一種基于電推力器進(jìn)行位保及動量輪卸載的聯(lián)合控制方法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于電推力器進(jìn)行位保及動量輪卸載的聯(lián)合控制方法，電推力器推力矢量方向調(diào)整范圍受其自身機(jī)構(gòu)及星上安裝空間限制，在進(jìn)行衛(wèi)星軌道位置保持或動量輪卸載時，電推進(jìn)無法保證推力方向完全滿足控制需求，其推力在控制所需的力的垂直面上的分量將成為應(yīng)用電推力器進(jìn)行控制的額外消耗。此外，實施位保時，如果無法調(diào)整推力矢量通過衛(wèi)星質(zhì)心，則由此推力產(chǎn)生的力矩也將成為額外的消耗。反過來，單純進(jìn)行動量輪卸載時，也必須考慮到額外的力作用效果，需要采用對稱點(diǎn)火來進(jìn)行抵消，卸載期間的力作用也成為額外的消耗。本發(fā)明同時進(jìn)行衛(wèi)星位保和動量輪卸載，通過合理選擇推力器和調(diào)整推力矢量方向。
【專利說明】一種基于電推力器進(jìn)行位保及動量輪卸載的聯(lián)合控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于電推力器進(jìn)行位保及動量輪卸載的聯(lián)合控制方法，屬于衛(wèi)星 控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 近十年來，電推進(jìn)技術(shù)飛速發(fā)展。目前，電推進(jìn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于GEO衛(wèi)星的軌道位 置保持控制，包括波音公司601衛(wèi)星平臺和702平臺，洛馬公司A2100平臺，勞拉空間公司 LS3000 平臺，Astrium 公司的 EUR0STAR-3000 平臺，ESA 的 Artemis 衛(wèi)星等。
[0003] 全電推平臺的開發(fā)進(jìn)一步擴(kuò)大了電推進(jìn)在衛(wèi)星控制中的應(yīng)用。全電推平臺的推進(jìn) 系統(tǒng)配置中，電推進(jìn)為主要甚至唯一方式，因此，全電推平臺不但將使用電推進(jìn)進(jìn)行小推力 變軌，而且還將利用電推進(jìn)進(jìn)行衛(wèi)星軌道位置保持以及動量輪的角動量管理。
[0004] 國內(nèi)正在開發(fā)的首個全電推平臺的開發(fā)理念為經(jīng)濟(jì)小型化，因此為控制衛(wèi)星整體 重量及規(guī)模，將不再配備雙組元的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，必要時可考慮增配冷氣推進(jìn)系統(tǒng)或單組 元推進(jìn)系統(tǒng)，但即使這樣，電推進(jìn)在平臺中仍然是主要手段。全電推平臺不僅將使用電推力 器實現(xiàn)小推力變軌，而且還將依靠電推力器進(jìn)行南北位保、東西位保以及動量輪的三軸角 動量卸載和轉(zhuǎn)速卸載。受限于衛(wèi)星的重量限制，一般全電推平臺配備的電推力器數(shù)量有限 (4臺為基本配置，考慮備份情況下配置8臺），即使采用矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，電推力器推力的方 向仍然局限于一定范圍內(nèi)。因此，在進(jìn)行南北位保、東西位保以及動量輪卸載時，必須考慮 推力方向受限所引起的額外消耗。
[0005] 傳統(tǒng)上東西位保、南北位保和動量輪卸載是分開進(jìn)行的，單一次控制只進(jìn)行其中 某一項的操作。由于電推力器數(shù)量有限，對于全電推平臺，其電推力器全部安裝在背地板靠 近本體Y軸方向，因此，如果單獨(dú)進(jìn)行位保控制或者卸載控制，由于推力在其它方向存在分 量，因此無法避免存在無益消耗的問題從而導(dǎo)致電推力器的效率下降，浪費(fèi)推進(jìn)劑，無法實 現(xiàn)高效衛(wèi)星控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于電推力器進(jìn)行位 保及動量輪卸載的聯(lián)合控制方法，同時進(jìn)行衛(wèi)星位保和動量輪卸載，通過合理選擇推力器 和調(diào)整推力矢量方向，最大限度地利用推力，減少消耗，提高推進(jìn)劑利用效率。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0008] -種基于電推力器進(jìn)行位保及動量輪卸載的聯(lián)合控制方法，包括步驟如下：
