经高精度自准直仪标定,其测量精度优于0.5″。另外,为提高气浮台角位移测量精度,在小角度范围内使用高精度C C D测微计,其精度优于0.2″。

图1为空间太阳望远镜高精度单轴气浮台物理仿真试验系统照片。

1.5　系统仿真试验的成果

·

65

·

航　天　控　制2008

年

图1　太阳望远镜高精度单轴气浮台物理

仿真试验系统照片

试验表明,S S T控制系统设计是正确的,控制方

案和参与试验的主要部件均能够满足要求,整个系

统性能满足控制系统的技术指标。控制方案对系统

主要部件和敏感器的指标要求正确,控制方案与部

件配合良好。太阳导行望远镜原理样机的精度指标

及数据更新速率满足要求;速率控制动量轮速率稳

定性满足系统要求。力矩控制动量轮和速率控制动

量轮均能够实现S S T控制系统的设计要求,两者在

控制精度、机动时间和姿态稳定度等指标上没有显

著差异。

试验数据见表1。

表1　试验数据

动量轮16′机动时间

(s)

姿态指向精度

(″)

姿态稳定度

(″/s)

速率轮15010.5

力矩轮15010.5

2　大型三轴气浮台在卫星控制系统仿真中的应用

北京控制工程研究所拥有用于小型卫星控制系统仿真的小型三轴气浮台和用于中、大型卫星控制系统仿真的大型三轴气浮台仿真设备。

其中,大型三轴气浮台主要技术指标如下:

1)轴承承载:约6000k g;

2)可加载质量:小于1200k g;

3)三轴转动惯量:3000k g·m2～7000k g·m2;

4)干扰力矩:铅垂轴≤0.0025N·m,

水平两轴≤0.01N·m;

5)测角计:测量范围:铅垂轴±360°,

水平两轴±15°;

测量误差:小于1′;

6)测角速度计:测量范围±4(°)/s,

测量精度5×10-4(°)/s;

7)冷气喷气模拟装置推力:6N(三轴);

8)旋转轨道平台:

角速度范围0.00417(°)/s～0.07(°)/s,

测量误差小于0.001(°)/s;

9)3个千斤顶:行程650m m,高度差小于1m m,速度范围6m m/m i n～100m m/m i n;

10)太阳模拟器:口径290m m,0.1太阳常数;

11)地球模拟器:两台,分别用于高、低轨道。

本文叙述以大型三轴气浮台仿真系统进行的大型卫星平台S G C M G控制系统物理仿真试验研究及东方红四号卫星控制系统全物理仿真试验。

2.1　大型卫星平台S G C M G控制系统物理仿真试验研究

2.1.1　应用概述

结合大型卫星平台执行机构的发展需要,为了实现大平台高稳定度控制和快速频繁的大角度机动,保证控制系统的控制精度,用单框架控制力矩陀螺系统(S G C M G)研究大型航天器的姿态控制/动量管理系统所面临的问题,在完成S G C M G系统分析和数学仿真的基础上,进一步利用大型三轴气浮台进行S G C M G的物理仿真试验是十分必要的。

作为大型卫星平台的姿态控制执行机构,不但要求在其正常工作模式时,能够抑制各种干扰力矩的影响,获得较高的姿态稳定度和精度;同时,还要求能够提供较大的控制力矩,以完成适当的姿态机动等。单框架控制力矩陀螺具有控制效率高、输出力矩大、频率特性和线性度好等一系列优点,特别适用于大型航天器的姿态控制。物理仿真试验不仅可以验证方案的工程可行性和正确性,还可以为框架角奇异回避问题、失效操纵问题和动量管理优化问题的进一步研究提供工程验证基础,对整个大型卫星平台重点突破高精度高稳定度控制技术、姿态大角度快速机动且快速稳定控制技术的分析和论证具有很重要的意义。

试验的目的主要有:

