动静隔离、主从协同控制超高指向精度、超高稳定度卫星的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星领域，涉及一种动静隔离、主从协同控制超高指向精度、超高稳定 度（"双超"）卫星及其设计方法。这种"双超"卫星可实现载荷指向精度、稳定度分别高达 10 4度、10 6度/秒的"双超"控制，可应用于高低轨高分遥感、分布式遥感、高精度编队、高 性能激光通信、空间攻防与深空探测等领域。
【背景技术】
[0002] 先进卫星对载荷指向精度、稳定度的要求分别高达10 4度、10 6度/秒量级，比目 前水平高2个量级以上。按照传统载荷与平台固连的设计方法，载荷指向与稳定度依靠平 台控制系统实现，但由于平台微振动不可避免，且控制系统产品带宽、精度等能力有限，使 得固连设计方法存在微振动"难测、难控"技术瓶颈，很难实现载荷"双超"指标。
[0003] 目前，针对卫星振动干扰主要有振动抑制和振源隔离两种方法。振动抑制为在平 台与振源之间加入隔振器，但此种方法是接触式隔振，微振动隔而不绝，精度提升有限。平 台振源隔离方法存在无法将所有振源隔离，且带宽精度有限。因此传统解决方法均难以大 幅提升载荷控制精度。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种动静隔离、主从协同控制超高 指向精度、超高稳定度（"双超"）卫星及其设计方法。
[0005] 根据本发明提供的一种动静隔离、主从协同控制超高指向精度、超高稳定度卫星， 包括平台舱、载荷舱，还包括布置在平台舱与载荷舱之间的非接触磁浮机构；
[0006] 非接触磁浮机构包括相匹配的动子和定子；动子安装于平台舱，定子安装于载荷 舱；
[0007] 载荷舱与平台舱之间通过动子和定子实现动静隔离。
[0008] 优选地，所述动子包括线圈、支架，所述定子包括磁钢、磁辄；
[0009] 其中，线圈通过支架连接到平台舱；磁钢与载荷舱固连；支架与磁辄之间无物理 连接；
[0010] 固定在支架上的线圈位于磁钢和磁辄之间；磁钢、磁辄之间留有间隙；载荷舱与 磁钢、磁辄固连。
[0011] 优选地，平台舱与载荷舱之间布置有8个非接触磁浮机构，其中，所述8个非接触 磁浮机构与两舱间对接面平行或垂直依次间隔对称布置，对称布置的非接触磁浮机构之间 的连线垂直于两舱质心连线，并且对称布置的非接触磁浮机构之间的连线中点位于两舱质 心连线上；
[0012] 所述8个非接触磁浮机构构成八自由度磁浮机构；
[0013] 两舱是指平台舱、载荷舱。
[0014] 优选地，所述非接触磁浮机构利用电磁力或者静电力方式。
[0015] 优选地，平台舱、载荷舱之间的信息传输和位置传感采用无线方式实现，无线方式 包括电磁互感或光电转换；平台舱、载荷舱之间的能量传输采用无线或柔性电缆方式实现
[0016] 优选地，载荷舱与平台舱之间采用主从协同控制，其中，所述主从协同控制，是 指：
[0017] 载荷舱通过姿态传感器和非接触式磁浮机构实现姿态控制，平台舱根据相对位置 传感信息和自身安装的飞轮、推力器伺服跟踪载荷舱姿态，并避免与载荷舱相撞。
[0018] 优选地，所述主从协同控制包含载荷舱姿态主动控制、平台舱从动控制，其中，平 台舱从动控制包含两舱相对位置控制、平台舱姿态控制、平台舱前馈控制三个控制回路；两 舱是指载荷舱与平台舱；
[0019] 所述载荷舱主动控制，具体为：通过传感器确定有效载荷指向，基于载荷舱姿态确 定信息，姿态控制单元产生动作指令，驱动非接触磁浮机构产生控制力，使有效载荷达到期 望的指向精度和稳定度控制；所述传感器包括星敏感器、光纤陀螺；
[0020] 所述两舱相对位置控制，具体为：所述两舱相对位置控制的位置反馈信息由相对 位置传感器测量信息解算得到，执行器为非接触磁浮机构；
[0021] 所述平台舱姿态控制，具体为：所述平台舱姿态控制的姿态反馈信息由相对位置 传感器测量信息解算得到，基于平台舱姿态确定信息，姿态控制单元产生动作指令，驱动飞 轮、推力器产生控制力矩，使平台舱姿态伺服跟踪载荷舱姿态。
[0022] 优选地，对于平台舱的控制：
[0023] 当非接触磁浮机构的线圈在设定区域之内或在设定区域之外但线圈向平衡位置 方向运动时，不启动两舱相对位置控制；
[0024] 当非接触磁浮机构的线圈在设定区域之外且向平衡位置之外运动时，启动两舱相 对位置控制；
[0025] 所述设定区域，是指：磁钢、磁辄之间的间隙的一个阈值范围，根据控制情况人为 设定。
[0026] 优选地，所述平台舱前馈控制，用于补偿非接触磁浮机构的反作用力矩，保障两舱 姿态及两舱相对位置变化尽可能的小，为载荷舱超精超稳控制提供保障。
