本发明提出的磁吊综合补偿自由基座空间任务跨尺度验证装置包括自由基座系统、吊丝综合机电补偿系统、磁悬浮系统、实验航天器系统、协调控制系统、通信系统与控制中心，利用跨尺度等效理论和相似理论将空间目标的轨道运动变换成地面自由基座期望的相似运动，进一步通过自由基座精确跟踪期望的相似运动，从而实现运动学等效；利用吊丝悬吊补偿与磁悬浮相结合的混杂重力补偿方法实现空间微重力运动环境再现，进而实现空间任务的地面再现，完成空间任务地面的完整过程验证。
1.磁吊综合补偿自由基座空间任务跨尺度验证装置，其特征是：验证装置包括自由基座系统、吊丝综合机电补偿系统、磁悬浮系统、实验航天器系统、协调控制系统、通信系统与控制中心；
所述实验航天系统包括航天器本体、航天器位姿测量模块、数据通信模块与数据采集存储模块；
装置利用跨尺度等效理论和相似理论将空间目标的轨道运动变换成地面自由基座期望的相似运动，进一步通过自由基座精确跟踪期望的相似运动，从而实现运动学等效；利用吊丝悬吊补偿与磁悬浮相结合的混杂重力补偿方法实现空间微重力运动环境再现，进而实现空间任务的地面再现，完成空间任务地面的完整过程验证；
所述自由基座系统包括基座主体、全向轮及驱动电机、摄像头、激光测距仪、距离传感器、多目标任务通信模块与数据采集控制模块；基座主体的两侧各安装有一组全向轮及驱动电机，激光测距仪与摄像头安装在基座主体的同侧，距离传感器分布在基座主体的四周，数据采集控制模块处理自由基座系统中传感器所得到的信息，对自由基座进行定位并发出控制信息；基座主体内部固定有自由基座系统的采集控制模块、吊丝综合机电补偿系统的采集控制模块、磁悬浮系统的信号发生器、采集控制模块与实验航天器系统的数据通信模块、数据采集控制模块与协调控制模块；
所述吊丝综合机电补偿系统包括倒L型支撑框、X向伺服电机、水平X向机构、Y向伺服电机、水平Y向机构、竖直方向气缸机构、吊丝、无约束悬挂机构、S型张力传感器、二维倾角传感器与数据采集控制模块；吊丝综合机电补偿系统安装在自由基座系统上，倒L型支撑框上安装吊丝综合机电补偿系统的其余结构，水平X向机构与之直接接触并与X向伺服电机相连，在电机的驱动下，可沿水平X方向运动；水平Y向机构安装在水平X向机构上并与Y向伺服电机相连，在电机的驱动下可沿水平Y向运动；竖直方向气缸机构安装在水平Y向机构上，其下端通过吊丝连接有无约束悬挂机构置，气缸转置的活塞杆在气缸气压的控制下可沿竖直方向运动，从而带动安装在其下端的无约束悬挂机构运动；二维倾角传感器安装在吊丝上，S型张力传感器安装在吊丝与活塞杆之间。
2.根据权利要求1所述的磁吊综合补偿自由基座空间任务跨尺度验证装置，其特征是：
所述磁悬浮系统包括线圈、线圈固定块、多层线路板、永磁阵列、信号发生器、磁场测量仪与数据采集控制模块；线圈固定块安装在自由基座系统上，用于固定线圈与多层线路板，内置永磁阵列安装在航天器本体的内部；
所述协调控制系统包括协调控制模块，实现自由基座、吊丝综合机电补偿和磁悬浮三个系统多目标控制任务的协调与优化；
所示通信系统所述通信系统包括数据通信模块，用以自由基座系统、吊丝综合机电补偿系统和磁悬浮系统和协调控制系统量测信息与控制信息的相互通信，以及各系统量测信息与监控中心的信息传递；
所述控制中心包括各系统的监测模块、平台急停模块以及多目标任务扩展模块；
