Ｓ ｂｅｔ ｍｓ ａ ｌｔ ｃｎ ｏ ｓ ｔ Ｐ ｙｉ ｌ ｕ ｔ ｎ Ａｒ ｅｒ ｇ ｌ ｕ ｊｃ ｔ Ｓ ｔｌｅ ｔ ｌ ｅ ｅ ｒ ｅｉ ｏ ｒ ｙ ｍ ｈｓ ａ ｓ ｌ ｉ ｉｂａｉ ｔ ｅ ｓ ｃ ｉ ａｏ ｍ － ｎ ａ ｂ
１ 引
言
卫星控制系统全物理仿真是指采用气浮台模拟 卫星本体作为控制对象， 其控制系统采用卫星控制 系统实物所进行的仿真试验。数学仿真、 半物理仿 真和全物理仿真都是卫星研制过程中的重要手段和 方法， 对于验证控制系统方案设计的正确性， 检验实 际控制系统的功能和性能十分重要。但全物理仿真 还具有其独特的作用。第一 ， 全物理仿真不必用数
段。
星各轴具有相等的 转动惯量， 实现惯量的 １１ ： 的模
拟， 则执行机构的控制力矩矢量与实际卫星的相同； 在气浮台缩比模型试验时， 气浮台各轴与对应卫星 各轴的惯量比等于试验时执行机构与实际卫星执行 机构控制力矩之 比， 两者 的角加速度矢量相一致。 另外 ， 卫星姿态敏感器也按要求安装在气浮台上， 与 地面 目标仿真器相配合 ， 得到姿态角测量信号 ， 则全 物理仿真就相当于卫星实际物理模型的飞行试验。 这样， 全物理仿真就可以在地面上更真实地模拟卫 星在空间的动力学、 动量交换、 动量藕合 ， 从而及时 发现实际模型可能存在的问题。 卫星控制系统全物理仿真的用途大致分为五个
成。
仿真试验时基本技术指标应满足卫星型号仿真 要求。技术要 求有 ： １ 空气轴承 承载 能力 大于 （） １０ ｋ；２ 整体铸铝结构台体可装载约 ８０ｇ ２０ｇ（ ） ０ｋ 的仿 真及技术系统部件 ； ３ 台体加载后转动惯量 Ｉ （） ｝
方面。
北京控制工程研究所利用挠性卫星单轴气浮台 全物理仿真系统， 基于变结构控制、 控制、 Ｈ二 自适 应控制、 分力合成控制等各种方法 ， 成功地进行了挠 性结构卫星振动抑制和大角度机动控制试验， 取得 了很好的试验效果。
（）液体晃动仿真研究 ５ 在星体 自旋情况下， 液体晃动引起的能量耗散 问题必须充分重视 ， 否则将导致卫星姿态失控。尤 其是细长体卫星是绕其最小惯量轴转动的， 过度能
２ 卫星控制系统全物理仿真的原理和
用途
气浮台依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间 形成的气膜 ， 使模拟台体浮起 ， 从而实现近似无摩擦 的相对运动条件 ， 以模拟卫星在外层空间所受干扰 力矩很小的力学环境。作为卫星运动仿真器 ， 如采 用球面气浮轴承支持的三轴气浮台， 不但可模拟三 轴方向所需的姿态运动， 而且还能模拟卫星三轴动 力学祸合。