航天器姿態(tài)半物理仿真原理及其試驗方法研究.pdf

1、航天器姿態(tài)半物理仿真作為仿真理論研究中的一個重要分支，它可以實現(xiàn)對航天器姿態(tài)動力學(xué)的仿真及其總體系統(tǒng)性能評估。對其仿真原理、試驗方法及其仿真可信度驗證進行深入細致地研究，是保證航天器姿態(tài)半物理仿真系統(tǒng)具有較高可靠性的基石，也是很有必要的。因此，本文以航天器姿態(tài)半物理仿真系統(tǒng)為背景，結(jié)合相似理論與仿真可信度理論，著重對航天器在軌階段、再入階段姿態(tài)半物理仿真原理、試驗方法及其仿真可信度等問題進行了研究。 本文首先分析了國內(nèi)外仿真技術(shù)

2、的發(fā)展和研究概況，討論了三軸氣浮臺以及三軸伺服轉(zhuǎn)臺的國內(nèi)外發(fā)展狀況。接著概述了相似學(xué)理論以及可信度理論的國內(nèi)外研究動態(tài)、意義及其在仿真技術(shù)中的應(yīng)用。隨后簡要綜述了變結(jié)構(gòu)控制理論的發(fā)展動態(tài)及其研究狀況。 其次基于航天器再入、在軌姿態(tài)動力學(xué)方程以及氣浮臺的特性，建立了半物理仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 系統(tǒng)地研究了相似學(xué)理論，并為仿真系統(tǒng)推導(dǎo)了模型縮比關(guān)系約束表達式以及模型相似準則，作為半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計和指導(dǎo)模型試驗的理論依據(jù)。分

3、析并研究了半物理仿真可信度評估指標模型、仿真可信度的計算方法及其與仿真置信度之間的定量計算關(guān)系。 對航天器在軌姿態(tài)半物理仿真系統(tǒng)的各部分組成及其主要功能進行了概述，給出了航天器地面模擬系統(tǒng)的縮比選取原則，并對模型相似準則的有效性進行了仿真驗證。同時，為了克服氣浮臺仿真系統(tǒng)的噪聲干擾和模型參數(shù)不確定等非理想因素的影響，給出了基于直接動態(tài)反饋補償 (DDFC direct dynamics feedback compensation

4、)方法的滑?？刂破鞯脑O(shè)計方案。 接著，以現(xiàn)有的航天器天線指向半物理仿真系統(tǒng)為背景，討論了在該系統(tǒng)的研制過程中所遇到的一些問題，并通過分析給出了該系統(tǒng)的誤差模型，并對該系統(tǒng)仿真的可信度進行了計算。 在深入地研究了三軸氣浮臺測角系統(tǒng)及其慣量測量方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的三軸氣浮臺測角系統(tǒng)的設(shè)計方案，該方法結(jié)構(gòu)簡單，只需一個外框架和一組CCD敏感元器件，可以測出臺體的三個姿態(tài)角，并且具有較高的精度。同時給出了一類新的三軸氣浮

5、臺轉(zhuǎn)動慣量測量及其平衡標定方法，該測量方法誤差小，又無須增添專用測試設(shè)備，因而是氣浮臺試驗中一種簡單實用的轉(zhuǎn)動慣量測試和臺體平衡標定方法，具有一定的工程實際應(yīng)用價值。另外也給出了三軸氣浮臺的重力矩計算方法。針對航天器再入姿態(tài)動力學(xué)的快時變、參數(shù)變化范圍較大、變化劇烈等特點，分別討論了航天器再入姿態(tài)半物理仿真的幾個關(guān)鍵問題：如舵回路仿真模塊、氣動力矩仿真模塊、環(huán)境干擾仿真模塊等。同時，為了消除地球自轉(zhuǎn)在慣性測量中的影響，詳細推算了伺服轉(zhuǎn)臺