CN116080940A - 双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法，属于航天器地面仿真技术领域。该装置包括单轴气浮平台和同轴多自由度目标运动模拟器。单轴气浮平台用于模拟任务卫星本体，其上设置目标探测器和卫星GNC系统，由卫星GNC系统控制气浮平台实现任务卫星的指向和姿态运动。同轴多自由度目标运动模拟器用于模拟目标卫星在两星交会区域内的运动和外部特征，其包括目标卫星姿轨计算系统、多自由度伺服机构和目标特性模拟器。本发明利用自成一体的闭环反馈控制系统能更加接近于真实太空环境中的双星情况，还通过倾斜臂或拱形臂设置，使目标卫星更接近于真实卫星运动轨迹，且更利于仰角效果模拟，模拟自由度大，模拟运动范围广，精度高。

Description

双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法

技术领域

本发明涉及航天器地面仿真技术领域，特别是涉及一种双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法。

背景技术

空间双星的跟踪指向仿真仍是当下的一个研究热点。由于空间飞行器远离地面，工作环境特殊，无法在地面进行实机验证。当前国内已有的方法主要集中在数字仿真和半实物仿真领域，存在难以精确复现现实空间中的工作环境，存在精度低的缺陷。

现有技术CN202111018334.8，名称为一种空间双星高精度跟踪指向演练装置与方法，虽然公开了一种全物理仿真装置及方法，但该装置中由于目标星模拟装置只能在竖直臂的竖直面内作周向和上下运动，仍存在无法真实模拟不同轨道上的双星在轨道交会区域内的高速交会运动，以及很难实现仰角效果的模拟。还有，该方法中仍是依靠外部装置提供的信息进行目标星的跟踪，与真实环境中的卫星工作状态还是具有较大差别。

针对分布式的模拟装置，现有同步装置多利用有线总线连接或GPS信号完成同步功能，但是有线总线连接方式多为周期性校时，对于航天器仿真装置中的气浮台，只能在实验开始前进行有线校时，因此该有线总线连接的同步方式无法用于航天器仿真装置中；而航天器仿真装置的仿真过程需要在微波暗室中进行，因此也无法采用GPS信号进行同步校时。

由此可见，上述现有的航天器运动模拟装置仍存在模拟自由度不足、模拟运动范围小、仿真性和同步性不足的问题。本申请就是在此基础上，创设的一种新的双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法，使其通过对竖直臂的改进，提升模拟自由度，增加模拟运动范围，且通过闭环反馈控制系统，达到接近真实太空环境中的双星高速交会运动模拟，仿真性和精度大大提高，更利于空间双星的跟踪指向仿真。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双星高速交会运动时空同步模拟装置，使其通过对竖直臂的改进，提升模拟自由度，增加模拟运动范围，且通过闭环反馈控制系统，达到接近真实太空环境中的双星高速交会运动模拟，仿真性和精度大大提高，更利于空间双星的跟踪指向仿真，从而克服现有的双星跟踪模拟装置的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种双星高速交会运动时空同步模拟装置，包括单轴气浮平台和同轴多自由度目标运动模拟器；

所述单轴气浮平台，用于模拟任务卫星本体，其上用于设置目标探测器和卫星GNC系统，所述目标探测器用于接收所述同轴多自由度目标运动模拟器中目标特性模拟器发出的光学特性信号，并自行解算出与目标卫星的相对位置后，将解算结果反馈至所述卫星GNC系统，所述卫星GNC系统用于根据解算结果控制所述单轴气浮平台实现跟踪目标卫星的指向和姿态运动；

所述同轴多自由度目标运动模拟器，用于模拟与任务卫星相交轨道上的目标卫星在两星高速交会区域内的运动和外部特征，其包括目标卫星姿轨计算系统、多自由度伺服机构和目标特性模拟器；所述目标卫星姿轨计算系统用于根据目标卫星和任务卫星的实际轨道参数完成目标卫星轨道和姿态的解算，并将解算结果发送至所述多自由度伺服机构和目标特性模拟器，所述目标特性模拟器用于根据所述目标卫星姿轨计算系统发送的解算结果完成目标卫星的光学特性模拟，且所述目标特性模拟器设置在所述多自由度伺服机构上，所述多自由度伺服机构用于根据所述目标卫星姿轨计算系统发送的解算结果带动所述目标特性模拟器运动，实现对目标卫星的运动模拟，使所述目标特性模拟器和单轴气浮平台的相对位置符合实际卫星间的相对位置。

进一步改进，所述多自由度伺服机构包括基座和设置在其上部的同轴回转台，所述同轴回转台设置在所述单轴气浮平台外周且与其同轴设置，所述同轴回转台通过轴承与所述基座连接，并通过驱动电机带动轴承外转子旋转实现其围绕所述单轴气浮平台的转动；

