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全自動三軸氣浮臺微干擾力矩測量系統及方法
【專利摘要】本發明公開一種全自動三軸氣浮臺微干擾力矩測量系統及方法，包括氣浮球和球窩，在所述氣浮球上安裝一個陀螺，用于測量三個方向的角速度ωm，氣浮球上安裝三個配平質量塊m1、m2、m3和噴氣系統，所述氣浮球、陀螺、質量塊以及噴氣系統所構成的系統在氣浮球坐標下的轉動慣量矩陣為一個3×3的矩陣Ia，所述噴氣系統使得氣浮球產生一個初始角速度，通過所述陀螺測量氣浮球在轉動過程中的氣浮球的角速度ωm，并根據Ia計算出三個方向的干擾力矩。本發明所提供的系統及方法，利用全轉動時，對稱結構所形成的章動，可以有效地解決氣浮球軸承與球窩之間的干涉問題，可以實現在小角度的范圍內測量氣浮球軸承的干擾力矩。
【專利說明】全自動三軸氣浮臺微干擾力矩測量系統及方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及測量微量級的干擾力矩，更具體的涉及一種三軸氣浮臺等需要精確測量各個方向干擾力矩，同時單軸測量時存在機械干涉、難以測量的情況。

【背景技術】
[0002]三軸氣浮臺作為研制高精度航天器、驗證姿控系統和補償算法的有效地面測試設備，需要精確地測量其各個方向的干擾力矩。現在工程實踐一般根據= W = JVxl/測量縱向的干擾力矩，但是由于干擾力矩Td的量級很小，陀螺等測角速率類的儀器的測角速率的精度有限，通過該種方法測量干擾力矩時，需要經過較長時間的積分，才能測量出由于!^所造成的ω的變化，進而反映到Tdi，但是由于積分時間很長，氣浮球需要轉過很大的角度，所以，該種方法在水平兩個方向上并不適用，否則氣浮球將撞擊到球窩上。目前工程上尚無有效地手段解決此類問題，一般默認三個方向的干擾力矩一致，缺乏試驗數據支持。


【發明內容】

[0003]本發明針對上述的現有技術中的不足，提供一種全自動三軸氣浮臺微干擾力矩測量系統及方法，用于測量三軸氣浮臺氣浮球軸承三個轉動自由度方向上的干擾力矩的大小。該系統及方法，利用全轉動時，對稱結構所形成的章動，可以有效地解決氣浮球軸承與球窩之間的干涉問題，可以實現在小角度的范圍內測量氣浮球軸承的干擾力矩。
[0004]為達到上述目的，本發明所采用的技術方案如下:
[0005]一種全自動三軸氣浮臺微干擾力矩測量系統，包括氣浮球和球窩，在所述氣浮球上安裝一個陀螺，用于測量三個方向的角速度ωπ，氣浮球上安裝三個配平質量塊m1、m2、m3和噴氣系統，所述氣浮球、陀螺、質量塊以及噴氣系統所構成的系統在氣浮球坐標下的轉動慣量矩陣為一個3X3的矩陣Ia，所述噴氣系統使得氣浮球產生一個初始角速度，通過所述陀螺測量氣浮球在轉動過程中的氣浮球的角速度ωπ，并根據Ia計算出三個方向的干擾力矩。
[0006]一種全自動三軸氣浮臺微干擾力矩測量方法，通過如權利要求1所述的系統來完成，采用三軸同時轉動，避免球窩邊緣和球邊緣的觸碰，具體步驟如下:
[0007]I)球窩通過特定的連接端面固定于地面；
[0008]2)在氣浮球上安裝陀螺；
[0009]3)通過調整氣浮球上端面上的質量塊H^m2和m3的位置和配重，使得整個系統的轉動慣量矩陣在X、1、Z三個方向滿足Ixy = O、Iyz = O、Izx = O、Iyy = Izz ；
[0010]4)按照如下公式估算氣浮球的初始角速度COstl = [ωχ0 COytl ω Jt:
[0011](I)給定合適的ωζ(ι，并假設ωχ(ι = Qy0 = α ωζ(ι，其中α為一個未知的常數；
[0012](2)氣浮球水平向允許的轉角的幅值為β，按照初始三個姿態角均為0，則按照下式確定Ct:
[0013]arctan a + arctan√2Ia/Iax < ρ ;
[0014]如果初始時刻氣浮球存在一定的偏角，使得整個系統的角動量的方向指向天頂，
貝_定α時的公式為:arctan √21a/Iax:a <β'
[0015]5)通過噴氣系統使得整個氣浮臺有一個上述4)中的初始角速率；
[0016]6)通過陀螺測量臺體角速率在整個過程的變化，按照下式計算三軸姿態角ω ；

【權利要求】
1.一種全自動三軸氣浮臺微干擾力矩測量系統，包括氣浮球和球窩，其特征在于，在所述氣浮球上安裝一個陀螺，用于測量三個方向的角速度ωπ，氣浮球上安裝三個配平質量塊In1 > m2、m3和噴氣系統,所述氣浮球、陀螺、質量塊以及噴氣系統所構成的系統在氣浮球坐標下的轉動慣量矩陣為一個3X3的矩陣Ia，所述噴氣系統使得氣浮球產生一個初始角速度，通過所述陀螺測量氣浮球在轉動過程中的氣浮球的角速度ωπ，并根據Ia計算出三個方向的干擾力矩。
2.一種全自動三軸氣浮臺微干擾力矩測量方法，其特征在于，通過如權利要求1所述的系統來完成，采用三軸同時轉動，避免球窩邊緣和球邊緣的觸碰，具體步驟如下: 1)球窩通過特定的連接端面固定于地面； 2)在氣浮球上安裝陀螺； 3)通過調整氣浮球上端面上的質量塊H^m2和m3的位置和配重，使得整個系統的轉動慣量矩陣在X、1、Z三個方向滿足Ixy = O、Iyz = O、Izx = O、Iyy = Izz ； 4)按照如下公式估算氣浮球的初始角速度Ostl=[ωχ0 ω- ωζ0]τ: (1)給定合適的ωζ(ι，并假設ωχ(ι= Qy0 = α ωζ(ι，其中α為一個未知的常數； (2)氣浮球水平向允許的轉角的幅值為β，按照初始三個姿態角均為0，則按照下式確定Ct:
如果初始時刻氣浮球存在一定的偏角，使得整個系統的角動量的方向指向天頂，則確定α時的公式為:
5)通過噴氣系統使得整個氣浮臺有一個上述4)中的初始角速率； 6)通過陀螺測量臺體角速率在整個過程的變化，按照下式計算三軸姿態角ω:
7)按照下式計算干擾力矩在本體系下的分量:
8)按照下式計算干擾力矩在慣性系下的分量
中:ψ- θ - φ依次為按照z-y-x順利轉動的三軸姿態角。
3.根據權利要求1所述的全自動三軸氣浮臺微干擾力矩測量方法，其特征在于，所述質量塊的數量能適當增加，只需要滿足最終Ixy = O、Iyz = O、Izx = O、Iyy = Izz即可。
【文檔編號】G01C25/00GK104197955SQ201410398151
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月13日 優先權日:2014年8月13日
【發明者】李太平, 徐俊, 倪華晨, 洪巖, 程世祥 申請人:上海衛星裝備研究所