[0027] 优选地，非接触磁浮机构输出的姿控力与相对位置控制力进行解耦是通过在两舱 间布置八自由度磁浮机构，由八自由度磁浮机构实现对载荷舱转动和两舱相对位置运动共 六个控制量的解耦，两舱是指载荷舱与平台舱。
[0028] 与目前传统方法相比，本发明具有以下特点：
[0029] 1、"双超"性能：双超卫星以空间上动静隔离，控制上主从协同的全新思想和方法， 采用完全位姿解耦构型和滑模层控制思想，利用高精度、高带宽非接触磁浮机构，实现卫星 姿态指向精度优于5 X 10 4度、姿态稳定度优于5 X 10 6度/秒的超高精度，彻底解决"双超" 技术瓶颈，实现了载荷姿态的完全可测可控。
[0030] 2、全频带隔振：双超卫星两舱通过磁浮机构非接触连接，实现动静隔离，直接隔断 平台舱活动和挠性部件向载荷舱的微振动传递，有效保障载荷的超精超稳工作状态，从而 达到全频带隔振的效果，极大降低了对控制系统产品的带宽需求。
[0031] 3、隔离平台热变形：相比传统固连设计，"双超"卫星两舱空间隔离，有效避免了平 台热变形对载荷指向的影响。此外，"双超"卫星还具有简单易行、安全可靠、冗余度高、质量 小功耗低等优点。
[0032] 4、本发明通过非接触磁浮机构，物理上直接消除平台舱高频微振动对载荷舱的不 利影响，极大的降低了对控制系统产品的带宽需求，实现载荷舱姿态的完全可测可控，控制 上改变两舱传统的主从控制关系，采用载荷舱控制为主，平台舱控制为从的"主从协同"控 制思路，并巧妙利用隔离区的"间隙非线性"与两舱的协同解耦控制，实现载荷舱姿态的"双 超"控制，以及平台舱随动载荷舱的控制效果。
[0033] 5、本发明中所述平台舱从动控制的目的是为了保证两舱不碰撞，因此对平台舱控 制精度的要求相对较低，可以利用滑模控制思想：当非接触磁浮机构的线圈在设定区域之 内或在设定区域之外但线圈向平衡位置方向运动时，不启动两舱相对位置控制；当非接触 磁浮机构的线圈在设定区域之外且向平衡位置之外运动时，启动两舱相对位置控制，从而 降低两舱相对位置控制的频次，使磁浮机构专注于调整载荷舱姿态。
[0034] 6、本发明中载荷舱的高精度"主"动控制与两舱的相对位置控制均是通过磁浮机 构实现，因此需要对磁浮机构输出的姿控力与相对位置控制力进行解耦。解耦是通过在两 舱间布置八自由度磁浮机构，由八自由度磁浮机构实现对载荷舱转动和两舱相对位置运动 共六个控制量的解耦，系统易于实现，并且冗余、高可靠。
【附图说明】
[0035] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0036] 图1为"双超"卫星动静隔离式构型示意图。
[0037] 图2为非接触磁浮机构结构示意图。
[0038] 图3为两舱间非接触磁浮机构布局示意图。
[0039] 图4为"双超"卫星主从协同控制原理图。
[0040] 图5为滑膜控制策略示意图。
[0041 ] 图中的标号26表示贮箱，标号23表示帆板驱动机构
【具体实施方式】
[0042] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0043] 本发明提出了基于磁浮技术的动静隔离式超高指向精度、超高稳定度卫星实现解 决方案，通过非接触磁浮机构实现两舱的动静隔离，物理上直接消除平台舱全频段微振动 对载荷舱的不利影响。与传统设计思路迥异，控制系统采用"载荷舱控制为主，平台舱控制 为从"的主从控制思路，并巧妙利用隔离区的"间隙非线性"与两舱的协同解耦控制，实现载 荷指向精度达到5 X 10 4度，姿态稳定度达到5 X 10 6度/秒的控制效果，从根本上解决载荷 指向精度与稳定度难以大幅提升的瓶颈问题。
[0044] 如图1所示，本发明提供的双超卫星主要由载荷舱和平台舱组成，载荷舱可以安 装有效载荷14、光纤陀螺11、星敏感器12、磁浮机构定子等安静部件，平台舱可以安装太阳 帆板24及其驱动机构、飞轮22、推力器21、贮箱25、磁浮机构动子等活动部件。
[0045] 载荷舱和平台舱这两舱间通过非接触磁浮机构实现动静隔离。非接触磁浮机构结 构示意图如图2所示。主要包括动子（线圈31、支架34)和定子（磁钢32、磁辄33)。线 圈31通过支架34连接到平台舱304,磁钢32与载荷舱104固连，支架34与磁辄33之间 无物理连接，从而实现了两舱的非接触。由于磁浮机构输出力主要取决于电流，与定、动子 相对位置基本无关，因此平台舱304的振动和干扰不会传输至载荷舱104,从而达到有效载 荷14动中取静，两舱动静隔离的效果，同时也自然的避免了平台舱