所述同轴回转台的一侧设有其上端向所述单轴气浮平台上方倾斜的倾斜臂，所述倾斜臂上设有直线滑轨，所述直线滑轨内部设有滑动台，所述滑动台上固定有单轴目标模拟台，所述目标特性模拟器设置在所述单轴目标模拟台上，由所述滑动台带动其沿所述直线滑轨做直线运动，所述单轴目标模拟台用于保证所述目标特性模拟器始终指向所述目标探测器，所述同轴回转台的另一侧设有配重块。

进一步改进，所述倾斜臂采用可调节旋转臂，由回转驱动机构驱动其旋转实现倾斜角度的调整；或者

所述倾斜臂设置为从所述同轴回转台的一侧延伸至另一侧的拱形臂，所述拱形臂内部设有弧形导轨，所述弧形导轨内部设有由皮带传动机构带动的所述滑动台。

进一步改进，还包括安装矩阵激光校准系统，所述安装矩阵激光校准系统包括激光坐标测量仪和分别安装在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜，所述激光坐标测量仪用于通过设置在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜实现所述卫星GNC系统、目标探测器相对于所述单轴气浮平台的安装矩阵测量，以完成对所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间的坐标转换，提高所述卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和所述目标探测器的探测指向精度。

进一步改进，还包括台上台下同步系统，所述台上台下同步系统包括同步时钟主板卡和若干同步时钟从板卡，其中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述单轴气浮平台上的工控机中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述同轴多自由度目标运动模拟器的工控机中，所述同步时钟主板卡安装在台下数据采集工控机中，与所述同步时钟从板卡通过有线、无线或激光方式实现时间同步校准；

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡中均设有恒温晶振计时模块，用于在仿真实验过程中主板卡和从板卡断开后的各板卡完成自守时同步。

进一步改进，所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过有线方式连接时，利用线缆实现同步信号的传输，且有线连接方式采用主从树型拓扑结构或主从链式拓扑结构；或者，

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过无线方式连接时，利用UWB无线通信模块实现同步信号的传输；或者，

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过激光方式连接时，利用激光器和光电感应装置实现同步信号的传输，其中所述激光器与所述同步时钟主板卡连接，并由其激发实现激光发射，所述光电感应装置设置在所述单轴气浮平台上，且与其上设置的所述同步时钟从板卡连接，用于感应接收所述激光器发射的激光，所述同步时钟从板卡根据接收激光的时间与主板卡的激发时间之差完成时间同步校准。

作为本发明的又一改进，本发明还提供一种双星高速交会运动时空同步模拟方法，所述方法由上述的双星高速交会运动时空同步模拟装置完成，包括以下步骤：

（1）根据预模拟的目标卫星和任务卫星的轨道参数，通过所述目标卫星姿轨计算系统进行目标卫星轨道和姿态的解算，将解算结果发送至所述多自由度伺服机构和目标特性模拟器；所述多自由度伺服机构根据解算结果带动所述目标特性模拟器运动，实现对目标卫星的运动模拟，使所述目标特性模拟器和单轴气浮平台的相对位置符合实际卫星间的相对位置；所述目标特性模拟器根据解算结果实时、动态的完成目标卫星的光学特性模拟，包括目标姿态特性模拟和距离特性模拟；

（2）所述单轴气浮平台上的所述目标探测器接收所述目标特性模拟器模拟的光学特性信号，并自行解算出与目标卫星的相对位置后，将解算结果反馈至所述卫星GNC系统，所述卫星GNC系统根据解算结果控制所述单轴气浮平台实现跟踪目标卫星的指向和姿态运动，实现自成一体的闭环反馈控制系统，达到接近真实太空环境中的双星高速交会运动模拟。

进一步改进，还包括仿真实验前的所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间坐标转换校准步骤，所述步骤通过安装矩阵激光校准系统实现，所述安装矩阵激光校准系统包括激光坐标测量仪和分别安装在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜，所述激光坐标测量仪用于通过设置在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜实现所述卫星GNC系统、目标探测器相对于所述单轴气浮平台的安装矩阵测量，以完成对所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间的坐标转换，提高所述卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和所述目标探测器的探测指向精度。

进一步改进，还包括仿真实验前的目标卫星和任务卫星模拟过程中的时间同步校准步骤，所述步骤通过台上台下同步系统实现，所述台上台下同步系统包括同步时钟主板卡和若干同步时钟从板卡，其中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述单轴气浮平台上的工控机中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述同轴多自由度目标运动模拟器的工控机中，所述同步时钟主板卡安装在台下数据采集工控机中，与所述同步时钟从板卡通过有线、无线或激光方式实现时间同步校准。

进一步改进，所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过有线方式连接时，利用线缆实现同步信号的传输，当所述同步时钟从板卡数量小于等于2时，采用主从树型拓扑结构实现有线同步方式连接，当所述同步时钟从板卡数量大于2时，采用主从链式拓扑结构实现有线同步方式连接；或者，