[0009] (1)計算衛(wèi)星東西位保（位置保持）控制量和南北位保（位置保持）控制量，并將 該控制量進(jìn)行平均分配，分別作為同一軌道周期的升交點(diǎn)處的聯(lián)合控制量和降交點(diǎn)處的聯(lián) 合控制量；
[0010] ⑵根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)定位保時間；
[0011] (3)由升交點(diǎn)或降交點(diǎn)的東西位保與南北位?？刂屏縧ew和lsn，分別計算出衛(wèi)星 ipw Ivn 本體坐標(biāo)系下所需要的推力分量Fx =--和Fy=E，并根據(jù)電推力器額定推力F的大小確 t - t 定巧=^F2 -Fx2 -F;；
[0012] (4)根據(jù)Fx、Fy、Fz的矢量方向，合成電推力器額定推力F的方向，并判斷計算推力 F是否在電推力器矢量調(diào)整范圍內(nèi)，若在，進(jìn)入步驟（5)，否則調(diào)整設(shè)定的位保時間，并重復(fù) 步驟（3)，直到推力F的方向滿足矢量調(diào)整范圍，進(jìn)入步驟（5);
[0013] (5)根據(jù)電推力器在星本體中的安裝參數(shù)及衛(wèi)星質(zhì)心位置，確定推力F的作用力 臂，計算衛(wèi)星上滿足推力F的電推力器所提供的三軸力矩大小與方向；
[0014] (6)判斷步驟（5)中電推力器所提供的三軸力矩方向是否滿足動量輪卸載所需力 矩的方向，若滿足，則進(jìn)入步驟（9)，若不滿足，則延長或縮短位保時間，重復(fù)步驟（3)-(6)， 若通過N次延長或縮短位保時間，三軸力矩方向仍不能滿足動量輪卸載所需力矩方向，則 進(jìn)入步驟（7);
[0015] (7)以AFX、AFy為固定步長，按照增大或者減少的方式對F，F(xiàn) y?行調(diào)整，以及 計算Fz =^/F2-Fx2-Fy2，根據(jù)F x、Fy、Fi矢量合成電推力器額定推力F的方向，并判斷計算推 力F是否在電推力器矢量調(diào)整范圍內(nèi)，若在，則停止增大或減少FdP F y，并計算三軸力矩大 小與方向，并進(jìn)入步驟（8);若經(jīng)過N次調(diào)整不在范圍內(nèi)，則放棄調(diào)整，以待調(diào)整的結(jié)果進(jìn)入 步驟（10);
[0016] (8)判斷步驟（7)計算的三軸力矩方向是否滿足動量輪卸載所需力矩方向，若滿 足，則進(jìn)入步驟（9);否則重復(fù)步驟（7) - (8)，若通過N次增大或者減少FJP F y的調(diào)整，三軸 力矩方向仍不能滿足要求，則利用N-I次求得的三軸力矩作為最終力矩結(jié)果，并進(jìn)入步驟 (10)；
[0017] (9)對匕進(jìn)行優(yōu)化，使得F z更?。?br> [0018] 優(yōu)化的具體方式如下：
[0019] (9a)設(shè)定步長Δ^、Δ<，其中 AFx，AF^AFy;
[0020] (9b)以為固定步長，按照增大或者減少的方式對^和匕進(jìn)行調(diào)整，依 次計算
[0021] (9c)將與當(dāng)前優(yōu)化結(jié)果匕進(jìn)行比較，若Fz大于4，則判斷推力F是否在電推力 器矢量調(diào)整范圍內(nèi)以及三軸力矩方向是否滿足要求，若滿足要求，則將' Fj作為優(yōu)化結(jié)果， 并繼續(xù)以步驟（9b)的方式優(yōu)化計算；若推力F不在電推力器矢量調(diào)整范圍內(nèi)，或三軸力矩 方向不滿足要求，則優(yōu)化結(jié)束，并以前一次優(yōu)化結(jié)果得到的作為最終F z的取值，進(jìn)入步 驟（11)
[0022] (10)判斷動量輪的角動量是否可以進(jìn)一步積累，若是則只是進(jìn)行位置保持控制， 不進(jìn)行動量輪卸載；否則進(jìn)行動量輪卸載，不進(jìn)行位保，并進(jìn)入步驟（12);
[0023] (11)按照最終優(yōu)化的結(jié)果，執(zhí)行聯(lián)合控制；
[0024] (12)結(jié)束。
[0025] 所述步驟（1)中計算東西或南北位保控制量I的方式如下：
[0026] ^=Inv2-/HV1
