赵明
哈尔滨广厦学院，哈尔滨 150000
摘要：智能性、快速性和可靠性是现代新型空间航天器所具有的特点，我们必须紧密地连接空间航天器相关的各种传感器、制导和导航与控制装置、电力系统和推进系统等上天设备，并确保其稳定的工作。所以在它们进入太空之前，我们必须考虑它们在太空中工作任务具有的多样性和复杂性，严格地对空间航天器的姿态和轨道控制算法以及控制设备进行了非常谨慎的地面测试。气浮台仿真是模拟真实太空环境的一种特有的仿真方法，它可以直观、有效地验证控制系统方案的正确性并检验实际控制系统的功能和性能。
关键词：多自由度；全物理仿真；控制系统
一 引言
有公开文献记载的最早的气浮台是美国陆军弹道飞弹署研制的一套三自由度气浮台，最早开始研制气浮台的高校是美国的斯坦福大学。早期研究人员一般用一个静止的、具有三个旋转自由度的气浮台进行航天器的全物理仿真试验，这些试验可以用来模拟航天器的空间姿态运动。
根据太空中的实际情况，灵活的的轨道机动性是现代航天器在太空中所必须具备的，很多时候航天器需要变轨飞行，所以就需要一个动态的多自由度气浮台对航天器的性能进行测试。近年以来随着航天技术的快速发展，国内外一些大学和科学研究机构已经开始了相关的研究，四自由度、五自由度和六自由度的多自由度气浮台已经被研制出来。
国内的气浮台方面相关的研究工作相对于国外来说起步较晚，而且我们国内相关领域使用的一些多自由度气浮台是从国外进口的。但是近些年来，国内的一些航天重点院校和研究院所在引进国外先进技术的基础上对多自由度的气浮台的相关性能和用途进行了深入研究，取得了一系列成果并应用于实际的航天器全物理仿真试验。
二 国外研究现状
从2003年起，美国的维吉尼亚理工大学开始研发航天相关的分布式气浮仿真试验系统，该系统的承载为272kg，两个三自由度气浮台分别是桌面式气浮台和哑铃式气浮台。桌面式气浮台的方位轴方向有360°的全自由度，横滚轴和俯仰轴方向各有±5°的自由度。哑铃式气浮台的方位轴和横滚轴方向都有360°的全自由度，俯仰轴方向有±30°的自由度[1]。这套系统可以用来验证现代航天器的姿态和轨道控制规律，同时可以用来对一组三个航天器的联合编队飞行任务进行全物理仿真。
在2001年至2006年间，美国海军研究生院开发了两套三自由度气浮台。第一套气浮台采用伞式结构配置，依靠球面气浮轴承实现了三个自由度的旋转运动。此气浮台浮起部分总重204Kg，它的方位轴方向有360°全自由度，横滚轴和俯仰轴方向各有±45°的自由度[2]。第二套气浮台采用了桌面式结构，该气浮台总重600Kg，它的方位轴方向有360°的全自由度，横滚轴和俯仰轴方向各有±30°的自由度[3]。第二套气浮台相对于第一套气浮台的主要改进之处在于它的刚度相对于第一套气浮台得到增强。美国海军研究生院利用这两套气浮台研究了航天器姿态跟踪算法、二体航天器的飞行控制以及航天器转动惯量的系统辨识等问题。
从2003起，美国乔治亚理工学院着力于开发了一套三自由度气浮台，其方位轴方向有360°全自由度，横滚轴和俯仰轴方向各有±30°的自由度。从2009年起，乔治亚理工学院根据实际需要对此三自由度气浮台进行了改造，增加了平动部分，研制了一套五自由度气浮台，从而可以进行空间交会对接和航天器的自治飞行的仿真研究[4]。
在2007年，英国的南安普顿大学成功开发了一套五自由度气浮仿真试验系统。该系统主要用来测试航天器上的通信设备、敏感器和执行器，并可以对航天器编队飞行的相关控制算法进行全物理仿真试验[5]。
欧洲EADS集团的ASTRIUM公司开发了一套完整的五自由度气浮仿真试验系统，该气浮仿真实验系统包括冷气推进装置、数据处理装置、微视觉装置、姿态测控装置、遥控遥测装置以及电源模块。
气浮台采用了内装式结构，以获得较大的姿态旋转自由度，这套五自由度气浮仿真试验系统主要用于微小航天器仿真试验。气浮台总重358Kg，方位轴方向有360°全自由度，横滚轴和俯仰轴各有±30°的自由度[6]。
