本發(fā)明涉及應(yīng)用大推力實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高機(jī)動(dòng)需求，并基于大推力衛(wèi)星機(jī)動(dòng)的姿軌耦合調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)：

采用大推力實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在深空探測(cè)、對(duì)地觀測(cè)等應(yīng)用中的軌道快速機(jī)動(dòng)是非常重要的。

目前，大推力主要應(yīng)用于衛(wèi)星在各任務(wù)中的變軌需求中，在推進(jìn)劑釋放時(shí)，衛(wèi)星自身對(duì)于大推力的沖擊容易產(chǎn)生姿軌耦合問(wèn)題。說(shuō)明大推力不僅是滿足變軌的需求，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生對(duì)衛(wèi)星星體的沖擊影響和干擾力矩。當(dāng)前對(duì)于應(yīng)用大推力衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)節(jié)方式主要是采用動(dòng)量輪進(jìn)行姿態(tài)控制，典型的方法為pid控制方式，其主要存在以下問(wèn)題：

(1)對(duì)于單次的大推力推進(jìn)劑釋放，一般衛(wèi)星都可以通過(guò)其姿態(tài)控制方式調(diào)節(jié)大推力推進(jìn)劑時(shí)對(duì)衛(wèi)星的沖擊和干擾力矩。但是對(duì)于連續(xù)多次釋放推進(jìn)劑的大推力衛(wèi)星，無(wú)法通過(guò)動(dòng)量輪和推力器對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行持久控制。

(2)對(duì)于需要應(yīng)用大推力進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)的小衛(wèi)星，由于小衛(wèi)星質(zhì)量較小，采用常用的動(dòng)量輪的姿態(tài)控制方法，大推力對(duì)小衛(wèi)星姿態(tài)產(chǎn)生的干擾力矩過(guò)大會(huì)使衛(wèi)星仍存在較大不能繼續(xù)正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于大推力衛(wèi)星的姿軌耦合調(diào)節(jié)方法，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及推力劑釋放后衛(wèi)星的質(zhì)心位置及質(zhì)心坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算分析，在每次推進(jìn)劑釋放前對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于大推力衛(wèi)星的姿軌耦合調(diào)節(jié)方法，步驟如下：

1)在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以衛(wèi)星星體內(nèi)對(duì)稱設(shè)計(jì)，星體外推進(jìn)劑釋放噴口周圍無(wú)遮擋為原則，完成對(duì)衛(wèi)星星體內(nèi)、星體外兩部分結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化；

2)分析衛(wèi)星推進(jìn)劑釋放時(shí)產(chǎn)生的大推力對(duì)衛(wèi)星星體的影響，設(shè)計(jì)姿控系統(tǒng)，保證推進(jìn)劑釋放后衛(wèi)星的正常運(yùn)行；

3)對(duì)衛(wèi)星上推進(jìn)劑儲(chǔ)瓶進(jìn)行處理，使得推進(jìn)劑釋放滿足大推力的正常釋放要求；

4)由姿控系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)大推力衛(wèi)星的姿軌耦合控制。

所述步驟1)中對(duì)衛(wèi)星星體內(nèi)、星體外兩部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化的具體方法為：

對(duì)于衛(wèi)星星體內(nèi)部：衛(wèi)星星體內(nèi)部采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證由質(zhì)心位移引起的整星質(zhì)量特性、慣量特性滿足大推力衛(wèi)星的釋放推進(jìn)劑的姿軌控技術(shù)；

對(duì)于衛(wèi)星星體外部：釋放到空間中的推進(jìn)劑會(huì)在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生氣壓，需要對(duì)太陽(yáng)翼等衛(wèi)星外部部件的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，在推進(jìn)劑釋放口安裝面進(jìn)行無(wú)遮擋設(shè)計(jì)，保證推進(jìn)劑順利釋放，并且避免釋放的推進(jìn)劑所產(chǎn)生的氣壓干擾。

所述步驟2)中分析的具體過(guò)程為：將衛(wèi)星推進(jìn)劑釋放時(shí)儲(chǔ)瓶的壓力、釋放推進(jìn)劑的質(zhì)量作為分析大推力對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)、軌道的影響的輸入，對(duì)推進(jìn)劑釋放時(shí)星體表面的壓力分布進(jìn)行仿真，設(shè)定最大的安裝誤差為0.0005m，計(jì)算對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的最大瞬時(shí)力矩；設(shè)計(jì)姿態(tài)控制系統(tǒng)，保證推進(jìn)劑釋放時(shí)產(chǎn)生的大推力對(duì)衛(wèi)星的最大瞬時(shí)力矩在衛(wèi)星可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

