绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置与方法

1.本发明涉及航天器地面仿真技术领域，特别涉及一种绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置与方法。


背景技术：

2.地球静止轨道废弃卫星长期占据轨道资源，其累积效应使得轨道资源日益紧张。近年来，针对废弃卫星和空间碎片的轨道清理问题逐渐开始引起各国的关注。绳网捕捉作为一种空间碎片主动清除技术，具有成本低、容错率高的优势。为了保证在发射上天后，能顺利完成设计的目标，在地面进行全面的试验和验证是必须的。
3.而目前现有的绳网捕捉地面实验大都存在未能排除绳网重力干扰以及仿真受实验场地空间限制的问题，具体如下：张仁勇在《交会对接视觉相对导航系统半物理仿真》中提出了一种基于投影屏幕的仿真目标。其对空间目标的形态特性、运动特性和辐射特性进行模拟，同时对背景中的恒星进行模拟。通过目标模拟控制器输入参数，对空间目标和背景进行场景生成，再由投射设备将目标和背景图像按照设定投射到显示屏幕，其具有距离相模拟的功能。《交会对接视觉相对导航系统半物理仿真》中的目标卫星需要通过目标模拟控制器输入参数，生成空间目标和背景的场景，但由于目标卫星完全是通过模型生成的，其准确程度依赖于模型的可靠性。而且投影生成的特征光电与led（lightemitting diode，发光二极管）充当的实际特征光点在光学特性上也有一定不同，在图形处理上可能会造成未知的影响。
4.张加波在基于《真空负压吸附的太阳翼重力卸载技术》中提出了一种基于真空负压吸附的用于太阳翼地面展开试验的重力卸载技术。试验系统主要包括：支撑桁架结构、大尺寸水平顶板、真空负压吸附重力卸载系统、太阳翼基板模型。根据太阳翼基板的展开过程，对重力卸载系统的关键性能参数进行分析，并在太阳翼单元的模拟展开过程中进行测试验证。《真空负压吸附的太阳翼重力卸载技术》中的重力卸载是基于负压吸附的，这就决定了这种重力卸载方式只能用于表面光滑的设备上，不适用于绳网的重力卸载中，同时整套系统较为复杂，而且成本较高。
5.发明名称为一种空间微波雷达伺服机构地面实验重力卸载装置（申请号为201220245912.1）的实用新型专利，公开了一种用于空间微波雷达伺服机构地面实验的重力卸载装置，该重力卸载装置包含：基座；连杆支架，该连杆支架的中部与所述基座连接设置；配平组件，该配平组件与所述连杆支架的一端连接设置；悬吊支架，该悬吊支架的顶端与所述连杆支架的一端连接设置，底端与安装在微波雷达伺服机构的俯仰通道支架上的天馈组件连接设置；所述悬吊支架通过连杆支架将所述反馈组件的重力作用传递至配平组件。这种重力卸载装置通过重力配平的方法消除地球重力对微波雷达伺服机构的影响。专利一种空间微波雷达伺服机构地面实验重力卸载装置通过重力配平的方法消除地球重力对卸载对象的影响。这种卸载方式在卸载对象本身需要进行移动时会破坏这种平衡，改变拉力的方向。
6.发明名称为氦气球悬挂重力卸载装置（申请号为201220668202.x）的实用新型专利，公开了一种氦气球悬挂重力卸载装置，包括具有安全绳、悬挂绳、牵控绳以及进气口和出气口的氦气球，利用拉力传感器将试验过程中拉力的变化进行采样并实时传输至地面的计算机，通过缓冲弹簧秤连接拉力传感器和悬挂工装，采用充气氦气瓶通过减压阀将氦气充入氦气球，通过氦气压缩机将氦气回收至氦气瓶中以重复利用。此重力卸载装置可以实现可展开机构展开试验的重力卸载，降低试验成本的同时，提高展开试验的效率和可靠性。专利氦气球悬挂重力卸载装置，通过氦气球牵拉抵消地球重力对卸载对象的影响，通过将氦气冲入和排出氦气球来改变气球牵拉的力。这种卸载方式的卸载拉力集中在一点，在做用于非刚体目标时可能会出现问题。
7.因此，亟待一种能排除绳网重力干扰以及仿真不受实验场地空间限制的装置。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置与方法，以用于解决现有的绳网捕捉地面实验存在绳网重力干扰以及仿真受实验场地空间限制的技术问题。
