[发明专利]卫星轨道运动地面模拟系统及其模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于卫星轨道运动地面模拟系统及其模拟方法，具体地说，是通过气浮平台、气足、高压气源以及中心引力模拟装置来实现卫星在轨道上所受到的地球中心引力、卫星在轨失重状态和卫星在轨无摩擦运动状态的地面模拟；以及运用以上系统的模拟方法。

背景技术

卫星工程是一项高风险、高投入、高度复杂而又高精度的系统工程，而卫星控制系统是卫星平台的核心，直接决定了卫星任务成败，因此国内外各航天机构都非常重视卫星控制系统的地面仿真验证工作，设计并建立了多种卫星控制仿真系统，在卫星设计和研制中进行了大量的地面仿真和试验，以确保卫星在轨运行的成功率。

卫星控制系统全物理仿真是指利用卫星运动模拟系统模拟卫星本体在轨道上的动力学和运动学特性，并将其作为控制对象，控制系统采用卫星控制系统实物所进行的仿真试验。由于能够以最逼真的程度模拟卫星在轨运动与控制的实际状态，可以进行控制系统的高置信度仿真，验证控制系统方案设计的正确性，检验控制系统硬件的功能和性能，是卫星研制过程中的重要手段和方法。

卫星轨道控制系统全物理仿真实现过程中的核心问题就要在地面上模拟卫星在轨失重条件下的运动特性。目前，基于气浮原理的轨道运动模拟是最常用的方法，采用该方法的轨道运动模拟系统由基于气浮平台、气足及高压气源组成。其中高压气源气体经过气足的节流小孔流入气足下端面与气浮平台间的间隙，形成一层气膜从而产生向上的作用力，使安装于气足上的卫星模拟器悬浮起来，达到合力为零的“失重”状态，卫星模拟器能够沿气浮平台作2维无摩擦自由平动，达到模拟卫星在轨道平面内2维轨道运动的目的。

但实际上卫星在轨运行过程中，除了处于失重状态，以及无干扰运动状态之外，还受到地球对卫星的中心引力作用，该中心引力是卫星绕地球运动的原始驱动力，但利用现有基于气浮平台和气足的卫星轨道运动模拟系统无法模拟卫星所受地球的中心引力，不能对卫星轨道运动和控制进行有效的地面仿真验证。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有地球中心引力、卫星在轨失重状态和卫星在轨无摩擦运动状态模拟功能的卫星轨道运动地面模拟系统，并给出利用该模拟系统进行卫星轨道运动的模拟方法。

本发明基于气浮原理的卫星轨道运动地面模拟系统，包括气浮平台、放置于该气浮平台上的气足、与该气足相连接的高压气源以及中心引力模拟装置，该中心引力模拟装置包括：第一中心轴，垂直安装于该气浮平台中间；第一磁铁，水平安装于该第一中心轴上；第二中心轴，垂直安装于该气足上；第二磁铁，水平安装于该第二中心轴上，且与第一磁铁磁力的合力作用线通过第一、第二中心轴的连线。

利用高压气源中高压气体在气足下端面与气浮平台间产生气膜来模拟卫星在轨失重状态和无摩擦运动状态，利用中心引力模拟装置所产生的磁力来模拟地球对卫星的中心引力，由于磁力大小与距离的二次方成反比，具有同地球引力相同的力学特性，因此利用第一、第二两块磁铁间的磁力能够有效模拟地球对卫星的中心引力。

应用上述卫星轨道运动地面模拟系统的模拟方法为，包括如下步骤：开通高压气源，在气足与气浮平台间产生一层气膜将安装于气足上的卫星模拟器浮起，给卫星模拟器提供一定的运动速度，由中心引力模拟装置提供卫星模拟器圆周运动的向心力，令卫星模拟器在气浮平台上绕固定于气浮平台上的中心轴无摩擦自由转动。，从而模拟卫星在轨道上所受到的地球中心引力、卫星在轨失重状态和卫星在轨无摩擦运动状态。

本方明还可以包含以下特征：

1、气浮平台、气足和高压气源均采用非磁性材料。

2、该第一、第二磁铁通过低摩擦轴承分别安装于第一、第二中心轴上，该第一、第二磁铁分别绕该第一、第二中心轴低摩擦转动。

3、中心引力模拟装置所使用的第一、第二磁铁均为马蹄形永磁铁，安装时需保证异性磁极相对。

本发明提出了一种卫星轨道运动模拟系统及模拟方法。能够同时模拟卫星在轨道上所受到的地球中心引力、卫星在轨失重状态和卫星在轨无摩擦运动状态，并且具有结构简单，成本低等优点。

附图说明

图1是本发明所提出的卫星轨道运动地面模拟系统组成框图；

图2为本发明所提出的中心引力模拟装置俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是卫星轨道运动地面模拟系统组成框图，主要有以下几部分：气浮平台1、低摩擦轴承2、第一中心轴3、第一磁铁4、卫星模拟器5、第二中心轴6、第二磁铁7、低摩擦轴承8、高压气源9、气足10。