(1)从控制系统的角度,考察单框架控制力矩陀螺控制系统方案在解决大角度机动的快速性以及机动结束后的高姿态稳定度方面的能力和效果。

(2)从关键执行部件的角度考察单框架控制力矩陀螺控制系统的硬件和软件实现,为工程化奠定

·

66·

第26卷　第5期李季苏等:气浮台在卫星控制系统仿真中的应用

基础。

大型卫星平台姿态与控制系统技术指标如下:

1)三轴姿态指向精度:±0.1°(3σ);2)三轴姿态测量精度:±0.01°(3σ);3)三轴姿态稳定度:5×10-4

(°)/s (3σ);4)大角度机动范围:±30°;5)响应时间:≤180s 。

大型三轴气浮台的动力学参数及基本组成如下:1)台体加载仿真部件后质量:约5860k g ;

2)台体加载仿真部件后三轴惯量:

J x =7500k g ·m 2

,J y =5000k g ·m 2

,J z =7500k g ·m 2

;

3)仿真控制系统采用4个单框架控制力矩陀螺的金字塔构型,作为大型卫星平台的执行机构。

控制力矩陀螺参数如下:1)角动量H=95N ·m ·s ;2)最大输出力矩:7N ·m ;

3)最大框架角速度:σm a x =4.5(°)/s 。图2为大型卫星平台S G C M G 控制仿真系统配置照片

。

图2　太阳同步轨道卫星大平台物理

仿真试验系统照片

2.1.2　应用成果

利用三轴气浮台进行大型卫星平台单框架控制力矩陀螺控制系统的物理仿真试验,进一步验证了方案设计的正确性,而且直观有效地证明了利用S G C M G 控制系统仿真实现平台高稳定度控制和快速频繁的大角度机动的可行性。

角度为30°的多次快速机动试验结果表明,台体三轴姿态角、姿态角速度均达到性能指标要求,响应时间小于180s ,达到很好的控制效果。2.2　东方红四号卫星控制系统三轴气浮台全物理仿真试验2.2.1　应用概述

东方红四号卫星公用平台是我国新一代长寿命、高可靠、高性能静止轨道卫星平台。卫星控制分系统首次利用大型三轴气浮台进行了高轨道卫星的控制系统全物理仿真试验。为了满足三轴转动惯量1∶1的要求,对三轴气浮台仿真系统进行了适应性改造。改造后的气浮台结构大,质量近6000k g ,成为目前国内之最的特大型三轴气浮台仿真系统。

根据仿真试验要求,物理仿真试验的目的是:1)完成控制系统的极性检查;

2)根据正常工作模式下V 型轮工作方式、L 型轮工作方式物理仿真试验,验证东方红四号卫星正常工作模式控制方案和软件设计的正确性;

3)分析各种故障模式试验结果,验证方案和软件的正确性。

为完成东方红四号卫星姿态控制系统全物理仿真试验,对物理仿真系统的总体设计和组成要求如下:

(1)物理仿真系统使用东方红四号卫星控制系统正常工作模式的测量和执行部件,组成相同的三轴动量交换、动量耦合物理仿真试验回路,即:

1)2个50N ·m ·s 动量轮V 型安装,-Y 轴方向合成角动量为93.97N ·m ·s ;1个安装在Z 轴方向的L 型轮备份反作用轮的标称角动量为25N ·m ·s ;当一个偏置动量轮失效时,启动反作用轮与剩下的一个偏置动量轮构成+L 型(或-L 型)(±Z 轴方向反作用轮偏置角动量为±17.1N ·m ·s )备份工作模式;

2)测量滚动和俯仰角的红外地球敏感器采用宽扫描方式时扫描幅度为±11°,采用窄扫描方式时

扫描幅度为±5.5°;测量线性范围,俯仰轴:宽扫描时±11°,窄扫描时±5.5°、滚动轴:宽扫描、窄扫描均为±2.5°;

3)太阳敏感器的视场角为α×β=±60°×±60°,其中α为太阳敏感器输出角,β为进光角;

4)各轴的推力器共计14个,其推力为2N～7.4N ,控制力矩应满足推力器故障对策等模式试验条件;(2)三轴气浮台各坐标轴与卫星各轴对应,并具有相同转动惯量:I x =25300k g ·m 2