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过无线方式连接时，利用UWB无线通信模块实现同步信号的传输；或者，

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过激光方式连接时，利用激光器和光电感应装置实现同步信号的传输，其中所述激光器与所述同步时钟主板卡连接，并由其激发实现激光发射，所述光电感应装置设置在所述单轴气浮平台上，且与其上设置的所述同步时钟从板卡连接，用于感应接收所述激光器发射的激光，所述同步时钟从板卡根据接收激光的时间与主板卡的激发时间差完成时间同步校准。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

1.本发明双星高速交会运动时空同步模拟装置通过采用单轴气浮平台模拟任务卫星本体，用于在其上设置目标探测器和卫星GNC系统，通过目标探测器接收目标特性模拟器模拟的光学特性信号，并自行解算出与目标卫星的相对位置后，将解算结果反馈至卫星GNC系统，由卫星GNC系统根据解算结果控制单轴气浮平台实现跟踪目标卫星的指向和姿态运动，实现自成一体的闭环反馈控制系统，达到更加接近真实太空环境中的双星高速交会运动模拟，仿真性更强，为仿真结果提高更强保障。

2.还通过对同轴回转台上倾斜臂或拱形臂的改进设置，使目标特性模拟器能更接近于真实目标卫星的运动轨迹，且更利于任务卫星对位于高仰角状态的目标卫星的跟踪指向，模拟自由度大，模拟运动范围广，更利于空间双星的实际跟踪指向仿真。

3.还通过安装矩阵激光校准系统的设置，在单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上分别设置反射棱镜，利用激光坐标测量仪对设置在单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜实现卫星GNC系统、目标探测器相对于单轴气浮平台的安装矩阵测量，能完成对单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间的坐标转换，大大提高卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和目标探测器的探测指向精度，为仿真过程提供更高的精度保障。

4. 还通过台上台下同步系统的设置，利用有线、无线或激光等方式实现仿真实验前台上台下时间同步校准，在不影响仿真实验过程的基础上，解决了非有线连接分布式系统数据采集、运动控制和时间的同步问题，最终使处于不同空间位置的节点以相同的节奏运行。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为轨道高度相差不大的异轨卫星交会示意图；

图2为本发明双星高速交会运动时空同步模拟装置的结构示意图；

图3为本发明单轴气浮平台的闭环反馈控制系统的工作原理示意图；

图4为本发明双星高速交会运动时空同步模拟装置中一种多自由度伺服机构的结构示意图；

图5为本发明双星高速交会运动时空同步模拟装置中另一种多自由度伺服机构的结构示意图；

图6为本发明卫星GNC系统中控制力矩陀螺及其反射棱镜的结构示意图；

图7为本发明台上台下同步系统的结构示意图；

图8为本发明台上台下同步系统中有线同步方式连接的主从树型拓扑结构的示意图；

图9为本发明台上台下同步系统中有线同步方式连接的主从链式拓扑结构的示意图；

图10为本发明台上台下同步系统中无线同步方式的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本发明双星高速交会运动时空同步模拟装置的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明公开精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述包括所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其他方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其他结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实施例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方法。

运行于不同轨道的卫星通常相距较远，使用星载设备对异轨卫星进行探测、跟踪、瞄准通常比较困难，但是对于轨道高度相差不大的异轨卫星在其轨道交会点，卫星可以以较近的距离对另一颗卫星进行探测，以便开展观测、跟踪等空间任务。异轨卫星交会区域的示意图如附图1所示，S1为任务卫星轨道，S2为目标卫星轨道，A为任务卫星，B为目标卫星，X为双星交会区域。

为了在地面验证对目标卫星的探测、跟踪能力，本发明公开该实施例双星高速交会运动时空同步模拟装置，如附图2所示。本实施例双星高速交会运动时空同步模拟装置，包括单轴气浮平台和同轴多自由度目标运动模拟器。

所述单轴气浮平台，用于模拟任务卫星本体，其上用于设置目标探测器和卫星GNC系统，所述目标探测器用于接收所述同轴多自由度目标运动模拟器中目标特性模拟器发出的光学特性信号，并自行解算出与目标卫星的相对位置后，将解算结果反馈至所述卫星GNC系统，所述卫星GNC系统用于根据解算结果控制所述单轴气浮平台实现跟踪目标卫星的指向和姿态运动，如附图3所示。其中，所述卫星GNC系统由用户提供，用于控制气浮平台的指向、姿态，目标探测器接收目标特性模拟器发出的光学特性信号后，自行解算出与目标卫星的相对位置后，将结果反馈至卫星GNC系统，卫星GNC系统控制气浮平台跟踪目标卫星运动。即所述单轴气浮平台由目标探测器作为反馈设备，将测量结果传递至卫星GNC系统进行跟踪和控制，形成自成一体的闭环反馈控制系统，而不同于以往的卫星全物理仿真系统由动力学计算机计算出目标卫星的轨道信息，不依靠外部提供的信息进行目标跟踪，能更加接近于真实太空环境中的卫星工作状态。