步驟4)中對(duì)衛(wèi)星上推進(jìn)劑儲(chǔ)瓶進(jìn)行處理的具體方法為：在推進(jìn)劑儲(chǔ)瓶周圍預(yù)埋熱管，對(duì)儲(chǔ)瓶外表面采用黑色陽(yáng)極氧化處理或噴涂有機(jī)漆，儲(chǔ)瓶安裝板噴涂有機(jī)漆，在儲(chǔ)瓶周圍安裝恒溫控制的電加熱器。

姿控系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行控制之前，根據(jù)步驟1)衛(wèi)星構(gòu)型布局結(jié)果和每一次釋放推進(jìn)劑的質(zhì)量，計(jì)算得到每一次推力劑釋放后衛(wèi)星的質(zhì)心位置及質(zhì)心坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；在每次推進(jìn)劑釋放前將推進(jìn)劑釋放噴口與衛(wèi)星質(zhì)心的連線調(diào)整在衛(wèi)星飛行方向上，使推力過(guò)質(zhì)心。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明在進(jìn)行姿軌調(diào)節(jié)時(shí)，考慮了釋放口安裝精度等衛(wèi)星結(jié)構(gòu)本身無(wú)法完全避免的誤差因素，考慮了大推力推進(jìn)劑在釋放時(shí)速度的不均勻和分布的不均勻等對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)、軌道的影響，考慮了推進(jìn)劑釋放后，在空間中對(duì)衛(wèi)星星體產(chǎn)生的干擾力矩。這種基于結(jié)合多種影響進(jìn)行分析的姿軌耦合控制方法可以更為精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)大推力衛(wèi)星的姿態(tài)；

(2)本發(fā)明方法是通過(guò)連續(xù)不斷的計(jì)算推進(jìn)劑釋放后，衛(wèi)星質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而確保推進(jìn)劑釋放前對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)使釋放推進(jìn)劑的噴口與質(zhì)心的連線調(diào)整在衛(wèi)星飛行方向上，使推力過(guò)質(zhì)心，可使衛(wèi)星經(jīng)過(guò)多次連續(xù)大推力推進(jìn)后，仍可以正常穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，本發(fā)明這種采用姿軌耦合調(diào)節(jié)方法是針對(duì)大推力衛(wèi)星進(jìn)行自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)救援、觀測(cè)行動(dòng)等需要實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)時(shí)確保衛(wèi)星姿態(tài)、軌道情況不會(huì)影響衛(wèi)星的正常運(yùn)行。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明姿軌耦合調(diào)節(jié)流程圖。

具體實(shí)施方式

圖1是本發(fā)明基于大推力衛(wèi)星的姿軌耦合調(diào)節(jié)流程：首先在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)衛(wèi)星星體內(nèi)、星體外兩部分進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并考慮衛(wèi)星推進(jìn)劑釋放時(shí)儲(chǔ)瓶的壓力、釋放推進(jìn)劑的質(zhì)量、衛(wèi)星推進(jìn)劑釋放口安裝精度誤差、推進(jìn)劑揮發(fā)速率的不均勻、外界干擾力等因素對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道的干擾，設(shè)計(jì)適合的姿態(tài)控制系統(tǒng)，保證推進(jìn)劑釋放時(shí)產(chǎn)生的大推力對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道的影響在可控范圍內(nèi)；再根據(jù)上述結(jié)果，通過(guò)計(jì)算分析得到推進(jìn)劑多次釋放過(guò)程中，每次釋放后衛(wèi)星的質(zhì)心位置及質(zhì)心坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)所得結(jié)果，在每一次推進(jìn)劑釋放前對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道進(jìn)行調(diào)節(jié)，將噴口與質(zhì)心的連線調(diào)整在衛(wèi)星飛行方向上，使推力過(guò)質(zhì)心后再釋放推進(jìn)劑；最后，在推進(jìn)劑釋放后，姿態(tài)控制系統(tǒng)再根據(jù)由于推進(jìn)劑釋放口安裝精度誤差、推進(jìn)劑分布不均勻等誤差因?yàn)槎鸬耐七M(jìn)劑釋放對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)、軌道實(shí)際的干擾情況，對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道進(jìn)行調(diào)整。

1)根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)需求對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)大推力衛(wèi)星星體內(nèi)部和星體外部?jī)刹糠诌M(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于衛(wèi)星星體內(nèi)部：每一次推進(jìn)劑的釋放，都會(huì)使衛(wèi)星星體的質(zhì)心發(fā)生變化，需要在衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)，選擇對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使衛(wèi)星質(zhì)心都盡量在y軸上(衛(wèi)星坐標(biāo)系)，并保證由質(zhì)心位移所引起的整星質(zhì)量特性、慣量特性滿足大推力衛(wèi)星的釋放推進(jìn)劑的姿軌控技術(shù)。