美国的伦斯勒理工大学设计一套6自由度气浮仿台，用来验证纳米卫星的制导、导航和控制算法。其方位轴方向有360°全自由度，横滚轴和俯仰轴各有±45°的自由度[7]。
三 国内研究现状
中国空间技术研究院的下属单位北京控制工程研究所是我国有文献记载的最早引进单自由度气浮台的单位，该所和俄罗斯萨玛拉中央专门设计局进行技术合作，中俄双方共同完成了某大型三轴气浮台的研制。此气浮台可装载中方仿真控制系统各部件的总质量大于l000kg，其偏航轴方向有360°的全自由度，横滚轴和俯仰轴各有±20°的自由度。其方位轴在±360°的范围内的扰动力矩小于0.0025Nm，横滚轴和俯仰轴在±20°范围的干扰力矩小于0.01Nm，气浮台的连续工作时间大于2个小时。最近几年北京控制工程研究所在气浮台全物理仿真方面有了很多新的进展，他们进行了关于挠性结构卫星控制方法的全物理仿真试验研究[8]。
西北工业大学航天学院以空间航天器的姿态运动问题为工程背景，利用三轴气浮台作为全物理仿真实验平台，研究了混沌控制与反控制问题。他们提出了一种新的动量轮混沌控制方法，该方法首先将外控制力矩进行混沌化，然后再将混沌化得到的控制信号施加到动量轮上。该单位还研究多体航天器的动力学，实现了带转动部件的多体航天器动力学全物理仿真，并解决了单轴气浮台不能完全模拟航天器三个自由转动自由度的平衡状态问题。
哈尔滨工业大学的控制理论与制导技术研究中心以该中心现有的四自由度气浮台为基础，对空间飞行器交会对接过程中的一些关键性问题进行了大量的地面全物理仿真试验，在视觉测量、姿态控制等方面取得了一系列研究成果。
欧洲EADS集团的ASTRIUM公司开发的五自由度气浮台被哈尔滨工业大学小卫星所引入到实验室，利用该气浮台进行了航天器编队飞行关键技术的全物理仿真试验研究。小卫星所还与德国的一所大学合作设计了一套三自由度气浮台，这个三自由度气浮台主要用来研究微小航天器的姿态控制算法、星上设备控制等问题。
哈尔滨工业大学气动技术中心研制开发了一套五自由度气浮仿真试验系统，其方位轴方向有360°的全自由度，横滚轴和俯仰轴各有±30°的自由度，能够实现五个自由度独立运动，姿态平台不平衡力矩小于0.01Nm。该样机具有俯仰、方位、横滚、轨道平移及定点绕飞等空间活动的全物理仿真功能，可以实现对航天器的姿态运动和轨道运动的联合仿真[9]。
四 小结
针对国内外多自由度气浮台研究情况, 综合对比、分析了大量资料，对国外多个高水平气浮台的研究背景及参数进行了归纳，对国内应用气浮台进行卫星仿真以及研制气浮台的情况进行了介绍，旨在为国内相关研究人员提供借鉴和参考。
参 考 文 献
[1]柴佳能. 气浮台垂向控制及姿态稳定系统的设计[D].哈尔滨工业大学,2019.
[2]陈保秀,王岩.基于优化算法的六自由度气浮台垂向控制[J].计算机仿真,2018,35(09):315-319.
[3]吴敬玉,陈秀梅,钟超,李小斌,裴甲瑞.基于三自由度气浮台卫星姿态控制系统仿真[J].兵工自动化,2018,37(07):51-55.
[4]尹远浩. 三自由度气浮台设计及关键技术研究[D].哈尔滨工业大学,2018.
[5]陈保秀. 六自由度气浮台垂向补偿控制系统设计[D].哈尔滨工业大学,2018.
[6]李丹阳. 三轴气浮台质量特性辨识相关技术研究[D].哈尔滨工业大学,2018.
[7]陈林. 小卫星高精度姿态控制算法及气浮仿真平台搭建[D].南京航空航天大学,2018.
[8]杨炳辉. 基于微小卫星编队的聚光操控技术研究[D].南京航空航天大学,2018.
[9]黄成. 航天器交会对接有限时间控制方法研究[D].哈尔滨工业大学,2018.
作者简介：
赵明（1986—），男，硕士，工程师，从事控制科学与工程相关的研究工作。Email：964534961@qq.com