[0027] 其中，m表示衛(wèi)星質(zhì)量，5、1:'2分別表示實施位保前衛(wèi)星所處位置和位保后衛(wèi)星 所處位置的速度。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0029] (1)本發(fā)明采用聯(lián)合控制，可以充分利用推力，減小推力無益分量的消耗，對于要 求重點(diǎn)和小型化的衛(wèi)星，是開拓性的發(fā)現(xiàn)。
[0030] (2)傳統(tǒng)技術(shù)中單獨(dú)進(jìn)行東西位保時，推力的利用率為C0sa，單位進(jìn)行南北位 保，推力的利用率為cosi3，而本發(fā)明同時進(jìn)行東西位保與南北位保，則推力的利用率可提 高至Jcos2a土cos2夕(α、β表示Fx和Fy與電推力器推力F的夾角），由此可見本發(fā)明的 控制效率和利用率大大提高，節(jié)省了大量的成本。
[0031] (3)本發(fā)明同時利用推力及力矩，提高推進(jìn)劑的利用效能；同時本發(fā)明通過計算 和判斷減少電推力器啟動次數(shù)及點(diǎn)火時間，提高了效率，節(jié)省了時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明電推力器安裝示意圖圖；
[0033] 圖2為本發(fā)明方法流程圖；
[0034] 圖3為本發(fā)明位置保持量計算示意圖。

【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0036] 全電推平臺配置的電推力器數(shù)量有限，同時，電推力器推力矢量方向調(diào)整范圍也 受其自身機(jī)構(gòu)及星上安裝空間限制，在進(jìn)行衛(wèi)星軌道位置保持或動量輪卸載時，電推進(jìn)無 法保證推力方向完全滿足控制需求，其推力在控制所需的力的垂直面上的分量將成為應(yīng)用 電推力器進(jìn)行控制的額外消耗。此外，實施位保時，如果無法調(diào)整推力矢量通過衛(wèi)星質(zhì)心， 則由此推力產(chǎn)生的力矩也將成為額外的消耗。反過來，單純進(jìn)行動量輪卸載時，也必須考慮 到額外的力作用效果，需要采用對稱點(diǎn)火來進(jìn)行抵消，卸載期間的力作用也成為額外的消 耗。因此，單獨(dú)進(jìn)行位?？刂苹蛘咝遁d控制，無法避免額外消耗，從而導(dǎo)到推力使用效率下 降，浪費(fèi)推進(jìn)劑。
[0037] 如圖1所示，本發(fā)明中所述的衛(wèi)星背地板安裝四個電推力器，分別為電推力器ΝΕ、 電推力器SE、電推力器SW、電推力器NW。
[0038] 本發(fā)明介紹了使用電推力器進(jìn)行動量輪卸載及軌道位置保持聯(lián)合控制的一種方 法，即同時進(jìn)行衛(wèi)星位保和動量輪卸載，通過合理選擇推力器和調(diào)整推力矢量方向，最大限 度地利用推力，減少消耗，提高推進(jìn)劑利用效率，
[0039] 如圖2所示，一種基于電推力器進(jìn)行位保及動量輪卸載的聯(lián)合控制方法，包括步 驟如下：
[0040] (1)計算衛(wèi)星東西位保（位置保持）控制量和南北位保（位置保持）控制量，并將 該控制量進(jìn)行平均分配，分別作為同一軌道周期的升交點(diǎn)處的聯(lián)合控制量和降交點(diǎn)處的聯(lián) 合控制量；
[0041] 位?？刂屏渴怯尚l(wèi)星測軌確定，是指對衛(wèi)星軌道進(jìn)行修改，比如將軌道往南移動 0.05度。東西位保和南北位保都需要計算，然后各自平均分配到升交點(diǎn)和降交點(diǎn)；位置保 持量的計算方式如下：
[0042] 如圖3所示，以東西位保量計算為例，A為實施位保前衛(wèi)星在軌道上所在的位置， B為實施位保后衛(wèi)星在軌道上所在的位置。在A點(diǎn)衛(wèi)星的動量為"巧，在B點(diǎn)衛(wèi)星的動量為 ，兩點(diǎn)速度大小相等，方向不同。則實施該東西位保所需要的推力沖量等于這兩個動量 之差，即位置保持量：
[0043] I=/Hp2-""7丨（此為矢量計算，帶方向的），其中，m表示衛(wèi)星質(zhì)量。
[0044] (2)根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)定位保時間（產(chǎn)生位置保持推力的時間，一般設(shè)定為1小 時）；
[0045] (3)由升交點(diǎn)或降交點(diǎn)的東西位保與南北位?？刂屏縧ew和lsn，分別計算出衛(wèi)星 本體坐標(biāo)系下所需要的推力分量Fx = ^和Fy=^，并根據(jù)電推力器額定推力F的大小確 t t 定 fz=v'fH ;