對(duì)于衛(wèi)星星體外部：釋放到空間中的推進(jìn)劑會(huì)在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生氣壓，需要對(duì)太陽(yáng)翼等衛(wèi)星外部部件的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，在推進(jìn)劑釋放口安裝面進(jìn)行無(wú)遮擋設(shè)計(jì)，保證推進(jìn)劑順利釋放，并且避免釋放的推進(jìn)劑所產(chǎn)生的氣壓干擾。

2)考慮衛(wèi)星推進(jìn)劑釋放時(shí)儲(chǔ)瓶的壓力、釋放推進(jìn)劑的質(zhì)量、衛(wèi)星推進(jìn)劑釋放口安裝精度誤差、推進(jìn)劑揮發(fā)速率的不均勻、外界干擾力等因素，其中對(duì)推進(jìn)劑釋放時(shí)星體表面的壓力分布進(jìn)行仿真分析，可知壓力分布基本是均勻的，在此僅考慮來(lái)源于安裝誤差引起的干擾，考慮最大的安裝誤差為0.0005m，分別對(duì)衛(wèi)星推進(jìn)劑釋放過(guò)程中和釋放后的姿態(tài)和軌道的干擾進(jìn)行計(jì)算分析。在控制方法上，除了沿用衛(wèi)星的pid控制方式外，還引入邏輯微分控制策略，以提高姿態(tài)擾動(dòng)快速穩(wěn)定性能，縮短擾動(dòng)的穩(wěn)定時(shí)間。根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)適合的姿態(tài)控制系統(tǒng)，保證推進(jìn)劑釋放時(shí)產(chǎn)生的大推力對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道的影響在衛(wèi)星姿態(tài)、軌道可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。如果推進(jìn)劑釋放對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)產(chǎn)生的干擾力矩已經(jīng)超過(guò)衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，需要對(duì)衛(wèi)星的姿控系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)。

3)如圖2所示，以衛(wèi)星構(gòu)型布局優(yōu)化結(jié)果為輸入，計(jì)算大推力衛(wèi)星在多次推進(jìn)劑釋放過(guò)程中，每次釋放后的衛(wèi)星的質(zhì)心位置及質(zhì)心坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為了減小推進(jìn)劑釋放時(shí)產(chǎn)生的大推力對(duì)衛(wèi)星的干擾力矩，在每次推進(jìn)劑釋放前，根據(jù)已經(jīng)得到的質(zhì)心位置及質(zhì)心坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，調(diào)節(jié)衛(wèi)星的姿態(tài)，將噴口與質(zhì)心的連線調(diào)整在衛(wèi)星飛行方向上，使推力過(guò)質(zhì)心，同時(shí)結(jié)合推進(jìn)劑釋放過(guò)程中和釋放后的姿態(tài)和軌道的干擾進(jìn)行計(jì)算分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)大推力衛(wèi)星推進(jìn)劑釋放前的姿軌耦合控制。

4)利用推進(jìn)劑的釋放對(duì)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)大推力推進(jìn)，這使衛(wèi)星針對(duì)推進(jìn)劑釋放前的狀態(tài)的熱控提出了更高的要求。由于推進(jìn)劑釋放時(shí)要保證是氣體的形態(tài)釋放，并且高壓推進(jìn)劑的快速釋放也是一個(gè)需要吸收大量熱量的過(guò)程。因此，衛(wèi)星總體方案設(shè)計(jì)前要針對(duì)存放不同化學(xué)物質(zhì)的釋放罐進(jìn)行熱控方案設(shè)計(jì)，在存儲(chǔ)罐周圍預(yù)埋熱管，存儲(chǔ)罐外表面采用黑色陽(yáng)極氧化處理或噴涂高發(fā)射率有機(jī)漆，存儲(chǔ)罐安裝板和隔板壁噴涂高發(fā)射率有機(jī)漆，在存儲(chǔ)罐周圍安裝恒溫控制的電加熱器，電加熱器可以恒溫控制，通過(guò)遙控指令進(jìn)行控制和改變控溫范圍。主動(dòng)熱控在釋放試驗(yàn)前一個(gè)小時(shí)開(kāi)啟，進(jìn)行釋放為氣體的溫度保證。

5)雖然釋放前對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道進(jìn)行了調(diào)整，有效減小了大推力推進(jìn)劑釋放對(duì)衛(wèi)星的干擾力矩，但推進(jìn)劑釋放后，由于推進(jìn)劑釋放口安裝精度誤差、推進(jìn)劑分布不均勻等誤差因?yàn)槎鸬耐七M(jìn)劑釋放對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)、軌道的干擾仍不可避免，需要根據(jù)實(shí)際的干擾情況，應(yīng)用衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道進(jìn)行調(diào)整。

本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。