;I y =4160k g ·m 2

;I z =

23700k g ·m 2

;(3)在气浮台干扰力矩远大于空间太阳光压干扰力矩条件下,保证正常工作模式下姿控系统物理仿真亦能达到功能性试验结果,力争试验时台体在

·

67·

航　天　控　制2008年

小角度范围内干扰力矩尽量小;

(4)台体角运动范围:铅垂轴360°,水平两轴±3°;测角精度:优于0.017°;

(5)台体角速度测量范围:±4(°)/s ;测量精度:优于5×10-4

(°)/s ;

(6)施加远地点点火模式时的干扰力矩:试验中考虑490N 远地点发动机点火时可能产生的X ,Y 轴常值干扰力矩分别为2.0N ·m ,2.0N ·m ,允许误差为±0.5N ·m ;(7)地球模拟器、太阳模拟器满足仿真系统要求。

图3为东方红四号卫星三轴气浮台全物理仿真试验系统照片

。

图3　东方红四号卫星三轴气浮台全物理仿真系统照片

2.2.2　应用成果

东方红四号卫星控制系统三轴气浮台全物理仿真试验结果表明:部件及系统极性设计正确、控制逻辑和控制律正确,软硬件匹配良好;太阳和地球捕获模式、远地点点火模式、位置保持模式、软件故障报警安全模式、硬件故障报警安全模式等模式试验完成了性能验证,性能指标达到设计要求;正常模式的V 型轮工作方式、L 型轮工作方式的物理仿真试验达到了功能验证的目的。大型系统仿真试验为东方红四号卫星控制系统方案进一步增强鲁棒性提出了可行的建议,为卫星控制分系统方案设计的正确性验证做出了贡献。

3　结束语

北京控制工程研究所的单轴气浮台己经在卫星控制系统仿真中发挥重要作用,不但被广泛用于系统仿真研究课题,而且在卫星型号控制系统方案设

计验证中得到很好的仿真控制效果。该物理仿真装置的动力学性能良好,其姿态控制精度达到角秒级。北京控制工程研究所的小型三轴气浮台、大型三轴气浮台亦被应用在卫星控制系统仿真中。其中,在国内首次进行的高轨道卫星控制系统全物理仿真试验,证明大型三轴气浮台仿真系统可以应用于中、高轨道卫星控制系统仿真。但是,由于大型三轴气浮台台体结构变形、不对称气体质量消耗等因素受地球重力的影响,使台体的不平衡力矩难以调整并稳定到10-4

N ·m 的数量级,因此,对于高轨道卫星控制系统正常模式的V 型轮等工作方式,物理

仿真一般只能完成功能性验证。

参　考　文　献

[1]　李季苏,曾海波.多体卫星复合控制物理仿真试验系

统[J ].航天控制,2003,21(2):27-32.

[2]　李季苏,牟小刚,张锦江.卫星控制系统全物理仿真

[J ].航天控制,2004,22(2):37-41.(上接第59页)

算法后,对其进行了对比仿真,文章的最后对仿真结果做了分析。相信随着地磁匹配定位技术的进一步深入研究,地磁场会在导航领域得到更多的应用。

参　考　文　献

[1]　李素敏,张万清.地磁场资源在匹配制导中的应用研

究[J ].制导与引信,2004,25(3):20.

[2]　陈绍顺,李彦斌,李云.地形匹配制导技术研究[J ].制

导与引信,2003,24(3):18-22.

[3]　X I A O Y i j u n ,D I N GM i n g y u e ,Z H O UC h e n g p i n g .M a t c -h i n gS u i t a b i l i t y A n a l y s i s o fR e f e r e n c eM a p f o rS c e n e M a t c h i n g B a s e d N a v i g a t i o n [J ].I n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o n M u l t i s p e c t r o l I m a g eP r o c e s s i n g ,S P I E V o l .3545:100-103.

[4]　陈岚岚,毕笃眼彦,马时平.H a u s d o r f f 距离在图像匹配

中的应用[J ].现代电子仪器,2002,9(4):68-69.

·

68·