[0046] 所需要提供的位置保持量（推力沖量），位置保持量為推力與時間的乘積；本發(fā)明 *Fx、F y、Fz為推力器推力在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的分力。衛(wèi)星本體坐標(biāo)系定義如下：坐標(biāo)原 點(diǎn)為星箭對接框的理論中心點(diǎn)，Z軸指向衛(wèi)星對地面，與對地面理論法線平行，X軸指向東 板，與東板理論法線平行，Y軸與XZ軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系；
[0047] (4)根據(jù)Fx、Fy、Fz的矢量方向，合成電推力器額定推力F的方向，并判斷計算推力 F是否在電推力器矢量調(diào)整范圍內(nèi)，若在，進(jìn)入步驟（5)，否則調(diào)整設(shè)定的位保時間，并重復(fù) 步驟（3)，直到推力F的方向滿足矢量調(diào)整范圍，進(jìn)入步驟（5);
[0048] (5)根據(jù)電推力器在星本體中的安裝參數(shù)及衛(wèi)星質(zhì)心位置，確定推力F的作用力 臂，計算衛(wèi)星上滿足推力F的電推力器（NE/SE/SW/NW)所提供的三軸力矩大小與方向；
[0049] (6)判斷步驟（5)中電推力器所提供的三軸力矩方向是否滿足動量輪卸載所需 力矩的方向（動量輪卸載所需要的力矩方向是系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前動量輪的動量積累情況確定 的），若滿足，則進(jìn)入步驟（9)，若不滿足，則延長或縮短位保時間，重復(fù)步驟（3)-(6)，若通 過N次延長或縮短位保時間，三軸力矩方向仍不能滿足動量輪卸載所需力矩方向，則進(jìn)入 步驟（7);
[0050] (7)以AFX、AFy為固定步長，按照增大或者減少的方式對FJP Fy?行調(diào)整（四 種組合方式，①增大Fy、增大Fx;②增大F y、減小Fx;③減小F y，增大Fx;④減小F y，減小Fx)， 以及計算F, ^ ^F2-Fx2-F;，根據(jù)Fx、Fy、F z矢量合成電推力器額定推力F的方向，并判斷計 算推力F是否在電推力器矢量調(diào)整范圍內(nèi)，若在，則停止增大或減少FdP F y，并計算三軸力 矩大小與方向，并進(jìn)入步驟（8);若采用上述四種組合方法經(jīng)過N次調(diào)整，推理F仍不在范 圍內(nèi)，則放棄通過增大或者減少FdP Fy的調(diào)整方式，以待調(diào)整的結(jié)果進(jìn)入步驟（10);
[0051] (8)判斷步驟（7)計算的三軸力矩方向是否滿足動量輪卸載所需力矩方向，若滿 足，則進(jìn)入步驟（9);否則重復(fù)步驟（7) - (8)，若通過N次增大或者減少FJP F y的調(diào)整，三軸 力矩方向仍不能滿足要求，則利用N-I次求得的三軸力矩作為最終力矩結(jié)果，并進(jìn)入步驟 (10)；
[0052] (9)對匕進(jìn)行優(yōu)化，使得F z更?。?br> [0053] 優(yōu)化的具體方式如下：
[0054] (9a)設(shè)定步長 ，其中 5； Δ&，Δ
[0055] (9b)以Δ<、為固定步長，按照增大或者減少的方式對匕和匕進(jìn)行調(diào)整，依 次計算(四種組合方式，①增大Fy、增大Fx;②增大F y、減小Fx;③減小F y，增大Fx;④減 小Fy，減小Fx)、
[0056] (9c)將與當(dāng)前優(yōu)化結(jié)果匕進(jìn)行比較，若Fz大于則判斷推力F是否在電推 力器矢量調(diào)整范圍內(nèi)以及三軸力矩方向是否滿足要求，若滿足要求，則將4 (Fz更新為< ) Z L 作為優(yōu)化結(jié)果，并繼續(xù)以步驟（9b)的方式優(yōu)化計算；若推力F不在電推力器矢量調(diào)整范圍 內(nèi)，或三軸力矩方向不滿足要求，則優(yōu)化結(jié)束，并以前一次優(yōu)化結(jié)果得到的作為最終Fz 的取值，進(jìn)入步驟（11)
[0057] (10)判斷動量輪的角動量是否可以進(jìn)一步積累（所述的積累指：比如角動量是 正值，是否仍然能夠往正向進(jìn)行積累），若是則只是進(jìn)行位置保持控制，不進(jìn)行動量輪卸載； 否則進(jìn)行動量輪卸載，不進(jìn)行位保，并進(jìn)入步驟（12);
[0058] (11)按照最終優(yōu)化的結(jié)果，執(zhí)行聯(lián)合控制（即按當(dāng)前的推力方向及位保時間進(jìn)行 位保持及動量輪卸載聯(lián)合控制）；
