一种验证卫星编队的三轴气浮台导引方法 【技术领域】
本发明涉及航天测控领域， 具体涉及一种验证卫星编队的三轴气浮台导引方法。背景技术 卫星控制系统全物理仿真是研制卫星控制过程中特有的一种仿真方法， 它利用三 轴气浮转台作为运动模拟器， 又称气浮台仿真。卫星控制系统全物理仿真采用三轴气浮台 模拟卫星本体作为控制对象， 控制系统采用卫星控制系统实物进行仿真。空间飞行器进行 全物理仿真时， 需要在地面上模拟失重或无阻力等重要的空间环境， 采用气浮台仿真是较 为理想的一种手段， 能很好地模拟这种空间环境且易于在地面实现， 所以得到了广泛应用。
三轴气浮转台通过压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成气膜， 使台体浮于空 中， 实现近似无摩擦的相对运动条件， 从而实现模拟卫星在外层空间所受干扰力矩很小的 力学环境。利用三轴气浮台仿真能够在地面上模拟刚体卫星的姿态和轨道运动。
卫星编队飞行是目前国际航天动力学与控制领域的研究热点， 最初是由美国空军 和美国国家航空航天局提出的。 所述的卫星编队是指由若干颗卫星在飞行中组成特定的队 形， 并保持较近的距离， 其功能上相当于一颗巨大的虚拟卫星。与单颗卫星相比， 卫星编队 可使每颗卫星的功能简化， 成本降低。利用多颗卫星协作， 可获得单星无法具有的优势。
卫星编队飞行的全物理仿真是卫星控制系统全物理仿真中较为复杂的情况， 对于 所述的卫星编队飞行， 要求多颗模拟卫星间要有姿态和轨道的协调， 多颗模拟卫星协调起 来比较较复杂， 不易实现卫星编队飞行的导引， 目前， 关于卫星编队的三轴气浮台引导方法 没有相关的研究。
发明内容
本发明的目的是为解决多颗模拟卫星之间协调复杂的问题， 提供了一种验证卫星 编队的三轴气浮台导引方法。
本发明是通过下述方案予以实现的 ： 一种验证卫星编队的三轴气浮台导引方法， 所述方法基于一个包括有三个三轴气浮台的仿真平台实现， 分别采用三个三轴气浮台作为 三颗模拟卫星， 仿真平台的控制台控制三轴气浮台运动， 应用所述仿真平台验证卫星编队的三轴气浮台导引方法为 ： 步骤一、 将三颗模拟卫星分别设定为主星、 第一从星及第二从星， 并确定各模拟卫星的 运动模式 ； 步骤二、 根据每个模拟卫星的运动模式， 控制台预先设定各个模拟卫星的运动轨迹参 数， 规划第一从星及第二从星的运动轨迹 ； 步骤三、 实时测量各颗模拟卫星在所述的仿真平台上的实时测量数据， 所述的实时测 量数据是指每颗模拟星的位置数据、 角度数据和角速度数据 ； 并将实时测量获得的实时测 量数据在各颗模拟卫星之间以及各颗模拟卫星与控制台之间进行实时传输 ； 控制台根据获得的实时测量数据分别对第一从星及第二从星进行导引， 控制台对第一从星及第二从星的导引方法相同， 具体导引方法为 ： 步骤三一、 控制台根据待导引的从星的运动轨迹以及当前时刻待导引的从星的位置数 据， 确定待导引的从星的当前运动目标点 ； 步骤三二、 控制台计算并获得待导引的从星的当前时刻的位置与该从星的当前运动目 标点间的距离 ； 步骤三三、 控制台判断步骤三二中确定的待导引的从星的当前位置与该从星的当前运 动目标点间的距离是否小于预先设定的系统允许偏差值， 判断结果为是， 执行步骤三四， 判 断结果为否， 执行步骤三五 ； 步骤三四、 根据带引导从星的运动轨迹， 控制台判断该从星的飞行任务是否完成， 判断 结果为是， 执行结束指令， 判断结果为否， 执行步骤三六 ； 步骤三五、 调整待导引的从星的运动方向， 使该从星向当前运动目标点飞行， 返回步骤 三二 ； 步骤三六、 确定待导引的从星的下一运动目标点， 并将所述的下一运动目标点定义为 该从星的当前运动目标点， 返回步骤三二。