与卫星控制系统半物理仿真相 比， 全物 理仿真不需要仿真计算机， 卫星动力学完全 由气浮 台来模拟， 控制系统采用部分或全部实物部件组成， 并置于气浮台上 ， 组成与卫星控制系统相同的仿真 回路， 使用星上实际的控制规律， 实际的运行软件， 完成对气浮台的姿态控制。执行机构产生的控制力 矩直接作用在气浮台上， 如果气浮台各轴与对应卫
电源、 测控计算机及接 口、 干扰力矩发生器、 台上控 制盒、 太阳帆板驱动机构负载仿真器等 ； （ ）地面支持设备 ３ 地面支持设备主要包括单轴气浮台、 目标仿真 器和地面测控系统。 ａ 单轴气浮台及技术指标 单轴气浮台是单通道全物理仿真系统的核心设 备， 由空气轴承、 台体 、 测角装置以及气源装置等组
Ｐ ｙｉ ｌ ｌ ｉ ｆｒ ｔ ｌｅ ｎｒｌ ｔ ｈ ｓ ａ Ｓｍｕａ ｏ ｏ Ｓ ｅｉ Ｃ ｔ Ｓ ｓ ｍｓ ｃ ｉ ｔ ｎ ａ ｌｔ ｏ ｏ ｙ ｅ
Ｌ Ｊｕ ｕ ｏａｇ ｈｎ Ｊ ｉ ｇ ａｇｎ Ｚａｇ ｊｎ ｉ Ｍ Ｘ ｉ ｓ ｉ ｉａ ｎ
Ｂ ｉｎ Ｉｓｔ ｅ Ｃ ｎ ｏ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ Ｂ ｉｎ １０ ８ ｅ ｉ ｎｔｕ ｏ ｏｔ ｌ ｉ ｅｉ ， ｅｉ ０ ０ ０ ｊ ｇ ｉ ｔ ｆ ｒ ｎ ｎ ｎ ｊ ｇ
天线伸展对章动的影响和天线对章动阻尼的作用 ， 进行了自旋卫星章动仿真试验。通过仿真试验， 观 测天线伸展对章动的影响。结果表明： 利用鞭状短 波天线伸展减速的稳定方案是可行的。 （ ）喷气作为执行机构的三轴稳定卫星动力学 ２ 仿真 对于用冷气推力器作为执行机构的三轴稳定卫 星， 需着重对喷气控制规律、 极限环和开关速度进行 仿真试验研究。气浮台仿真不但能够有效验证控制 方案， 还可得到仿真时的实际耗气量。利用单轴和 三轴气浮台进行卫星稳定运行段、 卫星人轨消除初 始偏差及返回前程序转弯段的系统仿真， 可以达到 验证控制系统设计正确与否的目的。 （） ３ 飞轮作为执行机构的三轴稳定卫星动力学 仿真 在卫星采用零动量反作用飞轮、 偏置动量轮或 框架动量轮作为执行机构时， 由于飞轮产生的控制 力矩直接作用在气浮台上， 通过气浮台仿真， 对于验 证轮控系统方案的正确性 ， 发现模型上存在的问题 直观有效， 而且特别适合于对轮子转速过零 、 轮子动 摩擦力矩、 轮子动量卸载等问题的研究。 （ ）挠性结构卫星动力学仿真试验研究 ４ 大多数现代卫星在结构上的一个特点是在刚体 卫星主体上安装了带有诸如大面积太阳帆板、 大型 天线等挠性结构。挠性结构具有结构大， 刚度低， 阻 尼弱的特点。由于这类卫星需要很高的姿态控制精 度， 这就要求开展针对挠性结构卫星的控制理论和 试验研究 ， 出动力学建 模、 提 验模 的方法及 其手
