地面气浮仿真试验系统一般包括一个或多个气浮台及其相关配套测控设备,气浮台可以用来模拟卫星等航天器的空间活动,这是研制卫星等航天器过程中特有的一种地面全物理仿真方法,与数学仿真相比,直接以硬件接入回路,对于验证航天器控制系统方案设计的正确性,检验实际控制系统的功能和性能十分重要。早期的航天器全物理仿真试验基本是在一个静止的气浮台上进行,但随着航天技术的发展,现代小卫星需要在太空中有很高的机动性,往往需要变轨飞行,在地面对其测试需要一个动态的气浮台以提供更多的空间自由度。国外已有大学和研究机构开始开发多自由度气浮仿真试验系统,相对来说国内对此研究起步较晚,特别是关于三自由度以上气浮仿真试验系统的研究基本空白,这与我国日益发展的航天事业不甚协调。本文在分析五自由度气浮仿真试验系统功能需求的基础上,结合实际情况,提出一套气浮仿真试验系统的构造方案,并进行了关键部件平面气浮轴承和球面气浮轴承的理论计算与试验,设计了气浮轴承供气回路,研究了作为气浮台运动执行器的冷气推进系统特性,对台体机械结构进行三维建模及质量特性分析,在此基础上研制开发了一套五自由度气浮仿真试验系统样机。本文研制的样机依靠三个平面气浮轴承和一个球面气浮轴承形成的高压气膜使气浮台能够近似无摩擦、低干扰地实现平面上X、Y两个方向的平移运动以及绕横滚轴、俯仰轴、偏航轴的旋转运动,因此可以在地面环境下模拟航天器轨道与姿态联合动作的空间任务,具有较高的实际应用价值。由于五自由度气浮台运动自由度的增多,如何描述其五个自由度的运动状态及建立相应动力学模型是研究中的关键问题。根据气浮台运动情况,定义系统的六个坐标系,以轨道系原点坐标阵及姿态平台欧拉角分别描述气浮台轨道运动及姿态运动的状态;基于欧拉动力学原理,并通过分析球面气浮轴承的力传递过程,建立了气浮台的运动学和动力学模型;推导了气浮台在以冷气推进作为轨道及姿态运动执行器情况下的系统状态方程;归纳分析了系统中干扰力和干扰力矩产生的原因及相应消除措施,为气浮台的轨道及姿态控制提供了理论基础。基于图像识别技术推导了一种定位算法,利用单目视觉装置配合现有姿态敏感器实现气浮台轨道位置坐标的非接触测量;基于EKF理论对姿态敏感器测量数据进行状态估计。对本五自由度气浮台开环运动特性进行分析,研究了质心偏移、惯性积及喷嘴推力对气浮台运动的影响,针对五自由度气浮台运动具有非线性、轨道及姿态运动耦合的特点,基于滑模变结构控制理论设计气浮台的控制率。在研制样机的基础上,完成VxWorks实时操作系统下五自由度气浮台控制程序及LabVIEW下人机交互界面程序的开发,实现气浮台与地面计算机之间的无线通信及数据传输,从而可以对气浮台进行有效测控。对气浮台承载力及可持续工作时间等基本性能的测试试验证明研制样机达到预期目的,通过气浮台的悬停试验、轨道运动试验、俯仰运动试验、偏航运动试验和模拟航天器定点绕飞的试验证明本五自由度气浮仿真试验系统可以用来模拟航天器的轨道及姿态联合空间动作,本文相关研究工作正确有效。