所述同轴多自由度目标运动模拟器，用于模拟与任务卫星相交轨道上的目标卫星在两星高速交会区域内的运动和外部特征，其包括目标卫星姿轨计算系统、多自由度伺服机构和目标特性模拟器。所述目标卫星姿轨计算系统用于根据目标卫星和任务卫星的实际轨道参数完成目标卫星轨道和姿态的解算，并将解算结果发送至所述多自由度伺服机构和目标特性模拟器。所述目标特性模拟器用于根据所述目标卫星姿轨计算系统发送的解算结果完成目标卫星的光学特性模拟，如可见光、红外等特性。且所述目标特性模拟器设置在所述多自由度伺服机构上。所述多自由度伺服机构用于根据所述目标卫星姿轨计算系统发送的解算结果带动所述目标特性模拟器运动，实现对目标卫星的运动模拟，使所述目标特性模拟器和单轴气浮平台的相对位置符合实际卫星间的相对位置。

具体的，如附图4和5所示，所述双星高速交会运动时空同步模拟装置包括单轴气浮平台1和同轴多自由度目标运动模拟器2。所述同轴多自由度目标运动模拟器2包括目标卫星姿轨计算系统、多自由度伺服机构21和目标特性模拟器。所述目标卫星姿轨计算系统由位于地面的搭载配套软件系统的计算机构成，由地面工作人员在软件输入不同的目标卫星和任务卫星的轨道参数，其进行数值计算后将结果发送至多自由度伺服机构和目标特性模拟器供其模拟目标卫星位置、姿态和光学特性。

所述多自由度伺服机构21包括基座211和设置在其上部的同轴回转台212，所述同轴回转台212设置在所述单轴气浮平台1外周且与其同轴设置。其中，单轴气浮平台1和同轴回转台212均采用现有结构，如现有技术CN202111018334.8中公开的单轴微重力模拟装置和大回转机构，所述单轴微重力模拟装置下部设有气膜，能有效模拟太空微重力环境，且具有单轴转动功能，为任务卫星的全物理仿真提供支持。所述同轴回转台212通过轴承与所述基座211连接，并通过驱动电机带动轴承外转子旋转实现回转台围绕所述单轴气浮平台1的转动。该同轴回转台的转动设置还可以采用其它现有结构实现。

如附图4所示，本实施例中所述同轴回转台212的一侧设有其上端向所述单轴气浮平台1上方倾斜的倾斜臂213。同轴回转台212的另一侧设有配重块217，保证回转台的平稳转动。

所述倾斜臂213上设有直线滑轨214，所述直线滑轨214内部设有滑动台215，所述滑动台215上固定有单轴目标模拟台216。所述目标特性模拟器设置在所述单轴目标模拟台216上，由所述滑动台215带动其沿所述直线滑轨214做倾斜的直线运动。本实施例中可以采用螺纹丝杠机构实现滑动台215沿直线滑轨214的运动，也可以采用其它现有直线机械结构实现。所述单轴目标模拟台216能保证目标特性模拟器始终指向所述单轴气浮平台1上的目标探测器，使目标探测器可以接收到相应的光学特性信号。

较优实施例为，所述倾斜臂213采用可调节旋转臂，即倾斜臂213底端通过回转轴218与回转台212连接，由回转驱动机构驱动回转轴218旋转，如驱动电机带动齿轮轴转动，实现倾斜臂213的倾斜角度调整，以便满足目标卫星和任务卫星轨道的多样性，使二者相对位置实现多自由度的模拟，达到不同卫星轨道的实际运形路径仿真。本实施例倾斜臂的设置，使目标特性模拟器在仿真实验过程中运行轨迹能更接近于真实目标卫星的运动轨迹，还解决了现有竖直臂在实现仰角效果时的弊端，更利于任务卫星对位于仰角状态的目标卫星的跟踪指向，使目标卫星的模拟自由度加大，模拟运动范围变广，加工制造难度小，更利于空间双星的实际跟踪指向仿真。

所述目标特性模拟器具有以下特点：接收目标卫星姿轨计算系统发送的目标姿态信息，并根据此信息由其计算模块完成所需产生的目标光学特性的实时、动态计算，并由其执行机构产生该光学特性，即特定的目标可见光或红外特性，如目标卫星姿态不同时，其光学轮廓以及角点特征均不同。另外，所述目标特性模拟器接收目标卫星姿轨计算系统发送的目标卫星与仿真卫星间的距离信息，并根据此信息还可以改变产生的光学特性强度和面积。通过以上两点，所述目标特性模拟器能够在两卫星不同相对距离、不同相对姿态的情况下，完整地模拟姿态、距离不断变化的目标卫星的光学特性。