9.本发明一方面实施例提供一种绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置，包括：距离相模拟系统、重力卸载系统、传感器补偿系统、通讯系统和供电系统，其中，所述距离相模拟系统安装在所述绳网拖曳地面仿真系统的目标卫星模型上，并通过所述通讯系统与所述绳网拖曳地面仿真系统和外界环境进行有线或无线通信；所述重力卸载系统包括氦气套筒模块、充气排气模块和套筒控制模块，其中，所述氦气套筒模块包括套在所述绳索上的分段充气的筒状氦气球、充气气管和放气气管，充气排气模块包括充气氦气瓶、氦气压缩机和电动气阀，所述筒状氦气球每段分别通过所述充气气管和所述电动气阀与所述充气氦气瓶连接，所述筒状氦气球通过所述放气气管和所述电动气阀与所述氦气压缩机的低压端连接，所述套筒控制模块与所述电动气阀电连接，并通过所述通讯系统与所述绳网拖曳地面仿真系统和外界环境进行有线或无线通信；所述传感器补偿系统通过所述通讯系统与所述绳网拖曳地面仿真系统进行有线或无线通信；所述供电系统分别与所述距离相模拟系统、所述重力卸载系统和所述传感器补偿系统连接。
10.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述套筒控制模块包括单片机和驱动芯片，其中，所述单片机与所述驱动芯片连接，所述单片机还通过控制线与所述电动气阀连接。
11.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述传感器补偿系统包括测量误差拟合模块和测量误差补偿模块，其中，所述测量误差拟合模块通过所述通讯系统获得所述四个拉力传感器的读数和所述目标卫星运动模拟系统中二号转动平台绕预定轴转动的角度，并利用分段最小二乘法拟合拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数；所述测量误差补偿模块根据所述拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数在所述绳网拖曳地面仿真系统中补偿四个拉力传感器因自身与四段绳索重力产生的测量误差。
12.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述距离相模拟系统包括显示模块、显示控制模块和手动调节模块，其中，所述显示控制模块，用于通过所述通讯系统获取所述目标卫星模型与所述任务卫星模型之间的实际距离，并输入待模拟的目标卫星与任务卫星之间的距离和待模拟的目标卫星的光学特征长度，根据所述实际距离、所述待模拟的目标卫星与任务卫星之间的距离和待模拟的目标卫星的光学特征长度计算所述目标卫星模型的目标光学特征长度，其中，所述目标光学特征长度为两特征光点间距或单个特征光点的光斑直径；所述显示模块，用于显示所述目标光学特征长度；所述手动调节模块通过数据线与所述显示控制模块连接，用于为操作者提供手动调节所述目标光学特征长度的渠道，以备所述通讯系统损坏或校正误差时使用。
13.进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述目标光学特征长度为两特征光点间距时，所述显示模块包括底座、两台线性电机、两个led灯、标尺和两个锁定机构，其中，所述两台线性电机紧密安装在所述底座上，所述两个led灯分别安装在两台线性电机的动子上，一个线性电机上的动子在远离另一线性电机的一侧安装锁定机构，所述底座上安装所述标尺；所述线性电机，用于通过其动子的运动连续地改变所述两个led灯之间的距离，以达到所述目标光学特征长度；所述标尺与手动调节模块相配合，用于为操作者提供手动调节所述目标光学特征长度的渠道；所述锁定机构，用于固定所述线性电机的动子。
14.进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述目标光学特征长度为单个特征光点的光斑直径时，所述显示模块包括若干紧密排列的led灯，所述显示模块根据需求点亮不同数目以及不同位置的led灯以构成不同大小的光斑。
15.本发明另一方面实施例提供一种绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟方法，包括：步骤s1，对所述重力卸载与距离相模拟装置上电，并确保各个系统正常运行；步骤s2，在连接所述目标卫星模型和所述任务卫星模型的绳索无外拉力的情况下，转动所述目标卫星模型，利用所述传感器补偿系统的测量误差拟合模块通过所述通讯系统记录在一周的范围内，多个预设目标卫星模型转动角度及每个转动角度下位于目标卫星模型四角的每个拉力传感器的读数，以拟合拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数；步骤s3，通过所述通讯系统向所述距离相模拟系统中的显示控制模块输入待模拟的目标卫星与任务卫星之间的距离和待模拟的目标卫星的光学特征长度，并获取所述目标卫星模型与所述任务卫星模型之间的实际距离，并根据上述输入和获取的数据计算所述目标卫星模型的目标光学特征长度；步骤s4，通过所述通讯系统向所述重力卸载系统中的套筒控制模块输入当前环境温度，所述套筒控制模块通过所述通讯系统获取任务卫星模型释放的绳索长度，并根据所述当前环境温度和所述绳索长度计算所述筒状氦气球的待充气长度，并根据所述待充气长度确定所述筒状氦气球的段数并取整，以对所述筒状氦气球进行充气或放气平衡绳索重力；步骤s5，利用所述拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数计算干扰力，在任意角度下位于目标卫星模型四角的每个拉力传感器的读数上减去干扰力，
