本發(fā)明屬于航天器姿態(tài)控制領(lǐng)域，涉及一種內(nèi)外動(dòng)力混合作用的芯片星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

芯片星作為微小型衛(wèi)星的一種，一經(jīng)提出，就受到了航天業(yè)界的廣受關(guān)注。得益于芯片技術(shù)的發(fā)展，一些以往只有大型航天器才能執(zhí)行的任務(wù)，現(xiàn)在只需一顆或幾顆小巧的芯片星即可替代；而且相對(duì)于傳統(tǒng)的大型航天器而言，芯片星在制造和發(fā)射成本上有著極大的優(yōu)勢(shì)。由于自身大小和質(zhì)量的限制，傳統(tǒng)的姿態(tài)確定和調(diào)節(jié)方式(如動(dòng)量輪等)在芯片星上無(wú)法應(yīng)用或者要受到相當(dāng)大的限制。

目前，針對(duì)芯片星的姿態(tài)調(diào)節(jié)問(wèn)題，有著外部環(huán)境力矩和內(nèi)力矩兩種不同的方式，都有著一定程度的比較成熟的研究。

外界環(huán)境力矩作用的姿態(tài)軌道調(diào)整方式中，已知的已有外部環(huán)境力矩來(lái)源有太陽(yáng)帆、電動(dòng)力繩等；即分別為利用太陽(yáng)光壓力和星球磁場(chǎng)力矩對(duì)芯片星姿態(tài)軌道進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體的實(shí)施方式和力矩來(lái)源則為在芯片星表面貼附的太陽(yáng)帆面板以及外延的電動(dòng)力繩。針對(duì)芯片星的姿態(tài)軌道調(diào)節(jié)問(wèn)題，外界環(huán)境力矩作用是一種比較有效的調(diào)節(jié)方式，但也存在著諸多缺點(diǎn)。一方面，外界環(huán)境力矩產(chǎn)生器的工作方式受其布局影響較大。以電動(dòng)力繩為例，要想避免出現(xiàn)可能的奇異性，保證芯片星在5個(gè)自由度上的姿態(tài)調(diào)整能力，需要8根電動(dòng)力繩的合理布局才能予以基本的保證，而過(guò)多的電動(dòng)力繩外延無(wú)疑會(huì)加大芯片星的質(zhì)量負(fù)載和空間占用，而且會(huì)影響衛(wèi)星上其他部件的結(jié)構(gòu)布局。太陽(yáng)帆板也是如此，在芯片星表面上的多處且多塊粘附的太陽(yáng)帆板無(wú)疑會(huì)占用大量的表面空間，影響諸多部件尤其是太陽(yáng)能電池板的布局，從而對(duì)衛(wèi)星續(xù)航能力帶來(lái)嚴(yán)重的影響。另一方面，外界環(huán)境力矩的產(chǎn)生還會(huì)受到外界環(huán)境的影響。其中，太陽(yáng)帆板，顧名思義，明顯要受太陽(yáng)光照條件的限制，當(dāng)不能受到太陽(yáng)光照或者太陽(yáng)光照入射角太差時(shí)，都無(wú)法產(chǎn)生良好的力矩以對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)軌道進(jìn)行調(diào)節(jié)。而電動(dòng)力繩要同時(shí)受到星球磁場(chǎng)和電離層的雙重限制，如果沒(méi)有合適的電離層來(lái)收集電荷，則電動(dòng)力繩將缺乏流通的電荷而無(wú)法提供力矩，而當(dāng)電動(dòng)力繩布局同磁場(chǎng)平行時(shí)，同樣無(wú)法產(chǎn)生力矩以供姿態(tài)軌道調(diào)節(jié)。綜上所訴，運(yùn)用外界環(huán)境力作用對(duì)芯片星進(jìn)行姿態(tài)軌道調(diào)整的方式對(duì)衛(wèi)星構(gòu)型、工作空間、調(diào)節(jié)時(shí)間和位置有著頗為苛刻的要求，受環(huán)境(電離層、磁場(chǎng)、太陽(yáng)光照等)因素影響大、亦會(huì)受初始狀態(tài)條件限制較大，極有可能出現(xiàn)在需要進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整時(shí)無(wú)法第一時(shí)間響應(yīng)甚至無(wú)法響應(yīng)的現(xiàn)象。