航天器固定在综合机电补偿系统的无约束悬挂机构上，吊丝综合机电补偿系统的二维倾角传感器与张力传感器实时测量悬挂点的运动信息，其采集控制模块根据该运动信息控制水平方向上的电机与竖直方向上的气缸实现悬挂点三维空间的跟随运动，补偿物体大部分重力；残余重力由磁悬浮系统补偿，从而实现微重力运动环境再现；航天器内部搭建有永磁阵列，使其受磁力控制；航天器位姿测量模块通过多传感器信息融合，实时提供航天器的位姿信息，该位姿信息与磁场强度测量信息作为磁悬浮控制器的输入，通过控制磁悬浮系统的电流，驱动航天器绕质心三自由度转动以及相对自由基座三自由度平动，从而实现航天器的位姿运动再现；自由基座数据采集控制模块通过滤波融合摄像头采集的图像信息、激光测距仪的信息与距离传感器的信息为自由基座提供实时位置信息，同时数据采集控制模块通过基于空间目标的轨道动力学方程实时计算期望的轨道位置，利用跨尺度等效原理与相似理论计算出地面自由基座的期望位置，由该期望位置信息与测量处理得到的实际位置信息计算期望输入，驱使自由基座实现期望的相似运动，从而实现航天器的轨道运动再现；实验航天系统的协调控主控模块通过整合数据通信模块与数据存储模块的信息协调控制自由基座系统、吊丝综合机电补偿系统、磁悬浮系统与实验航天系统的工作，从而全面再现航天器执行空间任务的整个过程。
3.根据权利要求2所述的磁吊综合补偿自由基座空间任务跨尺度验证装置，其特征是：
(2)将实验航天器固定在综合机电补偿系统的无约束悬挂装置上；
(3)根据验证任务方案的具体要求将竖直方向气缸装置调整到方案验证时间持续时间最长的位置；
(4)将水平X向机构与水平Y向机构调整到方案验证时间持续时间最长的位置；
(5)吊丝综合重力补偿系统上电，记录此时S型张力传感器的数值，给平台其余系统上电；
(6)开始任务的验证工作，磁悬浮系统的数据采集控制模块根据任务的需要以及航天器位姿测量模块得到航天的当前姿态信息，决定航天器本体的位姿调增量，同时依据磁场测量仪与航天器反馈的位姿实时调整，满足任务的需求，再现实验航天器的位姿运动；
(7)与(6)同步进行，当航天器的位置发生变化时，综合机电补偿系统的水平X向机构、水平Y向机构与竖直气缸装置实时跟随航天器的变化，保证吊丝处于竖直状态，并且S型张力传感器的值保持预设值不变；
(8)与(6)、(7)同步进行，自由基座系统利用跨尺度等效原理与相似理论计算出地面自由基座的期望位置，由该期望位置信息与测量处理得到的实际位置信息计算期望输入，驱使自由基座实现期望的相似运动，从而实现航天器的轨道运动再现；
(9)任务方案试验完成后，关闭平台电源，卸下航天器，根据任务过程中测量记录的信息，分析任务方案的可行性。
磁吊综合补偿自由基座空间任务跨尺度验证装置
技术领域
[0001] 本发明属于航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及空间任务地面运动再现跨尺度验证平台。
背景技术
[0002] 航天工程的发展程度决定能否抢占高科技制高点，能否最大程度的利用太空资源，我国正积极开展航天技术研究，为了顺利在极其恶劣太空环境完成航天任务，必须在地面进行充分的实验验证，将航天器在太空中的运动在地面再现，可以充分验证航天器在空间任务的各个环节，保证航天任务的顺利完成。航天器在太空环境运动最明显的特征是微重力环境下的轨道运动，而地面实验室为有重力环境，为了在地面再现航天器空间微重力环境中的真实运动情况，提高地面验证导航、制导与控制系统实验的置信度，需要在地面为航天器六自由度运动建立一个与空间真实状况相近的无约束微重力环境并模拟其轨道运动。现有的实现微重力这个目标的手段有液浮法，失重法、气浮法、悬挂法。失重法常见的为抛物飞行和自由落体，此方法的缺点是时间短、占用的空间大、能够提供的空间有限并且成本高；液浮法阻尼大、维护成本高且只适合低速运动的情况，且上述方法均未考虑航天器的轨道运动，气浮法与悬挂法系统结构相对简单，易于建立实验室中的无约束微重力环境，但气浮法一般只能实现五自由度运动，在竖直方向的运动受限。悬挂法所占用的空间小、不受时间空间的约束，是重力补偿常用的方法且易于实现。悬挂法一般可以分为主动重力补偿和被动重力补偿，被动重力补偿的补偿精度较低，对试验效果有较大影响；主动重力补偿能够提高补偿精度，但目前主动重力补偿方法一般通过单点悬挂提供三自由度运动空间或多点悬挂提供六自由度运动空间，针对实现航天器运动再现这个目标，三自由度运动空间显然不够，多点悬挂所提供的六自由度空间会由于结构复杂、系统难控导致试验效果不佳。而现有的验证空间任务的地面实验系统大都不能模拟航天器的轨道运动：一类是建立在固定轨道上，无法模拟航天器的机动变轨运动，另一类只考虑航天器的相对轨道运动，忽略绝对轨道运动。因此急需发展一种既能模拟航天器轨道运动又能模拟空间微重力环境的空间任务验证系统