以补偿四个拉力传感器输出；步骤s6，控制所述距离相模拟系统的显示模块显示所述目标光学特征长度；步骤s7，完成实验，将所述重力卸载与距离相模拟装置归位并关机。
16.本发明的技术方案，至少实现了如下有益的技术效果：可消除绳网拖曳地面仿真过程中重力对于绳索以及拉力传感器的影响，且能随绳索的释放和收紧灵活改变卸载的重力大小；通过改变特征光点之间距离或者特征光斑直径，在较近位置模拟位于较远距离的目标卫星，降低远距离地面仿真对于实验空间的需求，降低实验成本；结构简单，不易受到外界其他条件的干扰，可靠性高。
17.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本发明一个实施例的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置的结构示意图；图2为根据本发明一个实施例的重力卸载与距离相模拟装置和绳网拖曳地面仿真系统配合示意图；图3为根据本发明一个实施例的重力卸载系统中的氦气套筒模块结构示意图；图4为根据本发明一个实施例的显示模块结构示意图；图5为根据本发明另一个实施例的显示模块结构示意图；图6为根据本发明一个实施例的距离相模拟系统的原理示意图；图7为根据本发明一个实施例的重力卸载系统结构示意图；图8为根据本发明一个实施例的传感器补偿系统中测量误差补偿模块的示意图；图9为根据本发明一个实施例的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟方法的流程图。
19.附图标记说明：10-重力卸载与距离相模拟装置、100-距离相模拟系统、101-显示模块、1011-线性电机、1012-led灯、1013-锁定机构、1014-标尺、102-显示控制模块、103-手动调节模块、200-重力卸载系统、201-氦气套筒模块、202-充气排气模块、203-套筒控制模块、300-传感器补偿系统、400-通讯系统和500-供电系统。
具体实施方式
20.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
21.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置与方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置。
22.图1是本发明一个实施例的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置的结构示意图。
23.该重力卸载与距离相模拟装置10包括：距离相模拟系统100、重力卸载系统200、传感器补偿系统300、通讯系统400和供电系统500。
24.需要说明的是，如图2所示，绳网拖曳地面仿真系统包括任务卫星运动模拟系统、目标卫星运动模拟系统、任务卫星模型、目标卫星模型和绳索，任务卫星运动模拟系统包括一号平动平台和安装在一号平动平台上的一号转动平台，目标卫星运动模拟系统包括二号平动平台和安装在二号平动平台上的二号转动平台，任务卫星模型安装在任务卫星运动模拟系统的一号转动平台上，以模拟任务卫星三自由度平动运动和三自由度转动运动；同理，目标卫星模型安装在目标卫星运动模拟系统的二号转动平台上，以模拟目标卫星三自由度平动运动和三自由度转动运动；绳索的一端通过安装在任务卫星模型上的系绳收放装置释放或收起，任务卫星模型通过安装在系绳收放装置滚轮机构上的光电码盘可获知释放出的绳索长度，绳索另一端分为四段连接在安装于目标卫星模型四角的四个拉力传感器上，拉力传感器分别获取四段绳索的拉力。
