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 .2008V 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21.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,北京1001902.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)05-0064-05A p p l i c a t i o no f A i rB e a r i n g T a b l e i nS a t e l l i t eC o n t r o l S y s t e m S i m u l a t i o nL 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 g21.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 a2.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 aA 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15010.52　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。