附图5示出了另一种倾斜臂设置，其中将倾斜臂设置为从所述同轴回转台212的一侧延伸至另一侧的拱形臂213’，所述拱形臂213’内部设有弧形导轨，所述弧形导轨内部设有由皮带传动机构带动的所述滑动台215’， 所述滑动台215’上固定有单轴目标模拟台216。所述目标特性模拟器设置在所述单轴目标模拟台216上，由所述滑动台215’带动其沿所述弧形滑轨做弧形运动，该弧形运行更加接近于目标卫星的实际运行轨迹。其中，弧形导轨和皮带传动机构均采用现有机械传动机构实现，能带动滑动台做弧形运行即可。

本实施例所述双星高速交会运动时空同步模拟装置还包括安装矩阵激光校准系统。所述安装矩阵激光校准系统包括激光坐标测量仪和分别安装在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜。其中，反射棱镜分别设置在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上适合安装棱镜的位置，并通过现有机构实现反射棱镜的安装，如附图6示出了设置在卫星GNC系统中控制力矩陀螺上的反射棱镜3。所述安装矩阵激光校准系统用于在仿真实验前实现单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间的坐标转换，提高所述卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和所述目标探测器的探测指向精度。

具体的，所述激光坐标测量仪安装在便于与所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜实现激光接收并反射的位置，便于通过设置在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜实现所述卫星GNC系统、目标探测器相对于所述单轴气浮平台的安装矩阵测量，以完成对所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间的坐标转换，提高所述卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和所述目标探测器的探测指向精度。即所述安装矩阵激光校准系统不直接参与整个仿真过程，但能为仿真过程提供精度保障。

由于任务卫星部分与目标卫星部分共同仿真了卫星在交会点附近的行为，因此二者需要同步进行动作，这就要求二者的控制需要进行同步。并且为了两星数据的匹配，二者的数据采集也需要进行同步。可以将整个双星高速交会运动时空模拟装置抽象为拥有两个节点的分布式系统，单轴气浮平台作为台上节点，该节点作为同步从节点，与之对应的，非单轴气浮平台上的作为台下节点，台下节点作为分布式系统的同步主节点。

为了解决两星动作和数据的同步，所述双星高速交会运动时空同步模拟装置还包括台上台下同步系统，如附图7至10所示。所述台上台下同步系统包括同步时钟主板卡和若干同步时钟从板卡。其中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述单轴气浮平台上的工控机中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述同轴多自由度目标运动模拟器的工控机中，所述同步时钟主板卡安装在台下数据采集工控机中，如集控台的工控机中，与所述同步时钟从板卡通过有线、无线或激光方式实现时间同步校准。

附图7示出了台上台下同步系统中板卡硬件接口包含以下模块：标准422串口（包括3路，通过422串口向其他设备输出同步时间）；时钟脉冲输出模块（包括3路，依照台上台下同步卡时间形成脉冲供数据采集系统使用）；PCI接口芯片（包括1路，向计算机提供同步后的时间信息或接收计算机配置）；有线同步接口（包括4路，包括同步信号发送模块与同步信号接收模块，共4路串口。）；UWB无线通信模块（包括2路，此模块仅用于实现时延可控的无线通信）；计时模块（包括恒温晶振，用于在仿真实验过程中主板卡和从板卡断开后的各板卡完成自守时同步）；电源模块（用于接入外界输入5V电源）。需要说明的是，主节点和从节点的同步卡硬件完全相同，设置为主板卡或从板卡由计算机配置决定，计算机通过PCI总线实现台上台下同步装置配置，如可配置同步装置的输出，包括通过422串口输出内部时间信息（包括年月日时分秒毫秒微秒），也可配置输出脉冲，方便数据采集系统以此同步脉冲作为数据采集脉冲。

具体使用时，同步时钟主板卡和同步时钟从板卡分别为各自的计算机提供同步后的时间，并且可以接受计算机的配置。在全物理仿真实验准备阶段，首先按照节点类型、同步方式、外接数据采集设备对同步板卡进行配置，配置完成后主板卡和多个从板卡之间使用三种方式（有线、无线、激光）之一完成分布式系统内各节点的时间同步，此同步动作由计算机软件操作各自的同步卡完成。全物理仿真实验正式开始前，断开主板卡和从板卡的有线连接或停止无线同步或关闭同步激光信号，此时各节点时钟同步卡利用自身板载的高精度恒温晶振（即温补晶振）进行自守时，可以保证在全物理仿真实验过程中，分布式系统各节点的时间同步精度在微秒级别。