万方数据
第２ ２卷 第 ２ 期
李季苏等 ： 卫星控制系统全物理仿真
・３ ・ ９
与卫星刚体运动相互藕合并影响星体稳定性的是与 章动角发散有关的时间常数。气浮台仿真对液体晃
动的能量耗散及发散时间常数 的试验研究提供 了手
段。
３ 全物理仿真系统的组成 ， 主要设备
的技术指标
卫星控制系统全物理仿真主要分为单通道和三 通道两种。单通道全物理仿真选用单轴气浮台作为 运动仿真器 ， 三通道全物理仿真选用三轴气浮 台作 为运动仿真器。 无论是单轴还是三轴气浮 台仿真系统 ， 系统 从 配置上讲 ， 均按台上仿真控制系统 、 台上技术系统以
万方数据
航
天
控
制
２０ ０ ４年
制方案， 为各种控制方法的实际应用创造条件。 采用各种飞轮组合或框架动量轮组合控制方案 的大型中、 低轨道卫星特别适合进行全物理仿真试 验。由于缺乏这类卫星的空间飞行数据 ， 加上个别 设计者在设计上的某些疏漏 ， 可能造成系统或部件 模型上的实际偏差， 因而在卫星的研制中， 为验证控 制系统方案设计的正确性 ， 提高卫星在轨运行的可 靠性 ， 减少卫星失控风险 ， 对系统进行全物理仿真试 验就非常必要。在卫星研制初期或确定一个新的控 制系统方案时， 气浮台仿真试验具有特别重要的意 义， 它是方案论证和功能验证不可缺少的工具。
量耗散会引起章动角增大 ， 使卫星进入绕最大惯量 轴转动的状态。
（ ） 旋稳定卫星动力学仿真 １自 ４６ 年初为确定“ ９８ 东方红一号”卫星鞭状短波
液体晃动动力学方程非常复杂 ， 充液机构也很 复杂， 晃动不但和液体粘滞性有关， 而且产生压力波
动， 其干扰力矩会改变星体的运动。反映液体晃动
Ａ ｓ ａｔ ｉｕ ｔｎ ｒｅｒ ｍ ｔ ｄ ｏｔｇ ｉｒｙ ｏ ａｄ ａ ｇ ａ ｒａｏｓｉ， ｓ ｇ ｂｔ ｃ ｍ ｌｉ ｉａ ａ ｈ ｈ ａ ｐ ｎ ｓ ｌ ｉ ｔ ｒ ｎ ａ ｌ ｉ ｌ ｔｎ ｐ ｕ ｎ ｒ Ｓ ａｏ ｓ ｅ ｃ ｅ ｏ ｄ ｉ ｉ ａ ｔ ｈ ｙ ｎ ｏ ｃ ｅ ｉ ｈ ｓ ｍ ｅ ｌ ｉ ｍ ｄｌ ｅｄ ｒ ｌ ｔ ． ｃｎ ｃ ｓ ｄ ｍ ｔ ｍ ｔａ ｓ ｕ ｔｎ ｄ ｙｉ ｌ ｕ ｔ ｎ ｏｅ ｉ ｔ ｏ ｅ ｓ ｅ Ｉ ａ ｂ ｌ ｓ ａ ａｈ ａｉ ｌ ｌ ｉ ａ ｐ ｓａ ｓ ｌ ｉ ． ｎ ａ ｆ ｙ ｍ ｔ ｅ 彝 ｓ ａ ｓ ａ ｓ ｅ ｃ ｉ ａ ｏ ｎ ｈ ｃ ｉ ａ ｏ ｍ ｍ Ｐｙｃｌ ｕ ｔｎ ｓ ｔｖ ｉ ｔ ｄｓ ｎ ｏｔｌ ｅ ｉ ｔ ｐ ｃｓ ａ ｌｅ ｅｐ ｅｔ Ｂ－ ｈｓａｓ ｌｉ ｉｕ ｄ ｅ ｙ ｅｇ ｏｃ ｒ ｓ ｔ ｎ ｒ ｅ ｏｓｅｉ ｄｖｏｍ ｎ ｅ ｉ ｉ ａｏ ｓ ｏ ｆ ｈ ｉ ｆ ｏ ｙ ｍ ｈ ｏ ｓ ｆ ｌ ｅ ｌ ｍ ｅ ｒ ｅ ｎ ｓ ｅ ｔｔ ． ｃｕ ａ － ａｉ ｔ ｌｉｔ ｄｎｍｃ ｕ ｔ ， ｈｓａ ｓ ｕ ｔｎ ｌ ｃｌｄ － ａｉ ｔ ｌｓ ｕ ａｓ ｉｂ ｒｇ ｅ ｈ ｙａ ｉｓ ｌｏ ｐｙｉ ｌ ｌ ｉ ｉａ ｏ ｌ ａ ｂ ｒｇ ｅ － ｅ ｅ ｎ ａ ｓ ｒ ｂ ｅ ｉ ａｒ ｍ ｃ ｉ ａ ｏ ｓ ａｅ ｉ ｅ ｎ ａ ｉ ｍ ｓ ｒ ｂ ｍ ｌｉ ． ｓ ｅｐｅｎ ｐｉ ｉｅ ａｐｃｔｎ ｈｓａ ｓ ｕ ｔｎ ｓ ｅｉ ’ ｃ ｔｌ ｅｓ ａｏ ＴｉＰｐｒ ｅｔ ｒｃｌａｄ ｌａｏ ｏｐｙｃｌ ｌｉ ｆｒ ｌｅ￡ ｏ ｒ ｓ ｔ ． ｔｎ ｈ ａ ｒ ｓ ｐ ｎ ｐ ｉ ｉ ｆ ｉ ｉ ａｏ ｏ ａ ｌ ｓ ｎ ｍ ｔｔ ｎｏ ｙ ｍ ｓ Ｔｉｐｐｒ ｌｉｒ ｕｅｔｏ ｓａ ｓ ｕ ｔｎ ｔ ｓ ｕｉ ｓ ｔ ｃｎ ｉｔｎ ｔｈｉ ｌ ｈ ａｅｂｅｙ ｏ ｃ ｗ ｐｙｉ ｌ ｌｉ ｓ ｅ ｉ ｌ ｎ ｙ ｅ ｏｓｔ ｉ ａｄ ｎ ａｐｒ ｓ ｒ ｎ ｄ ｓ ｈ ｃ ｉ ａｏ ｙ ｍ ｎ ｄ ｇ ｍ ｔｕｏ ｎ ｅ ｃ ｅ ｉ ｆ ｔ ｍ ｓ ｃ ｓ ｃ － ｆｒａｃ ｏ ｔ ｉｐｉａｙ ｉｓ Ａ ｔ ｓｍ ｔ ｅ ｔｓ ｅｐｏｉ ｓ ｒｌ ｓａ ｓ ｕ ｔ ｎ ｍ ｌ ｏｍ ｎｅ ｈ ｒ ｒ ｄｖｅ ｔ ａ ｅ ，ｈ ｐｐｒ ｖ ｅｓ ｅ ｐｙｉ ｌ ｌ ｉ ｅａ ｐｅ ｆ ｒ ｅ ｍ ｅｃ ． ｈ ｅ ｉ ｍ ｉ ａ ｒ ｄ ｅ ａ ｈ ｃ ｉ ａｏ ｘ ｖ ｍ ｓ ｆｒ ｌｅ ｔｌ ｅｓ ｏ ｓ ｅｉ ｃ ｒ ｓ ｔ ． ａｌ ｏ ｏｙｍ ｔｔ ｎ ｓ
收稿日期 ２０ 年 １ 月 １ ０３ １ ２日
学模型来代替控制系统和控制对象 （ 卫星本体 ） 的 动力学； 系统实物直接参与对气浮台的控制 ， 因此可 有效发现控制系统设计和某些部件实际模型存在的 问题。第二 ， 全物理仿真避免了系统 中某些实物部 件难于建立精确数学模型的困难。由于将这些部件 直接接人回路， 这些部件对控制系统性能的影响就 被直观而有效地反映在仿真试验的结果中。第三， 全物理仿真是进行大型挠性太阳帆板、 天线附件等 多体卫星动力学单通道试验研究和 自旋卫星液体晃 动缩 比模型试验研究 的重要方法 ， 能够有效验证控