25.其中，本发明实施例的距离相模拟系统100安装在绳网拖曳地面仿真系统的目标卫星模型上，并通过通讯系统400与绳网拖曳地面仿真系统和外界环境进行有线或无线通信；重力卸载系统200包括氦气套筒模块201、充气排气模块202和套筒控制模块203，其中，如图3所示，氦气套筒模块201包括套在绳索上的分段充气的筒状氦气球、充气气管和放气气管，充气排气模块202包括充气氦气瓶、氦气压缩机和电动气阀，筒状氦气球每段分别通过充气气管和电动气阀与充气氦气瓶连接，筒状氦气球通过放气气管和电动气阀与氦气压缩机的低压端连接，套筒控制模块203与电动气阀电连接，并通过通讯系统400与绳网拖曳地面仿真系统和外界环境进行有线或无线通信；传感器补偿系统300通过通讯系统400与绳网拖曳地面仿真系统中的目标卫星模型四角的四个拉力传感器和目标卫星运动模拟系统进行有线或无线通信；供电系统500分别与距离相模拟系统100、重力卸载系统200和传感器补偿系统300连接。
26.进一步地，如图1和图2所示，本发明实施例中的距离相模拟系统100包括显示模块101、显示控制模块102和手动调节模块103，其中，显示控制模块102用于通过通讯系统400获取目标卫星模型与任务卫星模型之间的实际距离，并输入待模拟的目标卫星与任务卫星之间的距离和待模拟的目标卫星的光学特征长度，根据实际距离、待模拟的目标卫星与任务卫星之间的距离和待模拟的目标卫星的光学特征长度计算目标卫星模型的目标光学特征长度（特征光点距离或光斑大小）；显示模块101用于显示目标卫星模型的目标光学特征长度；手动调节模块103通过数据线与显示控制模块102连接，用于为操作者提供手动调节目标卫星模型的目标光学特征长度的渠道，以备通讯系统损坏或校正误差时使用。
27.其中，目标光学特征长度为两特征光点间距或单个特征光点的光斑直径，具体地，距离相模拟系统100中的显示模块101根据视觉算法的需求设计如下两种构型：构型一，如图4所示，当目标光学特征长度为单个特征光点的光斑直径时，即视觉算法通过两特征光点在相机成像面上成像的距离计算目标距离的，具体地，通过改变两个特征光点之间距离在较近位置模拟位于较远位置不同距离的目标卫星，该构型下的显示模块101包括底座、两台线性电机、两个led灯、标尺和两个锁定机构，其中，两台线性电机紧密
安装在底座上，两个led灯分别安装在两台线性电机的动子上，一个线性电机上的动子在远离另一线性电机的一侧安装锁定机构，底座上安装标尺，其中，线性电机用于通过其动子的运动连续地改变两个led灯之间的距离，以达到目标卫星模型的目标光学特征长度；标尺与手动调节模块103相配合，用于为操作者提供手动调节目标卫星模型的目标光学特征长度（特征光点距离或光斑大小）的渠道；锁定机构用于固定线性电机的动子，以避免其在实验过程中因可能存在的机械振动而改变自身位置。
28.构型二，如图5所示，当目标光学特征长度为单个特征光点的光斑直径时，即视觉算法通过单个特征光点在成像面上成像的光斑大小来实现距离计算，具体地，通过改变特征光点光斑大小来实现距离计算，该构型下的显示模块101包括若干紧密排列的led灯，显示模块101根据需求点亮不同数目以及不同位置的led灯以构成不同大小的光斑。
29.其中，如图6所示，距离相模拟系统的原理为：式中，为目标卫星模型与任务卫星模型之间的实际距离，为模拟的目标卫星与任务卫星的距离，为显示模块中两个led灯的间距（或光斑直径），为目标卫星的光学特征长度。
30.进一步地，本发明实施例中的套筒控制模块203包括单片机和驱动芯片，其中，单片机与驱动芯片连接，单片机还通过控制线与电动气阀连接。
31.具体地，由于氦气的密度低于空气，充氦气的筒状氦气球会产生与绳索重力相反方向的浮力，通过改变筒状氦气球充气的长度可以改变其产生的的浮力大小，使之一直与重力相抵消。
32.重力卸载系统200中的充气排气模块202通过氦气瓶将氦气向指定的筒状氦气球段充入氦气，通过氦气压缩机将氦气回收至氦气瓶中以重复利用，通过电动气阀决定向哪些段充气或放气；套筒控制模块203则负责通过接收到的绳索长度信息，计算出需要充气的筒状氦气球长度，并控制充气排气模块202充排气，需要充气的筒状氦气球长度的计算公式如下：式中，为绳索长度信息，为绳索截面半径，为绳索密度，为筒状氦气球截面半径，为当前温度和气压下氦气密度，为当前温度和气压下空气密度。
33.由于筒状氦气球是通过分段充放气的方式改变充气长度的，所以其充气长度不能连续变化，充气的段数由以下公式得到：
式中，为一段筒状氦气球充满气时的长度，为四舍五入的取整符号。
34.进一步地，本发明实施例的传感器补偿系统300包括测量误差拟合模块和测量误差补偿模块，其中，测量误差拟合模块通过通讯系统400获得四个拉力传感器的读数和目标卫星运动模拟系统中二号转动平台绕预定轴转动的角度，并利用分段最小二乘法拟合拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数；如图8所示，测量误差补偿模块根据拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数在绳网拖曳地面仿真系统中补偿四个拉力传感器因自身与四段绳索重力产生的测量误差。
35.具体地，目标卫星模型绕预定轴转动若干个角度，记录这些角度以及绳索无牵拉力情况下的拉力传感器读数，并利用分段最小二乘法拟合出拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系式。首先利用高阶多项式对数据进行初步拟合，设初步拟合函数为：其中，为目标卫星模型转动角度，、、
······
、为待拟合参数，可以由如下公式计算得到：其中，为采样的个目标卫星模型转动角度下对应拉力传感器的示数，为的矩阵转置，的定义如下：其中，为采样的个目标卫星模型转动角度。
36.以转动角度作为x轴，以拉力传感器示数为y轴构建特性曲线。选取特性曲线拐点
的位置作为分段点，由于拟合曲线的拐点可能存在一定的偏离，不一定是特性曲线的拐点，所以分段点的选取应该在计算出的拐点的某一邻域内，并且还要在拐点左右两极值点之间，有以下式子：其中，为邻域半径，为拟合曲线拐点的序号（沿y轴正方向计数），为拟合曲线第个拐点的横坐标，为第个拐点某一邻域内的分段点横坐标，为第个拐点左侧相邻的极值点的横坐标，为第个拐点右侧相邻的极值点的横坐标，满足下式：个拐点右侧相邻的极值点的横坐标，满足下式：选定分段点后再对每一段数据分别利用最小二乘法做三次多项式拟合。
37.其中，为分段拟合函数的序号数，、、、为第段函数中的待拟合参数。
38.最后得到分段的拟合函数：其中，为分段数，按照计算得到的参数，在实际测量中将根据转动角度计算出的干扰力减去，获得的结果来补偿四个拉力传感器输出。
39.进一步地，本发明的实施例中通讯系统400负责和地面实验中的其他设备进行有线或无线的通讯，以获取需要的外界数据以及向外传递自身信息。
40.进一步地，本发明的实施例中供电系统500通过自身配置的锂电池或外界电缆为整个重力卸载与距离相模拟装置供电。
41.综上，根据本发明实施例提出的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置，可消除绳网拖曳地面仿真过程中重力对于绳索以及拉力传感器的影响，且能随绳索的释放和收紧灵活改变卸载的重力大小；通过改变特征光点之间距离或者特征光斑直径，在较近位置模拟位于较远距离的目标卫星，降低远距离地面仿真对于实验空间的需求，降低
实验成本；结构简单，不易受到外界其他条件的干扰，可靠性高。
42.其次参照附图描述根据本发明实施例提出的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟方法。
43.图9是本发明一个实施例的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟方法的流程图。
44.如图9所示，该绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟方法包括以下步骤：步骤s1，对重力卸载与距离相模拟装置上电，并确保各个系统正常运行；步骤s2，在连接目标卫星模型和任务卫星模型的绳索无外拉力的情况下，转动目标卫星模型，利用传感器补偿系统的测量误差拟合模块通过通讯系统记录在一周的范围内，多个预设目标卫星模型转动角度及每个预设目标卫星模型转动角度下位于目标卫星模型四角的每个拉力传感器的读数，以拟合拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数；步骤s3，通过通讯系统向距离相模拟系统中的显示控制模块输入待模拟的目标卫星与任务卫星之间的距离和待模拟的目标卫星的光学特征长度，并获取目标卫星模型与任务卫星模型之间的实际距离，并根据上述输入和获取的数据计算目标卫星模型的目标光学特征长度；步骤s4，通过通讯系统向重力卸载系统中的套筒控制模块输入当前环境温度，套筒控制模块通过通讯系统获取任务卫星模型释放的绳索长度，并根据当前环境温度和绳索长度计算筒状氦气球的待充气长度，并根据待充气长度确定筒状氦气球的段数并取整，以对筒状氦气球进行充气或放气平衡绳索重力；步骤s5，利用拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数计算干扰力，在任意角度下位于目标卫星模型四角的每个拉力传感器的读数上减去干扰力，以补偿四个拉力传感器输出；步骤s6，控制距离相模拟系统的显示模块显示目标卫星模型的目标光学特征长度；步骤s7，完成实验，将重力卸载与距离相模拟装置归位并关机。
