[发明专利]航天器残余力矩残余角动量测量标定装置及方法

权利要求书

1.一种航天器残余力矩残余角动量测量标定方法，测量标定装置包括：台上测控系统、台下上位机系统和无线传输系统(6)，台上测控系统和台下上位机系统通过无线传输系统(6)无线连接；

所述台下上位机系统包括数据处理系统(7)和显示系统(8)，数据处理系统(7)和显示系统(8)安装在台下上位机系统上，数据处理系统(7)与显示系统(8)相连接；

所述台上测控系统包括供电系统(1)、时标系统(2)、三轴气浮台姿态测控系统(3)、调平衡系统(4)、支撑与保护系统(5)和气浮台仪表平台(9)，供电系统(1)、时标系统(2)、三轴气浮台姿态测控系统(3)和调平衡系统(4)均安装在气浮台仪表平台(9)上，气浮台仪表平台(9)和支撑与保护系统(5)安装在台上测控系统上，供电系统(1)分别为时标系统(2)、三轴气浮台姿态测控系统(3)和调平衡系统(4)进行供电，台上测控系统的三轴气浮台姿态测控系统(3)与台下上位机系统数据处理系统(7)通过无线传输系统(6)连接；

所述供电系统(1)是使用锂电池与二次电源进行供电；

所述时标系统(2)包括两块时钟板卡；

所述三轴气浮台姿态测控系统(3)包括气浮球、仪表平台、飞轮和陀螺仪，载荷和测量元件安装在仪表平台上，飞轮和陀螺仪按照台体坐标系的三个方向正交安装；

所述调平衡系统(4)，由多个配重块和直线模组成；

所述支撑与保护系统(5)，支撑系统包括三台同步千斤顶和驱动控制系统，保护系统由伞状支撑组成，伞状支撑安装在气浮台仪表平台(9)下方；

其特征在于，包括两部分，一部分是测量三轴气浮台的转动惯量，另一部分是测量载荷工作时产生的残余力矩和残余角动量，二者都是利用角动量定理对三轴气浮台进行姿态分析得到的；

所述测量三轴气浮台的转动惯量算法，第一步利用飞轮作为三轴气浮台的外力矩输入，此时三轴气浮台在飞轮的作用下进行小角度转动，通过陀螺仪输出的信息得到三轴气浮台的角速度角加速度信息，第二步通过辨识得到的转动惯量和载荷的转动惯量得到三轴气浮台自身的转动惯量；

首先分析三轴气浮台在以飞轮作为输入力矩转动时的姿态

其中J_f为飞轮的转动惯量，ω_f为飞轮的转速，为J三轴气浮台的转动惯量，ω为三轴气浮台的角速度，在三轴气浮台工作时，会受到干扰力矩的作用，包括常值干扰力矩，重力干扰力矩和阻尼力矩，将这些干扰力矩的模型得到的公式带入到前述的公式中进行整理写成最小二乘法的形式，可以得到：

[C D E F G]·X＝B (3)

其中E,F,G为三种干扰力矩的模型参数：

X＝[J₁₁ J₂₂ J₃₃ J₁₂ J₁₃ J₂₃ Mgr_x Mgr_y Mgr_z k_x k_y k_z T_cx T_cy T_cz]^T (9)

通过最小二乘法可以辨识得到上述各值，包括转动惯量、惯量积、干扰力矩；

第二步为通过辨识得到的转动惯量和载荷的转动惯量得到三轴气浮台本体的转动惯量矩阵，设载荷在三轴气浮台坐标系OXYZ下各质量元m的坐标为(x_i,y_i,z_i)，且在载荷安装满足要求的情况下，载荷坐标系O₁X₁Y₁Z₁的原点在三轴气浮台坐标系的位置为(x₀,y₀,z₀)

此时，在三轴气浮台坐标系下载荷对于载荷坐标系原点O₁的惯量矩阵为：

在三轴气浮台坐标系下载荷对于三轴气浮台坐标系原点O的惯量矩阵为：

由于载荷坐标系O₁X₁Y₁Z₁的原点即载荷的质点，故：

∑m_ix_i＝∑m_iy_i＝∑m_iz_i＝0

故I₁展开得到

若X为最小二乘法得到的转动惯量，J为三轴气浮台本体的转动惯量，那么：

J＝X-I₁ (13)

所述测量载荷工作时产生的残余力矩和残余角动量算法，

其所测量的载荷为一个二自由度的活动装置，绕其自身x轴和z轴旋转，当载荷工作时，根据角动量守恒定理，可以得到：

其中M为残余力矩，J为三轴气浮台本身不包含载荷部分的转动惯量，ω为三轴气浮台的角速度，将该公式用矩阵的形式表示，可以得到：

J＝[J₁₁ J₂₂ J₃₃ J₁₂ J₁₃ J₂₃]^T (16)

将上述公式高阶小量忽略，并将等式左右同时积分，可以得到：

其中L为残余角动量，通过该公式可以精确得到载荷工作时对航天器产生的残余角动量，再对残余角动量进行微分即可得到残余力矩。