更具体的，在使用有线同步的情况下，需要使用专用线缆，通过同步发送模块或同步接收模块中的串口完成。主板卡首先发送同步信号并记录发送时间，从板卡接收到同步信号后记录接收时间，完成同步信号的传递后，主板卡使用同一线缆采用串口协议向从板卡广播自身记录的发送时间，从板卡接收到主板卡广播的发送时间后比较发送时间与自身的接收时间后完成同步。使用此方式同步时，主节点和从节点有以下连接方式：

当使用的同步时钟从板卡数量小于等于2时，使用如附图8示出的所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过主从树型拓扑结构实现有线方式连接。即从板卡分别与主板卡的同步发送模块接口相连接，在软件操作下由各板卡自动完成时间信息的通信和从板卡时间的校准。

当使用的同步时钟卡从板卡数量大于2时，主板卡同步发送模块接口可能不足，因此使用如附图9示出的所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过主从链式拓扑结构实现有线方式连接。即主板卡与第一从板卡有线相连，第一从板卡将主板卡发送的时间信息通过自身接口转发输出，第二从板卡从第一从板卡处获取转发的主板卡校时信息，同时转发。按照连接顺序，从板卡依次完成时间校准。

在从板卡数量较多时也可以使用无线同步连接方式完成时间校准，以避免大量的线缆连接。附图10示出了所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过无线方式连接时，利用UWB无线通信模块实现同步信号的传输。无线通信协议使用特殊校时协议，该协议具有传输延迟的计算、校准脉冲的可编程延迟、标准时间信息的传递等功能。该无线连接方法在传递同步信号时经历：主板卡编码同步信号、主板卡硬件（UWB）发送同步信号、无线信号传播、从板卡接收同步信号、从卡解码同步信号，其中可以认为无线信号传播时间≈0。则同步信号自主节点发送到从节点接收的延迟，此延迟可以通过最小二乘拟合的方式在同步装置设计生产时近似估计得出。

还有，所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡也可以通过激光方式连接时，利用激光器和光电感应装置实现同步信号的传输。其中所述激光器与所述同步时钟主板卡连接，并由其激发实现激光发射，所述光电感应装置设置在所述单轴气浮平台上，且与其上设置的所述同步时钟从板卡连接，用于感应接收所述激光器发射的激光，所述同步时钟从板卡根据接收激光的时间与主板卡的激发时间差完成时间同步校准。具体的，主节点在同步瞬间激发激光器并记录自身的激发时间，从节点接收到光电感应装置信号后记录自身接收时间，主节点将激发时间发送至从节点，从节点比较两时间差后完成时间同步动作。该激光方式相较于无线方式，省去了无线信号的编解码以及发送时间，可以近似认为激光器开启时间、激光传播时间、光电感应装置感应时间三者之和，因此使用激光传递同步信号可以大大提高同步瞬间的初始误差，即同步总误差=初始误差+自守时误差。

因此，所述台上台下同步系统在不影响仿真实验过程的基础上，解决了分布式系统数据采集、运动控制和时间的同步问题，最终使处于不同空间位置的节点以相同的节奏运行。同样，所述台上台下同步系统同样不直接参与整个仿真过程，但能为仿真过程提供精度保障。

上述的双星高速交会运动时空同步模拟装置完成双星高速交会运动时空同步模拟方法步骤包括：

（1）根据预模拟的目标卫星和任务卫星的轨道参数，通过所述目标卫星姿轨计算系统进行目标卫星轨道和姿态的解算，将解算结果发送至所述多自由度伺服机构和目标特性模拟器；所述多自由度伺服机构根据解算结果带动所述目标特性模拟器运动，实现对目标卫星的运动模拟，使所述目标特性模拟器和单轴气浮平台的相对位置符合实际卫星间的相对位置；所述目标特性模拟器根据解算结果完成目标卫星的光学特性模拟，包括目标姿态特性模拟和距离特性模拟；

（2）所述单轴气浮平台上的所述目标探测器接收所述目标特性模拟器模拟的光学特性信号，并自行解算出与目标卫星的相对位置后，将解算结果反馈至所述卫星GNC系统，所述卫星GNC系统根据解算结果控制所述单轴气浮平台实现跟踪目标卫星的指向和姿态运动，实现自成一体的闭环反馈控制系统，达到接近真实太空环境中的双星高速交会运动模拟。

还包括仿真实验前的所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间坐标转换校准步骤。所述步骤通过所述安装矩阵激光校准系统实现，所述激光坐标测量仪用于通过设置在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜实现所述卫星GNC系统、目标探测器相对于所述单轴气浮平台的安装矩阵测量，以完成对所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间的坐标转换，提高所述卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和所述目标探测器的探测指向精度。

还包括仿真实验前的目标卫星和任务卫星模拟过程中的时间同步校准步骤。所述步骤通过所述台上台下同步系统实现。所述同步时钟主板卡与所述同步时钟从板卡通过有线、无线或激光方式实现时间同步校准。