45.需要说明的是，前述对绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置实施例的解释说明也适用于该实施例的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟方法，此处不再赘述。
46.根据本发明实施例提出的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟方法，可消除绳网拖曳地面仿真过程中重力对于绳索以及拉力传感器的影响，且能随绳索的释放和收紧灵活改变卸载的重力大小；通过改变特征光点之间距离或者特征光斑直径，在较近位置模拟位于较远距离的目标卫星，降低远距离地面仿真对于实验空间的需求，降低实验成本；结构简单，不易受到外界其他条件的干扰，可靠性高。
47.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
48.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示
例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
49.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置，所述绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置和绳网拖曳地面仿真系统相配合，所述绳网拖曳地面仿真系统包括任务卫星运动模拟系统、目标卫星运动模拟系统、任务卫星模型、目标卫星模型和绳索，所述目标卫星模型安装在所述目标卫星运动模拟系统的二号转动平台上，以模拟目标卫星三自由度平动运动和三自由度转动运动；所述绳索的一端通过安装在所述任务卫星模型上的系绳收放装置释放或收起，所述任务卫星模型通过安装在系绳收放装置滚轮机构上的光电码盘获知释放出的绳索长度，所述绳索的另一端分为四段，分别与所述目标卫星模型四角的四个拉力传感器连接，以获取四段绳索的拉力，其特征在于，所述重力卸载与距离相模拟装置包括：距离相模拟系统、重力卸载系统、传感器补偿系统、通讯系统和供电系统，其中，所述距离相模拟系统安装在所述绳网拖曳地面仿真系统的目标卫星模型上，并通过所述通讯系统与所述绳网拖曳地面仿真系统和外界环境进行有线或无线通信；所述重力卸载系统包括氦气套筒模块、充气排气模块和套筒控制模块，其中，所述氦气套筒模块包括套在所述绳索上的分段充气的筒状氦气球、充气气管和放气气管，充气排气模块包括充气氦气瓶、氦气压缩机和电动气阀，所述筒状氦气球每段分别通过所述充气气管和所述电动气阀与所述充气氦气瓶连接，所述筒状氦气球通过所述放气气管和所述电动气阀与所述氦气压缩机的低压端连接，所述套筒控制模块与所述电动气阀电连接，并通过所述通讯系统与所述绳网拖曳地面仿真系统和外界环境进行有线或无线通信；所述传感器补偿系统通过所述通讯系统与所述绳网拖曳地面仿真系统进行有线或无线通信；所述供电系统分别与所述距离相模拟系统、所述重力卸载系统和所述传感器补偿系统连接。2.根据权利要求1所述的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置，其特征在于，所述套筒控制模块包括单片机和驱动芯片，其中，所述单片机与所述驱动芯片连接，所述单片机还通过控制线与所述电动气阀连接。3.根据权利要求1所述的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置，其特征在于，所述传感器补偿系统包括测量误差拟合模块和测量误差补偿模块，其中，所述测量误差拟合模块通过所述通讯系统获得所述四个拉力传感器的读数和所述目标卫星运动模拟系统中二号转动平台绕预定轴转动的角度，并利用分段最小二乘法拟合拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数；所述测量误差补偿模块根据所述拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数在所述绳网拖曳地面仿真系统中补偿四个拉力传感器因自身与四段绳索重力产生的测量误差。4.根据权利要求3所述的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置，其特征在于，所述距离相模拟系统包括显示模块、显示控制模块和手动调节模块，其中，所述显示控制模块，用于通过所述通讯系统获取所述目标卫星模型与所述任务卫星模型之间的实际距离，并输入待模拟的目标卫星与任务卫星之间的距离和待模拟的目标卫星的光学特征长度，根据所述实际距离、所述待模拟的目标卫星与任务卫星之间的距离和待模拟的目标卫星的光学特征长度计算所述目标卫星模型的目标光学特征长度，其中，所述