本发明基于一个包括有三个三轴气浮台的仿真平台实现， 所述的仿真平台分别采 用三个三轴气浮台模拟三颗卫星， 仿真平台的控制台控制三轴气浮台运动， 进而实现卫星 编队飞行的全物理仿真。 本发明实现了卫星编队飞行全物理仿真过程中对三颗模拟卫星即 三轴气浮台的导引， 使得模拟卫星分别按照预定的仿真方案所规划的轨迹运动。 首先， 确定 各颗模拟卫星的功能， 结合编队飞行任务确定模拟卫星的运动模式 ； 之后， 根据测量得到的 各颗模拟卫星的实时测量数据和确定的模拟卫星的运动模式， 规划的各颗模拟卫星的运动 轨迹 ； 结合实时测量数据确定当前运动目标点的位置 ； 根据实际仿真平台条件和控制系统 性能确定系统允许偏差值 ； 实时计算模拟卫星到当前运动目标点的距离， 当所述距离小于 系统允许偏差值时， 系统根据所规划的运动轨迹给出下一目标点。通过这样依次给出当前 运动目标点的方法导引各模拟卫星运动直到系统要求结束。
本发明所述的导引方法通过对每颗模拟卫星进行规划和导引来一步步实现运动 全过程使得整个仿真过程易实现、 计算量小且简化了控制方案， 所述的导引方法适用范围 广。 附图说明
图 1 是应用所述仿真平台验证卫星编队的三轴气浮台导引方法 ； 图 2 是控制台对 待引导从星的导引方法的流程图。 具体实施方式
具体实施方式一 ： 下面结合图 1 及图 2 具体说明本实施方式。一种验证卫星编队 的三轴气浮台导引方法， 所述方法基于一个包括有三个三轴气浮台的仿真平台实现， 分别 采用三个三轴气浮台作为三颗模拟卫星， 仿真平台的控制台控制三轴气浮台运动， 应用所述仿真平台验证卫星编队的三轴气浮台导引方法为 ： 步骤一、 将三颗模拟卫星分别设定为主星、 第一从星及第二从星， 并确定各模拟卫星的 运动模式 ；步骤二、 根据每个模拟卫星的运动模式， 控制台预先设定各个模拟卫星的运动轨迹参 数， 规划第一从星及第二从星的运动轨迹 ； 步骤三、 实时测量各颗模拟卫星在所述的仿真平台上的实时测量数据， 所述的实时测 量数据是指每颗模拟星的位置数据、 角度数据和角速度数据 ； 并将实时测量获得的实时测 量数据在各颗模拟卫星之间以及各颗模拟卫星与控制台之间进行实时传输 ； 控制台根据获得的实时测量数据分别对第一从星及第二从星进行导引， 控制台对第一 从星及第二从星的导引方法相同， 具体导引方法为 ： 步骤三一、 控制台根据待导引的从星的运动轨迹以及当前时刻待导引的从星的位置数 据， 确定待导引的从星的当前运动目标点 ； 步骤三二、 控制台计算并获得待导引的从星的当前时刻的位置与该从星的当前运动目 标点间的距离 ； 步骤三三、 控制台判断步骤三二中确定的待导引的从星的当前位置与该从星的当前运 动目标点间的距离是否小于预先设定的系统允许偏差值， 判断结果为是， 执行步骤三四， 判 断结果为否， 执行步骤三五 ； 步骤三四、 根据带引导从星的运动轨迹， 控制台判断该从星的飞行任务是否完成， 判断 结果为是， 执行结束指令， 判断结果为否， 执行步骤三六 ； 步骤三五、 调整待导引的从星的运动方向， 使该从星向当前运动目标点飞行， 返回步骤 三二 ； 步骤三六、 确定待导引的从星的下一运动目标点， 并将所述的下一运动目标点定义为 该从星的当前运动目标点， 返回步骤三二。 本实施方式基于一个包括有三个三轴气浮台的仿真平台实现， 所述的仿真平台分 别采用三个三轴气浮台模拟三颗卫星， 仿真平台的控制台控制三轴气浮台运动， 进而实现 卫星编队飞行的全物理仿真。 本实施方式实现了卫星编队飞行全物理仿真过程中对三颗模 拟卫星即三轴气浮台的导引， 使得模拟卫星分别按照预定的仿真方案所规划的轨迹运动。 首先， 确定各颗模拟卫星的功能， 结合编队飞行任务确定模拟卫星的运动模式 ； 之后， 根据 测量得到的各颗模拟卫星的实时测量数据和确定的模拟卫星的运动模式， 规划的各颗模拟 卫星的运动轨迹 ； 结合实时测量数据确定当前运动目标点的位置 ； 根据实际仿真平台条件 和控制系统性能确定系统允许偏差值 ； 实时计算模拟卫星到当前运动目标点的距离， 当所 述距离小于系统允许偏差值时， 系统根据所规划的运动轨迹给出下一目标点。通过这样依 次给出当前运动目标点的方法导引各模拟卫星运动直到系统要求结束。