发明内容
[0003] 本发明提出的磁吊综合补偿自由基座空间任务跨尺度验证装置利用跨尺度等效理论和相似理论将空间目标的轨道运动变换成地面自由基座期望的相似运动，进一步通过自由基座精确跟踪期望的相似运动，从而实现运动学等效；利用吊丝悬吊补偿与磁悬浮相结合的混杂重力补偿方法实现空间微重力运动环境再现，进而实现空间任务的地面再现，完成空间任务地面的完整过程验证。
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] 磁吊综合补偿自由基座空间任务跨尺度验证装置包括自由基座系统、吊丝综合机电补偿系统、磁悬浮系统、实验航天器系统、协调控制系统、通信系统与控制中心。
[0006] 所述自由基座系统包括基座主体、全向轮及驱动电机、摄像头、激光测距仪、距离传感器、多目标任务通信模块与数据采集控制模块。基座主体的两侧各安装有一组全向轮及驱动电机，激光测距仪与摄像头安装在基座主体的同侧，距离传感器分布在基座主体的四周，数据采集控制模块处理自由基座系统中传感器所得到的信息，对自由基座进行定位并发出控制信息。基座主体内部固定有自由基座系统的采集控制模块、吊丝综合机电补偿系统的采集控制模块、磁悬浮系统的信号发生器、采集控制模块与实验航天器系统的数据通信模块、数据采集控制模块与协调控制模块。
[0007] 所述吊丝综合机电补偿系统包括倒L型支撑框、X向伺服电机、水平X向机构、Y向伺服电机、水平Y向机构、竖直方向气缸机构、吊丝、无约束悬挂机构、S型张力传感器、二维倾角传感器与数据采集控制模块。吊丝综合机电补偿系统安装在自由基座系统上，倒L型支撑框上安装吊丝综合机电补偿系统的其余结构，水平X向机构与之直接接触并与X向伺服电机相连，在电机的驱动下，可沿水平X方向运动；水平Y向机构安装在水平X向机构上并与Y向伺服电机相连，在电机的驱动下可沿水平Y向运动；竖直方向气缸机构安装在水平Y向机构上，其下端通过吊丝连接有无约束悬挂机构置，气缸转置的活塞杆在气缸气压的控制下可沿竖直方向运动，从而带动安装在其下端的无约束悬挂机构运动；二维倾角传感器安装在吊丝上，S型张力传感器安装在吊丝与活塞杆之间。
[0008] 所述磁悬浮系统包括线圈、线圈固定块、多层线路板、永磁阵列、信号发生器、磁场测量仪与数据采集控制模块。线圈固定块安装在自由基座系统上，用于固定线圈与多层线路板，内置永磁阵列安装在航天器本体的内部。
[0009] 所述实验航天系统包括航天器本体、航天器位姿测量模块、数据通信模块与数据采集存储模块。
[0010] 所述协调控制系统包括协调控制模块，实现自由基座、吊丝综合机电补偿和磁悬浮三个系统多目标控制任务的协调与优化。
[0011] 所示通信系统所述通信系统包括数据通信模块，用以自由基座系统、吊丝综合机电补偿系统和磁悬浮系统和协调控制系统量测信息与控制信息的相互通信，以及各系统量测信息与监控中心的信息传递。
[0012] 所述控制中心包括各系统的监测模块、平台急停模块以及多目标任务扩展模块。