[0059] (12)結(jié)束。
[0060] 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于電推力器進(jìn)行位保及動量輪卸載的聯(lián)合控制方法，其特征在于步驟如下： (1) 計算衛(wèi)星東西位保控制量和南北位?？刂屏浚⒃摽刂屏窟M(jìn)行平均分配，分別作 為同一軌道周期的升交點(diǎn)處的聯(lián)合控制量和降交點(diǎn)處的聯(lián)合控制量； (2) 根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)定位保時間； (3) 由升交點(diǎn)或降交點(diǎn)的東西位保與南北位保控制量lew和lsn，分別計算出衛(wèi)星本
(4) 根據(jù)Fx、Fy、Fz的矢量方向，合成電推力器額定推力F的方向，并判斷計算推力F是 否在電推力器矢量調(diào)整范圍內(nèi)，若在，進(jìn)入步驟（5)，否則調(diào)整設(shè)定的位保時間，并重復(fù)步驟 (3)，直到推力F的方向滿足矢量調(diào)整范圍，進(jìn)入步驟（5); (5) 根據(jù)電推力器在星本體中的安裝參數(shù)及衛(wèi)星質(zhì)心位置，確定推力F的作用力臂，計 算衛(wèi)星上滿足推力F的電推力器所提供的三軸力矩大小與方向； (6) 判斷步驟（5)中電推力器所提供的三軸力矩方向是否滿足動量輪卸載所需力矩的 方向，若滿足，則進(jìn)入步驟（9)，若不滿足，則延長或縮短位保時間，重復(fù)步驟（3)-(6)，若通 過N次延長或縮短位保時間，三軸力矩方向仍不能滿足動量輪卸載所需力矩方向，則進(jìn)入 步驟（7); (7) 以AFx、AFy為固定步長，按照增大或者減少的方式對FjPFy進(jìn)行調(diào)整，以及計算
是否在電推力器矢量調(diào)整范圍內(nèi)，若在，則停止增大或減少FdPFy，并計算三軸力矩大小 與方向，并進(jìn)入步驟（8);若經(jīng)過N次調(diào)整不在范圍內(nèi)，則放棄調(diào)整，以待調(diào)整的結(jié)果進(jìn)入步 驟（10); (8) 判斷步驟（7)計算的三軸力矩方向是否滿足動量輪卸載所需力矩方向，若滿足，則 進(jìn)入步驟（9);否則重復(fù)步驟（7)-(8)，若通過N次增大或者減少FjPFy的調(diào)整，三軸力矩 方向仍不能滿足要求，則利用N-1次求得的三軸力矩作為最終力矩結(jié)果，并進(jìn)入步驟（10); (9) 對匕進(jìn)行優(yōu)化，使得Fz更?。? 優(yōu)化的具體方式如下：
繼續(xù)以步驟（9b)的方式優(yōu)化計算；若推力F不在電推力器矢量調(diào)整范圍內(nèi)，或三軸力矩方 向不滿足要求，則優(yōu)化結(jié)束，并以前一次優(yōu)化結(jié)果得到的，作為最終Fz的取值，進(jìn)入步驟 (11)
(10) 判斷動量輪的角動量是否可以進(jìn)一步積累，若是則只是進(jìn)行位置保持控制，不進(jìn) 行動量輪卸載；否則進(jìn)行動量輪卸載，不進(jìn)行位保，并進(jìn)入步驟（12); (11) 按照最終優(yōu)化的結(jié)果，執(zhí)行聯(lián)合控制； (12) 結(jié)束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電推力器進(jìn)行位保及動量輪卸載的聯(lián)合控制方法， 其特征在于在：所述步驟（1)中計算東西或南北位?？刂屏縄的方式如下：
其中，m表示衛(wèi)星質(zhì)量，1\分別表示實施位保前衛(wèi)星所處位置和位保后衛(wèi)星所處 位置的速度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電推力器進(jìn)行位保及動量輪卸載的聯(lián)合控制方法， 其特征在于在：所述步驟（7)中按照增大或者減少的方式對FjPFy進(jìn)行調(diào)整的方式有四種 組合：1、±曾大Fy、±曾大Fx;2、增大Fy、減小Fx;3、減小Fy，增大Fx;4、減小Fy,減小Fx。
【文檔編號】B64G1/40GK104477413SQ201410638592
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】陳小燕, 劉建功, 袁俊剛, 楊凌軒, 李烽 申請人:中國空間技術(shù)研究院