其中，所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过有线方式连接时，利用线缆实现同步信号的传输，当所述同步时钟从板卡数量小于等于2时，采用主从树型拓扑结构实现有线同步方式连接，当所述同步时钟从板卡数量大于2时，采用主从链式拓扑结构实现有线同步方式连接。

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过无线方式连接时，利用UWB无线通信模块实现同步信号的传输。

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过激光方式连接时，利用激光器和光电感应装置实现同步信号的传输，其中所述激光器与所述同步时钟主板卡连接，并由其激发实现激光发射，所述光电感应装置设置在所述单轴气浮平台上，且与其上设置的所述同步时钟从板卡连接，用于感应接收所述激光器发射的激光，所述同步时钟从板卡根据接收激光的时间与主板卡的激发时间差完成时间同步校准。

本发明双星高速交会运动时空同步模拟装置利用多自由度伺服机构实现了相对运动的目标卫星和任务卫星的二自由度模拟，在此基础上利用目标特性模拟器结合目标卫星姿轨计算系统完成目标卫星的距离（深度）信息3轴姿态信息的模拟，最终实现目标卫星的6自由度运动。同时台上台下同步系统结合航天器全物理仿真实验的实验要求，提供了有线、无线、激光三种方式完成系统的同步功能，还通过安装矩阵激光校准系统提高卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和目标探测器的探测指向精度，可以在不接收外部信息的情况下完成自同步和自成一体的闭环反馈控制系统。这种模拟实际卫星根据自身探测设备发现目标，并控制自身姿态跟踪目标的过程，仿真性更强，可以更加真实的接近于太空环境中的卫星工作状态，适合在更多的特殊使用场景下进行应用。

Claims (10)

1.一种双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，包括单轴气浮平台和同轴多自由度目标运动模拟器；

所述单轴气浮平台，用于模拟任务卫星本体，其上用于设置目标探测器和卫星GNC系统，所述目标探测器用于接收所述同轴多自由度目标运动模拟器中目标特性模拟器发出的光学特性信号，并自行解算出与目标卫星的相对位置后，将解算结果反馈至所述卫星GNC系统，所述卫星GNC系统用于根据解算结果控制所述单轴气浮平台实现跟踪目标卫星的指向和姿态运动；

所述同轴多自由度目标运动模拟器，用于模拟与任务卫星相交轨道上的目标卫星在两星高速交会区域内的运动和外部特征，其包括目标卫星姿轨计算系统、多自由度伺服机构和目标特性模拟器；所述目标卫星姿轨计算系统用于根据目标卫星和任务卫星的实际轨道参数完成目标卫星轨道和姿态的解算，并将解算结果发送至所述多自由度伺服机构和目标特性模拟器，所述目标特性模拟器用于根据所述目标卫星姿轨计算系统发送的解算结果完成目标卫星的光学特性模拟，且所述目标特性模拟器设置在所述多自由度伺服机构上，所述多自由度伺服机构用于根据所述目标卫星姿轨计算系统发送的解算结果带动所述目标特性模拟器运动，实现对目标卫星的运动模拟，使所述目标特性模拟器和单轴气浮平台的相对位置符合实际卫星间的相对位置。

2.根据权利要求1所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，所述多自由度伺服机构包括基座和设置在其上部的同轴回转台，所述同轴回转台设置在所述单轴气浮平台外周且与其同轴设置，所述同轴回转台通过轴承与所述基座连接，并通过驱动电机带动轴承外转子旋转实现其围绕所述单轴气浮平台的转动；

所述同轴回转台的一侧设有其上端向所述单轴气浮平台上方倾斜的倾斜臂，所述倾斜臂上设有直线滑轨，所述直线滑轨内部设有滑动台，所述滑动台上固定有单轴目标模拟台，所述目标特性模拟器设置在所述单轴目标模拟台上，由所述滑动台带动其沿所述直线滑轨做直线运动，所述单轴目标模拟台用于保证所述目标特性模拟器始终指向所述目标探测器，所述同轴回转台的另一侧设有配重块。

3.根据权利要求2所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，所述倾斜臂采用可调节旋转臂，由回转驱动机构驱动其旋转实现倾斜角度的调整；或者

所述倾斜臂设置为从所述同轴回转台的一侧延伸至另一侧的拱形臂，所述拱形臂内部设有弧形导轨，所述弧形导轨内部设有由皮带传动机构带动的所述滑动台。

4.根据权利要求1至3任一项所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，还包括安装矩阵激光校准系统，所述安装矩阵激光校准系统包括激光坐标测量仪和分别安装在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜，所述激光坐标测量仪用于通过设置在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜实现所述卫星GNC系统、目标探测器相对于所述单轴气浮平台的安装矩阵测量，以完成对所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间的坐标转换，提高所述卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和所述目标探测器的探测指向精度。