內(nèi)力矩作用的姿態(tài)軌道調(diào)整方式中，目前針對(duì)相對(duì)大一些的微星、立方星等芯片星也有了一些利用衛(wèi)星自身構(gòu)件作為配重的姿態(tài)調(diào)整方式的研究。芯片星的內(nèi)力矩姿態(tài)軌道控制，主要是基于動(dòng)量矩守恒定理，通過(guò)改變衛(wèi)星主體和附件的相對(duì)結(jié)構(gòu)位置，來(lái)調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)軌道。相對(duì)于外力矩而言，內(nèi)力矩姿態(tài)軌道控制方式有著不受外界環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)，然而，內(nèi)力矩姿態(tài)軌道調(diào)整方式同樣有著一些自身難以避免的缺陷。一方面，內(nèi)力矩姿態(tài)調(diào)整方式則受限于自身能量?jī)?chǔ)備限制，而芯片星自身攜帶能量往往十分有限，且在軌期間可能難以獲得良好的再充能環(huán)境，因此使用內(nèi)力矩對(duì)芯片星調(diào)整姿態(tài)的次數(shù)和幅度可能無(wú)法滿足需求，而且會(huì)大大減少衛(wèi)星的工作壽命。另一方面，基于角動(dòng)量的內(nèi)力矩姿態(tài)軌道調(diào)節(jié)過(guò)程中，對(duì)衛(wèi)星主體的姿態(tài)調(diào)節(jié)必然伴隨著衛(wèi)星相對(duì)結(jié)構(gòu)的變化，而受限于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變化的范圍限制，衛(wèi)星主體姿態(tài)調(diào)節(jié)空間往往有限；此外要想保證衛(wèi)星的各個(gè)部件都保持在應(yīng)處的合理姿態(tài)布局十分困難，需要進(jìn)行復(fù)雜而繁瑣的控制與優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的內(nèi)力矩與外力姿態(tài)調(diào)整方式各自的不足,本發(fā)明提出一種內(nèi)外動(dòng)力混合作用的芯片星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)及方法，結(jié)合了兩種調(diào)節(jié)方式，有效的發(fā)揮兩種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的不足。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種內(nèi)外動(dòng)力混合作用的芯片星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)，包括芯片星、柔性可驅(qū)動(dòng)材料制成的柔性桿件以及外力矩產(chǎn)生器；外力矩產(chǎn)生器和柔性桿件連接后，通過(guò)柔性桿件連接到芯片星主體上，將柔性桿件與外力矩產(chǎn)生器結(jié)合共同合作用于芯片星姿態(tài)軌道控制，通過(guò)兩種方式的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)芯片星的姿態(tài)軌道調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步，外力矩產(chǎn)生器由電動(dòng)力繩和電荷收集器連接組成或者由太陽(yáng)帆板構(gòu)成。

進(jìn)一步，所述柔性桿件由智能壓電材料制成。

內(nèi)外動(dòng)力混合作用的芯片星姿態(tài)軌道控制方法，柔性桿件作為內(nèi)力矩來(lái)源，外力矩產(chǎn)生器提供外力矩，通過(guò)兩種方式的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)芯片星的姿態(tài)軌道調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步，根據(jù)時(shí)間上的先后或者一致性，可分為串聯(lián)式或者并聯(lián)式兩種調(diào)節(jié)方法：

串聯(lián)式姿態(tài)調(diào)節(jié)：

內(nèi)力矩和外力矩的作用先后進(jìn)行，而非同時(shí)發(fā)揮作用，以內(nèi)力矩作為芯片星姿態(tài)的調(diào)整方式，外力矩用于還原或預(yù)置芯片星的幾何構(gòu)型，從而在整體不改變衛(wèi)星幾何構(gòu)型的前提下，對(duì)芯片星姿態(tài)進(jìn)行迅速調(diào)整；