目标光学特征长度为两特征光点间距或单个特征光点的光斑直径；所述显示模块，用于显示所述目标光学特征长度；所述手动调节模块通过数据线与所述显示控制模块连接，用于为操作者提供手动调节所述目标光学特征长度的渠道，以备所述通讯系统损坏或校正误差时使用。5.根据权利要求4所述的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置，其特征在于，当所述目标光学特征长度为两特征光点间距时，所述显示模块包括底座、两台线性电机、两个led灯、标尺和两个锁定机构，其中，所述两台线性电机紧密安装在所述底座上，所述两个led灯分别安装在两台线性电机的动子上，一个线性电机上的动子在远离另一线性电机的一侧安装锁定机构，所述底座上安装所述标尺；所述线性电机，用于通过其动子的运动连续地改变所述两个led灯之间的距离，以达到所述目标光学特征长度；所述标尺与所述手动调节模块相配合，用于为操作者提供手动调节所述目标光学特征长度的渠道；所述锁定机构，用于固定所述线性电机的动子。6.根据权利要求4所述的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置，其特征在于，当所述目标光学特征长度为单个特征光点的光斑直径时，所述显示模块包括若干紧密排列的led灯，所述显示模块根据需求点亮不同数目以及不同位置的led灯以构成不同大小的光斑。7.一种绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟方法，基于权利要求5或6所述的绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1，对所述重力卸载与距离相模拟装置上电，并确保各个系统正常运行；步骤s2，在连接所述目标卫星模型和所述任务卫星模型的绳索无外拉力的情况下，转动所述目标卫星模型，利用所述传感器补偿系统的测量误差拟合模块通过所述通讯系统记录在一周的范围内，多个预设目标卫星模型转动角度及每个转动角度下位于目标卫星模型四角的每个拉力传感器的读数，以拟合拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数；步骤s3，通过所述通讯系统向所述距离相模拟系统中的显示控制模块输入待模拟的目标卫星与任务卫星之间的距离和待模拟的目标卫星的光学特征长度，并获取所述目标卫星模型与所述任务卫星模型之间的实际距离，并根据上述输入和获取的数据计算所述目标卫星模型的目标光学特征长度；步骤s4，通过所述通讯系统向所述重力卸载系统中的套筒控制模块输入当前环境温度，所述套筒控制模块通过所述通讯系统获取任务卫星模型释放的绳索长度，并根据所述当前环境温度和所述绳索长度计算所述筒状氦气球的待充气长度，并根据所述待充气长度确定所述筒状氦气球的段数并取整，以对所述筒状氦气球进行充气或放气平衡绳索重力；步骤s5，利用所述拉力传感器干扰力与目标卫星模型转动角度之间的关系函数计算干扰力，在任意角度下位于目标卫星模型四角的每个拉力传感器的读数上减去干扰力，以补偿四个拉力传感器输出；步骤s6，控制所述距离相模拟系统的显示模块显示所述目标光学特征长度；步骤s7，完成实验，将所述重力卸载与距离相模拟装置归位并关机。

技术总结
本发明公开了一种绳网拖曳地面试验中的重力卸载与距离相模拟装置与方法，属于航天器地面仿真技术领域，其中，装置主要包括：距离相模拟系统、重力卸载系统、传感器补偿系统和通讯系统，距离相模拟系统安装在绳网拖曳地面仿真系统的目标卫星模型上；重力卸载系统套在绳网拖曳地面仿真系统的绳索上；距离相模拟系统和重力卸载系统均通过通讯系统与绳网拖曳地面仿真系统和外界环境通信，传感器补偿系统通过通讯系统与绳网拖曳地面仿真系统通信。该装置可消除绳网拖曳地面仿真过程中重力对绳索以及拉力传感器的影响，且能随绳索的释放和收紧灵活改变卸载的重力大小，同时降低远距离地面仿真对实验空间的需求，降低了实验成本。降低了实验成本。降低了实验成本。


技术研发人员：李宇轩 马广程 夏红伟 王常虹
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/5/5