航天器模拟试验系统设计与研究

论文摘要

航天器模拟试验系统的平台为单轴气浮台,通过对该模拟试验系统进行试验,可以展开航天器太阳帆板挠性结构运动模拟及相互耦合影响的研究。本文以实际项目为基础,一方面对航天器模拟试验系统进行了设计,另一方面,以航天器模拟试验系统为平台进行了半物理仿真试验研究。本航天器模拟试验系统主要包括气浮平台、有效载荷、大型天线运动模拟器以及测角、测力系统。在气浮平台设计中利用三个力传感器测量气浮平台反作用力方法,经过折算得到所需力和力矩信息。详细设计了大型天线运动模拟器和有效载荷的结构与控制系统。对测力系统各部分硬件进行设计,主要包括数据采集环节和滤波环节。对测角系统进行了简要介绍。设计控制系统软件,实现上位机、下位机和试验平台的相互通讯。并设计了用户操作界面。依据模拟试验系统的性能指标对测角系统的测角误差进行测试。利用傅立叶分析理论对测角系统的误差进行谐波分析,补偿一、二、三次谐波误差,得到补偿公式,通过软件方式实现误差补偿,最后使得测量结果满足技术指标要求。以带有挠性太阳帆板的航天器为对象,采用基于角动量原理的欧拉法建立姿态动力学模型,包括航天器系统转动动力学方程、附件弹性振动动力学方程。然后,对动力学方程中挠性位移模型进行简化,对挠性附件进行模态分析,将挠性航天器动力学方程规范化,形成由欧拉参数坐标和挠性模态坐标混合表示的动力学方程。利用研制成功的航天器模拟试验系统进行半物理仿真试验,航天器刚体动力学为数值仿真部分。挠性太阳帆板为物理仿真部分,用来产生扰动力矩。采用古典控制方法进行了航天器角度机动试验,并设计了谐振带通滤波器,用以削弱振动影响,同时对滤波前后的仿真结果进行了比较。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外气浮台研究历史与现状
• 1.3 半物理仿真技术的意义
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 第2章 航天器模拟试验系统设计
• 2.1 航天器模拟试验系统总体方案设计
• 2.2 气浮平台设计
• 2.2.1 气浮平台结构
• 2.2.2 测角元件选择
• 2.3 有效载荷的设计
• 2.3.1 有效载荷结构
• 2.3.2 有效载荷模拟器控制系统组成
• 2.4 天线运动模拟器设计
• 2.4.1 天线运动模拟器结构
• 2.4.2 天线运动模拟器控制系统组成
• 2.5 测力系统设计
• 2.5.1 测力元件选择与干扰力折算
• 2.5.2 力传感器的非线性误差补偿
• 2.5.3 数据采集卡设计
• 2.5.4 模拟低通滤波器设计
• 2.5.5 力传感器放大器控制卡设计
• 2.6 软件设计
• 2.6.1 软件功能分析
• 2.6.2 试验系统操作界面
• 2.7 本章小结
• 第3章 测角系统误差的检测与补偿
• 3.1 测角系统误差检测
• 3.2 测角误差谐波分析
• 3.2.1 长周期的一次谐波测角误差
• 3.2.2 长周期的二次谐波测角误差
• 3.3 本章小结
• 第4章 挠性航天器建模与半物理仿真
• 4.1 挠性航天器建模
• 4.1.1 系统动力学方程
• 4.1.2 挠性位移简化模型
• 4.1.3 混合坐标动力学方程
• 4.2 试验系统半物理仿真原理
• 4.3 挠性太阳帆板半物理仿真
• 4.3.1 古典控制方法仿真
• 4.3.2 带有滤波器的控制系统半物理仿真
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