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专利名称：无拖曳航天器的自由落体验证装置的制作方法
技术领域：
本发明属于无拖曳航天控制技术领域，具体涉及一种无拖曳航天器的自由落体验证装置，该装置能够在地面短时间内直接模拟无拖曳控制航天器的工作状态。
背景技术：
一般而言，由于卫星或者航天器在空间中受到大气阻尼、卫星结构振动、姿态调节以及卫星内部移动部件等残余扰动的影响，其微重力水平在10_4 KT6gtl(g(l为地球表面的重力加速度)。由于空间基础科学实验精度的进一步要求，例如高精度空间引力实验(空间引力波探测、空间等效原理检验等)以及空间微重力实验(涉及生命科学、流体、燃烧、材料科学等)；需要进一步提高卫星平台或者实验平台的微重力水平。对于空间微重力实验环境平台，人类早在上世纪60年代就提出了无拖曳卫星的概念，其基本思想是利用高精度惯性传感器或者加速度计作为基准，采用推进器来补偿卫星受到的残余扰动力，使得卫星跟踪惯性参考物体，进一步改善平台的微重力环境。无拖曳航天技术对于空间基础科学研究、高精度微重力实验、对地观测和深空探测具有重要意义。 无拖曳技术主要包括惯性传感器或加速度计、无拖曳控制器和推进器三部分。惯性传感器或加速度计主要用来测量惯性参考物体与卫星平台的位移及角度变化，卫星平台受到的残余扰动加速度等，其中对于测量精度的要求主要取决于实验的科学目标。无拖曳控制器是根据惯性传感器或加速度计的输出来控制推进器，其相当于一个多输入多输出的控制处理器。推进器主要产生微小的推力和力矩，用来补偿卫星的残余扰动力，推进器的推力精度依赖卫星质量，一般而言需要达到微牛顿量级水平。由于无拖曳技术主要应用于空间环境，故在地面上测试有一定难度，目前地面上主要开展惯性传感器或加速度计以及推进器的一些关键指标的测试，利用仿真模拟手段对无拖曳控制器进行研究，还没有能对整个系统进行直接的完整测试和演示验证的地面实验
>J-U ρ α装直。

发明内容
本发明的目的在于提供一种无拖曳航天器的自由落体验证装置，模拟无拖曳技术的整个功能，其不仅可以测试惯性传感器或加速度计以及推进器的部分性能指标，还可以测试无拖曳控制器的控制算法和技术参数，为在轨的无拖曳航天技术提供依据。本发明的技术方案为无拖曳航天器的自由落体验证装置，包括航天器模拟装置1，用于在地面上做自由落体运动；惯性传感器或加速度计2，用于测量所述航天器模拟装置I的残余扰动加速度；姿态敏感器3，用于测量所述航天器模拟装置I的姿态参数； 无拖曳控制器4，用于对所述惯性传感器或加速度计2和所述姿态敏感器3分别测量的残余扰动加速度和姿态参数进行处理得到反馈控制信号；
推进器5，用于在反馈控制信号控制下产生推力作用在所述航天器模拟装置I上， 使得所述航天器模拟装置I克服外界环境的残余扰动和维持姿态。进一步地，所述惯性传感器或加速度计2为一个或多个，其中一个安放在所述航天器模拟装置I的质心，其它的分布在所述航天器模拟装置I的质心以外的位置。进一步地，所述推进器5为一个或多个。进一步地，所述姿态敏感器3为陀螺仪。本发明的技术效果体现在本发明提供的无拖曳航天器的自由落体验证装置，通过航天器在地面短时间内的自由落体运动，模拟空间运行环境，把惯性传感器或加速度计、 姿态敏感器，无拖曳控制器和推进器综合起来，在短时间可以实现空间无拖曳航天系统技术地面环境下的性能和功能测试验证。


图I为无拖曳航天器的自由落体验证装置。
具体实施例方式当航天器模拟装置I在地面上进行自由落体运动时，其等价于短时间模拟航天器空间运行状态，同样会受到空气阻力等环境影响。利用加速度计2 (为了抑制航天器模拟装置机械振动的影响，需考虑把加速度计放置在航天器模拟装置的质心，同时可以在航天器模拟装置不同地方放置多个加速度计进行测量)和姿态敏感器3 (航天器常用姿态敏感器有陀螺仪、太阳敏感器、恒星敏感器、磁强计等，在本发明中，优选采用陀螺仪)分别测量航天器模拟装置I在自由落体过程中的残余扰动加速度和姿态等参数，并且把测量结果作为无拖曳控制器4的输入信号，经过无拖曳控制器4 (无拖曳控制器是控制调节单元，其控制属于随动控制问题，通过采用合适的控制算法来保证系统的鲁棒性，最终目的是通过微推进器补偿或者抵消航天器平台的非保守力)的处理及分析后，进而得到反馈控制信号，同时施加给推进器5 (为了得到更好的控制补偿效果，可以在航天器模拟装置不同地方放置多个推进器进行控制)，推进器5产生推力作用在航天器模拟装置I上，其综合效果使得航天器模拟装置I克服外界环境的残余扰动，同时其姿态得到控制，即在地面环境短时间模拟实现了无拖曳航天技术，从而可以开展无拖曳技术系统中各环节的性能和功能的测试验证。
权利要求
1.无拖曳航天器的自由落体验证装置，包括航天器模拟装置(I)，用于在地面上做自由落体运动；惯性传感器或加速度计(2)，用于测量所述航天器模拟装置(I)的残余扰动加速度；姿态敏感器(3)，用于测量所述航天器模拟装置(I)的姿态参数；无拖曳控制器(4)，用于对所述惯性传感器或加速度计(2)和所述姿态敏感器(3)分别测量的残余扰动加速度和姿态参数进行处理得到反馈控制信号；推进器(5)，用于在反馈控制信号控制下产生推力作用在所述航天器模拟装置(I)上， 使得所述航天器模拟装置(I)克服外界环境的残余扰动和维持姿态。
2.根据权利要求I所述的无拖曳航天器的自由落体验证装置，其特征在于，所述惯性传感器或加速度计(2)为一个或多个，其中一个安放在所述航天器模拟装置(I)的质心，其它的分布在所述航天器模拟装置(I)的质心以外的位置。
3.根据权利要求I所述的无拖曳航天器的自由落体验证装置，其特征在于，所述推进器(5)为一个或多个。
4.根据权利要求I所述的无拖曳航天器的自由落体验证装置，其特征在于，所述姿态敏感器(3)为陀螺仪。
全文摘要
本发明提供一种无拖曳航天器的自由落体验证装置，包括航天器模拟装置，用于在地面上做自由落体运动；惯性传感器或加速度计，用于测量航天器模拟装置的残余扰动加速度；姿态敏感器，用于测量航天器模拟装置的姿态参数；无拖曳控制器，用于对残余扰动加速度和姿态参数进行处理得到反馈控制信号；推进器，用于在反馈控制信号控制下产生推力作用在所述航天器模拟装置上，使得航天器模拟装置克服外界环境的残余扰动和维持姿态。本发明通过航天器在地面短时间内的自由落体运动，模拟空间运行环境，把惯性传感器或加速度计、姿态敏感器，无拖曳控制器和推进器综合起来，在短时间可以实现空间无拖曳航天系统技术地面环境下的性能和功能测试验证。
文档编号G01M99/00GK102589917SQ20121004261
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月23日 优先权日2012年2月23日
发明者吴书朝, 周泽兵, 李洪银, 白彦峥, 罗俊 申请人:华中科技大学