本实施方式中仿真平台可提供的范围为 6m×6m， 模拟卫星在限定的范围内模拟飞 行。
本实施方式所述的导引方法通过对每颗模拟卫星进行规划和导引来一步步实现 运动全过程使得整个仿真过程易实现、 计算量小且简化了控制方案， 所述的导引方法适用 范围广。
具体实施方式二 ： 本实施方式是对具体实施方式一所述的一种验证卫星编队的三 轴气浮台导引方法的进一步限定， 在步骤一中， 所述的各模拟卫星的运动模式具体是指 ： 主 星在设定的位置上旋转， 第一从星及第二从星以主星所在位置为圆心， 逆时针环绕的运动 模式飞行。
根据编队飞行的任务要求和实现方式， 卫星编队的模型有很多种， 本实施方式中 采用的是主从星 （Leader-Follower） 模型。在编队飞行任务中， 确立一颗模拟卫星为主星， 其余模拟卫星被设定为从星。
具体实施方式三 ： 本实施方式是对具体实施方式一所述的一种验证卫星编队的三 轴气浮台导引方法的进一步限定， 步骤二中所述的各个模拟卫星的运动轨迹参数是指， 主 星所在位置、 第一从星的运动轨迹的圆心和半径、 第二从星的运动轨迹的圆心和半径。
本实施方式中所述的从星相对于主星的运动轨迹称为从星运动轨迹， 从星运动轨 迹的不同形态形成了各种编队的构形。
具体实施方式四 ： 本实施方式是对具体实施方式三所述的一种验证卫星编队的三 轴气浮台导引方法的进一步限定， 步骤三一中所述的确定待导引的从星的当前运动目标点 的方法为 ： 当待导引的从星位于该从星的运动轨迹圆外时， 从该从星所在当前时刻的位置沿逆时 针方向向该从星的运动轨迹圆做切线， 该切线在所述运动轨迹圆上的切点即确定为该从星 的当前运动目标点 ； 当待导引的从星位于该从星的运动轨迹圆内时， 与该从星所在当前时刻的位置距离最 近、 且位于该从星的运动轨迹圆上的点即确定为该从星的当前运动目标点 ； 当待导引的从星位于该从星的运动轨迹圆上时， 该从星所在当前时刻的位置即为当前 运动目标点。 具体实施方式五 ： 本实施方式是对具体实施方式二所述的一种验证卫星编队的三 轴气浮台导引方法的进一步限定， 在步骤三中， 所述的每颗模拟星的位置数据和角度数据 采用位于仿真平台上空的室内相机及图像分析计算机实现测量， 所述的每颗模拟卫星的角 速度数采用固定安装在所述模拟卫星上的陀螺仪传感器进行测量。
具体实施方式六 ： 本实施方式是对具体实施方式五所述的一种验证卫星编队的三 轴气浮台导引方法的进一步限定， 在步骤三中， 实时测量数据在各颗模拟卫星之间以及各 颗模拟卫星与控制台之间进行实时传输的方式为 ： 模拟卫星之间采用蓝牙无线数据传输方 式实现实时数据传输， 三颗模拟卫星与控制台之间采用仿真平台上的无线路由器实现实时 数据传输。
具体实施方式七 ： 本实施方式是对具体实施方式一所述的一种验证卫星编队的三 轴气浮台导引方法的进一步限定， 步骤三三所述的系统允许偏差值的取值范围为 0.01 ～ 0.1m。
本实施方式中所述的系统允许偏差值受仿真平台条件、 执行机构条件及设计的控 制系统性能等因素影响。
具体实施方式八 ： 本实施方式是对具体实施方式一所述的一种验证卫星编队的三 轴气浮台导引方法的进一步限定， 步骤三六中， 所述的确定待导引的从星的下一目标点的 方法为 ： 在待导引的从星的运动轨迹上选取下一运动目标点， 使得下一运动目标点与当前 运动目标点间的圆弧所对应的该从星运动轨迹的圆心角为 15°。
本实施方式中根据仿真平台条件， 第一从星与第二从星的导引方法相同， 所述的 第一从星与第二从星之间存在一定距离， 取模拟卫星运动轨迹上相邻两目标点， 相邻两目 标点间的圆弧所对应的圆心角为 15°， 而圆心角的取值受仿真平台条件、 执行机构条件及
设计的控制系统性能等因素影响。
另外， 本实施方式中， 根据编队飞行任务要求， 主星也可做有规律的运动， 根据主 星运动轨迹， 进而确定第一从星及第二从星的从星运动轨迹， 导引第一从星及第二从星按 轨迹运动。