[0013] 根据上述的机械结构和控制系统，本发明提出的磁吊综合补偿自由基座空间任务跨尺度验证装置的工作原理为航天器固定在综合机电补偿系统的无约束悬挂机构上，吊丝综合机电补偿系统的二维倾角传感器与张力传感器实时测量悬挂点的运动信息，其采集控制模块根据该运动信息控制水平方向上的电机与竖直方向上的气缸实现悬挂点三维空间的跟随运动，补偿物体大部分重力。残余重力由磁悬浮系统补偿，从而实现微重力运动环境再现。航天器内部搭建有永磁阵列，使其受磁力控制。航天器位姿测量模块通过多传感器信息融合，实时提供航天器的位姿信息，该位姿信息与磁场强度测量信息作为磁悬浮控制器的输入，通过控制磁悬浮系统的电流，驱动航天器绕质心三自由度转动以及相对自由基座三自由度平动，从而实现航天器的位姿运动再现。自由基座数据采集控制模块通过滤波融合摄像头采集的图像信息、激光测距仪的信息与距离传感器的信息为自由基座提供实时位置信息，同时数据采集控制模块通过基于空间目标的轨道动力学方程实时计算期望的轨道位置，利用跨尺度等效原理与相似理论计算出地面自由基座的期望位置，由该期望位置信息与测量处理得到的实际位置信息计算期望输入，驱使自由基座实现期望的相似运动，从而实现航天器的轨道运动再现。实验航天系统的协调控主控模块通过整合数据通信模块与数据存储模块的信息协调控制自由基座系统、吊丝综合机电补偿系统、磁悬浮系统与实验航天系统的工作，从而全面再现航天器执行空间任务的整个过程。
[0014] 本发明对比已有技术方法具有以下特点：
[0015] 1、自由基座系统，采用全向轮，机动灵活，并且可以原地转弯以及在快速行进过程中稳定转弯，实时自主定位。
[0016] 2、自由基座系统中安装有多目标任务通信模块，可以将单目标任务扩展，同时不改变平台结构，平台不仅对单目标任务具有通用性，对多目标任务同样具有通用性。
[0017] 3、吊丝综合机电补偿系统成本低、制作难度较低并且能够承担大负载。
[0018] 4、磁悬浮系统采用了海尔贝克阵列，降低了磁悬浮结构的复杂程度，简化了控制，且能实现目标六自由度运动的高精度控制。
[0019] 5、采用了吊丝与磁悬浮相结合的方法，补偿航天器的重力，既可以避免磁悬浮中系统电流过大带来的系统过热问题，又可以提高平台的补偿精度。
[0020] 6、实验航天器系统，实时监测航天器的运动状态，为平台的下一步动作提供前馈信息，大大减小了平台的时滞对方案验证置信度的影响。
[0021] 7、本发明可以完整的再现空间任务过程，可验证方案每个环节的执行情况，很大程度上提高空间任务地面再现的可信度。
[0022] 8、通用性，本发明可针对同一任务的不同方案进行验证，也可针对不同任务进行验证，不仅适用于单目标，也适合多目标任务的验证，具有很强的通用性。
附图说明
[0023] 图1是本发明的整体图：
[0024] 图2是本发明的正视图：
[0025] 图中标号：
[0026] 1：吊丝综合机电补偿系统；2：实验航天器系统；3：磁悬浮系统；4：自由基座系统。
[0027] 图3是本发明的自由基座系统整体图。
[0028] 图中标号：
[0029] 1：距离传感器；2：激光测距仪；3：全向轮及驱动电机；4：基座主体；5：多目标任务通信模块；6：摄像头。
[0030] 图4是本发明的综合机电补偿系统整体图。
[0031] 图中标号：
[0032] 1：倒L型支撑框；2：无约束悬挂机构；3：Y向伺服电机；4：水平X向机构；5：X向伺服电机；6：竖直方向气缸机构；7：水平Y向机构。
[0033] 图5是本发明的综合机电补偿系统正视图。
[0034] 图中标号
[0035] 8：二维倾角传感器；9：S型张力传感器；10：吊丝。
[0036] 图6是本发明的磁悬浮系统与实验航天系统的整体图。
[0037] 图中标号：
[0038] 1：多层线路板；2：线圈固定块；3：线圈；4：永磁阵列；5：航天器本体；6：磁场测量仪；7：航天器位姿测量模块。
[0039] 图7是本发明的磁悬浮系统的工作原理示意图。
[0040] 图8是本发明工作流程图。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图对本发明做进一步说明：本发明提出的磁吊综合补偿自由基座空间任务跨尺度验证装置通过数据融合与处理实现航天器的轨道运动再现，安装在自由基座系统上的吊丝综合机电补偿系统与磁悬浮系统协作实现微重力环境再现，磁悬浮系统通过控制航天器本体内部搭建的海尔贝克阵列，使其受磁力控制，从而驱动航天器本体绕质心三自由度转动以及相对自由基座三自由度平动，实现航天器的位姿运动再现，全面再现航天器执行空间任务的整个过程。