5.根据权利要求1至3任一项所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，还包括台上台下同步系统，所述台上台下同步系统包括同步时钟主板卡和若干同步时钟从板卡，其中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述单轴气浮平台上的工控机中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述同轴多自由度目标运动模拟器的工控机中，所述同步时钟主板卡安装在台下数据采集工控机中，与所述同步时钟从板卡通过有线、无线或激光方式实现时间同步校准；

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡中均设有恒温晶振计时模块，用于在仿真实验过程中主板卡和从板卡断开后的各板卡完成自守时同步。

6.根据权利要求5所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置，其特征在于，所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过有线方式连接时，利用线缆实现同步信号的传输，且有线连接方式采用主从树型拓扑结构或主从链式拓扑结构；或者，

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过无线方式连接时，利用UWB无线通信模块实现同步信号的传输；或者，

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过激光方式连接时，利用激光器和光电感应装置实现同步信号的传输，其中所述激光器与所述同步时钟主板卡连接，并由其激发实现激光发射，所述光电感应装置设置在所述单轴气浮平台上，且与其上设置的所述同步时钟从板卡连接，用于感应接收所述激光器发射的激光，所述同步时钟从板卡根据接收激光的时间与主板卡的激发时间之差完成时间同步校准。

7.一种双星高速交会运动时空同步模拟方法，其特征在于，所述方法由权利要求1至6任一项所述的双星高速交会运动时空同步模拟装置完成，包括以下步骤：

（1）根据预模拟的目标卫星和任务卫星的轨道参数，通过所述目标卫星姿轨计算系统进行目标卫星轨道和姿态的解算，将解算结果发送至所述多自由度伺服机构和目标特性模拟器；所述多自由度伺服机构根据解算结果带动所述目标特性模拟器运动，实现对目标卫星的运动模拟，使所述目标特性模拟器和单轴气浮平台的相对位置符合实际卫星间的相对位置；所述目标特性模拟器根据解算结果实时、动态的完成目标卫星的光学特性模拟，包括目标姿态特性模拟和距离特性模拟；

（2）所述单轴气浮平台上的所述目标探测器接收所述目标特性模拟器模拟的光学特性信号，并自行解算出与目标卫星的相对位置后，将解算结果反馈至所述卫星GNC系统，所述卫星GNC系统根据解算结果控制所述单轴气浮平台实现跟踪目标卫星的指向和姿态运动，实现自成一体的闭环反馈控制系统，达到接近真实太空环境中的双星高速交会运动模拟。

8.根据权利要求7所述的双星高速交会运动时空同步模拟方法，其特征在于，还包括仿真实验前的所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间坐标转换校准步骤，所述步骤通过安装矩阵激光校准系统实现，所述安装矩阵激光校准系统包括激光坐标测量仪和分别安装在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜，所述激光坐标测量仪用于通过设置在所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器上的反射棱镜实现所述卫星GNC系统、目标探测器相对于所述单轴气浮平台的安装矩阵测量，以完成对所述单轴气浮平台、卫星GNC系统、目标探测器三者间的坐标转换，提高所述卫星GNC系统跟踪目标卫星的控制精度和所述目标探测器的探测指向精度。

9.根据权利要求7所述的双星高速交会运动时空同步模拟方法，其特征在于，还包括仿真实验前的目标卫星和任务卫星模拟过程中的时间同步校准步骤，所述步骤通过台上台下同步系统实现，所述台上台下同步系统包括同步时钟主板卡和若干同步时钟从板卡，其中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述单轴气浮平台上的工控机中，至少一个所述同步时钟从板卡设置在所述同轴多自由度目标运动模拟器的工控机中，所述同步时钟主板卡安装在台下数据采集工控机中，与所述同步时钟从板卡通过有线、无线或激光方式实现时间同步校准。

10.根据权利要求9所述的双星高速交会运动时空同步模拟方法，其特征在于，所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过有线方式连接时，利用线缆实现同步信号的传输，当所述同步时钟从板卡数量小于等于2时，采用主从树型拓扑结构实现有线同步方式连接，当所述同步时钟从板卡数量大于2时，采用主从链式拓扑结构实现有线同步方式连接；或者，

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过无线方式连接时，利用UWB无线通信模块实现同步信号的传输；或者，

所述同步时钟主板卡与同步时钟从板卡通过激光方式连接时，利用激光器和光电感应装置实现同步信号的传输，其中所述激光器与所述同步时钟主板卡连接，并由其激发实现激光发射，所述光电感应装置设置在所述单轴气浮平台上，且与其上设置的所述同步时钟从板卡连接，用于感应接收所述激光器发射的激光，所述同步时钟从板卡根据接收激光的时间与主板卡的激发时间差完成时间同步校准。

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