并聯(lián)式姿態(tài)調(diào)節(jié)：

內(nèi)力矩和外力矩同時(shí)作用于芯片星，適用于存在姿態(tài)調(diào)整需求時(shí)外界環(huán)境滿足外力矩工作需求的情況。

本發(fā)明的內(nèi)外動(dòng)力混合作用的芯片星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)及方法，將可驅(qū)動(dòng)材料同目前常見(jiàn)的芯片星外力姿態(tài)軌道調(diào)整方式結(jié)合起來(lái)，共同合作用于芯片星姿態(tài)軌道控制。在結(jié)構(gòu)上，將兩種不同的調(diào)姿機(jī)構(gòu)串聯(lián)；在操作中，可以根據(jù)不同的實(shí)際情況，將兩種調(diào)姿方式串聯(lián)或并聯(lián)使用。通過(guò)兩種方式的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)芯片星的姿態(tài)軌道調(diào)節(jié)，可以更加高效的利用外力矩對(duì)芯片星姿態(tài)進(jìn)行，并在任何時(shí)刻都保有姿態(tài)調(diào)節(jié)的能力，減小芯片星自身能量的消耗，精簡(jiǎn)姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局，簡(jiǎn)化控制理論，提高調(diào)姿效率。

附圖說(shuō)明

圖1是基于地磁場(chǎng)外力矩的內(nèi)外動(dòng)力協(xié)作姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是基于太陽(yáng)光壓的內(nèi)外動(dòng)力協(xié)作姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明協(xié)作姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的幾種工作方式的簡(jiǎn)易流程圖；

圖3(a)是本發(fā)明串聯(lián)式姿態(tài)調(diào)節(jié)方式實(shí)施例一流程圖；

圖3(b)是本發(fā)明串聯(lián)式姿態(tài)調(diào)節(jié)方式實(shí)施例二流程圖；

圖3(c)是本發(fā)明并聯(lián)式姿態(tài)調(diào)節(jié)方式實(shí)施例流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

首先請(qǐng)參閱圖1和圖2，分別為基于地磁場(chǎng)和太陽(yáng)光壓產(chǎn)生的外力矩的內(nèi)外動(dòng)力協(xié)作姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明的內(nèi)外動(dòng)力混合作用的芯片星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)包括基礎(chǔ)的芯片星1或芯片衛(wèi)星、柔性可驅(qū)動(dòng)(自驅(qū)動(dòng))材料構(gòu)成的柔性桿件2，以及外力矩產(chǎn)生器，外力矩產(chǎn)生器和柔性桿件組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)柔性桿件2連接到芯片星1主體上，圖1和圖2中只是簡(jiǎn)單的進(jìn)行了布局展示，實(shí)際的具體布置數(shù)量和布局方針應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算確定，一般情況下，得益于用于連接的柔性桿件的可彎曲性，外力矩發(fā)生裝置的姿態(tài)可以自由的進(jìn)行調(diào)整，因此需要布置的數(shù)量可以相當(dāng)程度的進(jìn)行削減，而且其布局方針也有著更高的自由度。

外力矩產(chǎn)生器包括圖1中的電動(dòng)力繩3和電荷收集器4以及圖2中的太陽(yáng)帆板5也包括其他的可能外力矩產(chǎn)出裝置。

在操作中，除去原本已有的僅有單一內(nèi)力矩或單一外力矩的調(diào)整方式以外，芯片星的姿態(tài)軌道調(diào)節(jié)一般可由柔性桿件的內(nèi)力矩產(chǎn)生裝置以及電動(dòng)力繩、太陽(yáng)帆板等外力矩產(chǎn)生器協(xié)作完成。

根據(jù)時(shí)間上的先后或者一致性，系統(tǒng)工作方式可分為串聯(lián)式或者并聯(lián)式兩種情況：

串聯(lián)式姿態(tài)調(diào)節(jié)

串聯(lián)式的工作方式，即內(nèi)力矩和外力矩的作用時(shí)間存在一定的先后順序，而非同時(shí)發(fā)揮作用，該類方式適用于需要進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的外界空間環(huán)境無(wú)法滿足外力矩工作空間需求的情況。例如，當(dāng)前面臨姿態(tài)調(diào)整需求，而電離層或太陽(yáng)光照不能滿足外力矩工作需求時(shí)，我們可以先利用內(nèi)力矩，通過(guò)改變衛(wèi)星部件相對(duì)主體的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)節(jié)，隨后在適合的工作空間中，再利用外力矩還原芯片星的幾何構(gòu)型，如圖3(a)所示。抑或者顛倒兩者的順序，如果當(dāng)前工作空間適于外力矩工作，且已知未來(lái)指定時(shí)刻或位置的姿態(tài)軌道調(diào)節(jié)需求，但還要保持當(dāng)前衛(wèi)星姿態(tài)軌道的穩(wěn)定，這時(shí)我們可以在保證芯片星工作主體姿態(tài)不變的前提下，先利用外力矩將芯片星的附件相對(duì)主體的幾何構(gòu)型改變?yōu)楹线m的結(jié)構(gòu)，而到達(dá)需要對(duì)芯片星姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，再利用內(nèi)力矩還原衛(wèi)星整體的幾何構(gòu)型，調(diào)整衛(wèi)星主體的姿態(tài)，即如圖3(b)所示。