[0042] 具体来说，结合图1与图2，本发明磁吊综合补偿自由基座空间任务跨尺度验证装置可划分为吊丝综合机电补偿系统1、实验航天器系统2、磁悬浮系统3与自由基座系统4。吊丝综合机电补偿系统1与磁悬浮系统3安装在自由基座系统4上，在自由基座系统4的带动下做轨道运动，实验航天器系统2固定在吊丝综合机电补偿系统1上。
[0043] 结合图3，距离传感器1分布在基座主体4的周围，用来测量到周围物体的距离辅助定位，激光测距仪2安装在基座主体2的两侧，用于精确量测到周围物体的距离，与安装在基座主体4前端的摄像头6以及距离传感器1一起构成基座全局定位单元。
[0044] 结合图4与图5，倒L型支撑框1与自由基座系统固连，支撑吊丝综合机电补偿系统的其余结构，为了保证其稳定性安装有筋板，X向伺服电机5与水平X向机构4连接，可带动水平X向机构4沿水平X方向运动，水平Y向机构7安装在水平X向机构4上，可随之在水平X方向上运动，Y向伺服电机3与水平Y向机构7连接，带动水平Y向机构7沿水平Y方向运动，竖直方向气缸机构6安装在水平Y向机构7上，并随之在水平Y方向运动，竖直方向气缸机构6可在竖直方向运动，其下端连接有吊丝10，吊丝10下端连接有S型张力传感器9，并且吊丝10上安装有二维倾角传感器8。S型张力传感器9与二维倾角传感器8构成吊丝位移张力测量单元。当二维倾角传感器8的信息发生变化时，X、Y方向上的伺服电机控制其对应的水平X、Y方向装置运动，使得吊丝10保持在竖直方向，当S型张力传感器9信息发生变化时，竖直方向气缸装置6与磁悬浮系统共同作用，使得S型张力传感器9的数值不发生变化，从而补偿实验航天器系统受到的重力。
[0045] 结合图6与图7，多层线路板1与线圈3固定在线圈固定块2上，永磁阵列4按照海尔贝克阵列排列内置在航天器本体5中，从而利用磁悬浮系统控制航天器本体六个自由度的运动，磁场测量仪6安装在航天器本体5内部为磁场强度测量单元，航天器位姿测量模块7安装在航天器本体5上为航天器位姿测量单元，实时测量航天器的状态信息。
[0046] 结合图8，
[0047] 本发明的工作步骤为：
[0048] (1)将内置永磁块阵列固定的航天器本体内部；
[0049] (2)将实验航天器固定在综合机电补偿系统的无约束悬挂装置上；
[0050] (3)根据验证任务方案的具体要求将竖直方向气缸装置调整到方案验证时间持续时间最长的位置；
[0051] (4)将水平X向机构与水平Y向机构调整到方案验证时间持续时间最长的位置；
[0052] (5)吊丝综合重力补偿系统上电，记录此时S型张力传感器的数值，给平台其余系统上电；
[0053] (6)开始任务的验证工作，磁悬浮系统的数据采集控制模块根据任务的需要以及航天器位姿测量模块得到航天的当前姿态信息，决定航天器本体的位姿调增量，同时依据磁场测量仪与航天器反馈的位姿实时调整，满足任务的需求，再现实验航天器的位姿运动；
[0054] (7)与(6)同步进行，当航天器的位置发生变化时，综合机电补偿系统的水平X向机构、水平Y向机构与竖直气缸装置实时跟随航天器的变化，保证吊丝处于竖直状态，并且S型张力传感器的值保持预设值不变；
[0055] (8)与(6)、(7)同步进行，自由基座系统利用跨尺度等效原理与相似理论计算出地面自由基座的期望位置，由该期望位置信息与测量处理得到的实际位置信息计算期望输入，驱使自由基座实现期望的相似运动，从而实现航天器的轨道运动再现；
[0056] (9)任务方案试验完成后，关闭平台电源，卸下航天器，根据任务过程中测量记录的信息，分析任务方案的可行性。
