哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
随着航天运载技术的发展与空间任务的多样化，航天器需要搭载更多的有
效载荷来完成日趋复杂化的任务。在航天器的各种设备载荷中活动载荷是极为
常见的一种，其工作时不可避免对航天器产生反作用力矩影响航天器姿态。除
了活动载荷外姿态控制机构也会向航天器输出作用力矩。为了在地面评估上述
力矩对航天器的影响，高效、低成本、操作简单的力矩测量技术越来越受到人
们的重视。当前现有技术主要集中在定轴力矩与扭矩的测量，被测对象以电机、
轴承等单轴旋转部件为主，使用非接触式、应变式测量等测量方法，力矩测量
精度较高，但是仍然存在较大改进空间。针对航天器活动载荷输出力矩的测量
问题，本文主要研究了以下几个方面的内容：
1
（）研究了基于三轴气浮台的三维力矩静态特性和动态特性两种测量方法。
基于平衡力矩原理的静态测量方法用于测量载荷输出的静态常值或缓慢变化力
矩；基于能量转换原理的动态测量方法获取同一载荷的动态力矩特性。分析了
三轴气浮台、直线电机、台体干扰力矩的建模方法，并在所建立的数学模型上
分析了台体惯量矩阵、质心位置等对三轴气浮台自由运动的影响。
2
（）研究了前述静态力矩特性和动态力矩特性测量系统的质量特性测量与
辨识方法。分析了基于动力学模型的测量方法与基于简化复摆模型的测量方法，
在此基础上利用动力学模型结合参数辨识方法进一步提高质心的测量精度。最
后给出了质量特性调整的实现步骤。
3
（）研究了力矩测量中传感器信号的数据处理问题。针对传感器原始数据
难以直接进行运算的问题，使用非平稳信号滤波方法对原始数据序列进行处理。
采用基于分解重构原理的滤波方法减小相位变化带来的影响，分别研究了SSA
分解滤波与EMD分解滤波两种方法，并比较了两种方法的优势与限制。
4
（）研究了力矩测量系统的误差与不确定度分析问题。搭建了静态和动态
两种力矩测量方法的系统仿真模型，对其在动态与常值输入力矩情况下的测量
结果与测量误差进行数值计算，并对两种方法的特点进行分析。最后在不确定
度评估原理的基础上对二者静态不确定度进行分析，给出了两种测量方法的理
论精度，同时分析了提高精度的途径。
关键词：测试系统；误差分析；三轴气浮台；三维力矩
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Withthedevelopmentofspacetransportationtechnologyandthediversification
ofspacemissions,spacecraftrequiremorepayloadstoaccomplishincreasingly
complextasks.Activepayloadsareacommontypeofpayloadamongvarious
equipmentonspacecraft,andtheiroperationinevitablygeneratesreactiontorquethat
affectsthespacecraftsattitude.Inadditiontoactivepayloads,attitudecontrol
mechanismsalsooutputtorquetothespacecraft.Toevaluatetheimpactofthese
varioustorquesonthespacecraftontheground,efficient,low-cost,andeasy-to-
operatetorquemeasurementtechnologiesareincreasinglybeingvalued.Current
technologymainlyfocuseson