該類串聯(lián)的工作方式一般以內(nèi)力矩作為衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)整方式，外力矩則用于還原或預(yù)置芯片星的幾何構(gòu)型，從而在整體不改變衛(wèi)星幾何構(gòu)型的前提下，對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行迅速有效的調(diào)整。

在動(dòng)力學(xué)建模和控制上，內(nèi)力矩部分無(wú)需考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)型的還原與保持問(wèn)題，外力矩部分則只需要考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)型的還原與保持問(wèn)題，因此雖然需要同時(shí)對(duì)內(nèi)力矩和外力矩部分進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，但得益于兩者的任務(wù)目標(biāo)和約束條件都有著大幅度的簡(jiǎn)化，相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)與控制模型實(shí)際上是簡(jiǎn)化了的。此外，由于進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的工作空間不再受限于電離層或者太陽(yáng)照射的限制，而內(nèi)力矩調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)變化的范圍限制則可以由外力矩消除，因此，調(diào)整姿態(tài)的工作空間和可達(dá)域都可以得到大幅度的提升。

2、并聯(lián)式姿態(tài)調(diào)節(jié)

并聯(lián)式的工作方式，即內(nèi)力矩和外力矩同時(shí)作用于芯片星的姿態(tài)調(diào)節(jié)問(wèn)題上，適用于存在姿態(tài)調(diào)整需求時(shí)外界環(huán)境滿足外力矩工作需求的情況。該類工作方式如圖3(c)所示，衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)節(jié)受外力矩和內(nèi)力矩共同影響作用。其中，由于連接桿件為柔性桿，外力矩在對(duì)芯片星的主體進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的同時(shí)，也會(huì)影響衛(wèi)星的幾何構(gòu)型，因此內(nèi)力矩通過(guò)改變芯片星幾何構(gòu)型對(duì)衛(wèi)星主體的姿態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程會(huì)受到外力矩的影響。另一方面，內(nèi)力矩在姿態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中對(duì)芯片星幾何構(gòu)型的改變也會(huì)造成外力矩發(fā)生裝置布局的變化，從而影響外力矩的產(chǎn)生。

考慮到上述的關(guān)于內(nèi)外力矩在姿態(tài)軌道調(diào)整過(guò)程復(fù)雜的辯證關(guān)系，在實(shí)際操作與控制過(guò)程中，需要對(duì)兩者的工作權(quán)重和控制策略進(jìn)行綜合而全面的考慮。即立足于芯片星幾何構(gòu)型的變化，綜合考慮基于動(dòng)量矩定理的內(nèi)力矩對(duì)幾何構(gòu)型的影響、外力矩作用下柔性桿彎曲對(duì)幾何構(gòu)型的影響、幾何構(gòu)型變化對(duì)外力矩的影響、外力矩對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響等多個(gè)方面，建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)合外界工作空間(電磁場(chǎng)方向大小、太陽(yáng)入射方向等)、衛(wèi)星幾何構(gòu)型變化范圍、以及芯片星的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和姿態(tài)調(diào)整等約束條件。根據(jù)最小姿態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間或者最小能量消耗等優(yōu)化性能指標(biāo)。最后，就上述最優(yōu)化控制問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化求解。

該類并聯(lián)式姿態(tài)調(diào)節(jié)方式，通過(guò)內(nèi)力矩和外力矩的協(xié)同作用，雖然一定程度上增加了待優(yōu)化變量，提高了控制的復(fù)雜程度，但是同樣增加了控制的靈活性，擴(kuò)大了問(wèn)題的搜索空間。最關(guān)鍵的是，這種方式可以大幅度的提高姿態(tài)調(diào)整的效率，增大姿態(tài)調(diào)整可達(dá)空間，并且相對(duì)單獨(dú)使用內(nèi)力矩的調(diào)節(jié)方式可以大幅度的減少能量的損耗，是一種高效節(jié)能的姿態(tài)調(diào)節(jié)方式。

以上內(nèi)容是對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定發(fā)明保護(hù)范圍。