CN103264776B - 一种基于信息融合的控制系统工作模式设置及切换方法 - Google Patents

Abstract

一种基于信息融合的控制系统工作模式设置及切换方法，将现有的按功能和敏感器使用情况来设计控制系统工作模式和方式转变为按功能确定控制系统的工作模式和方式，其中工作模式设置为：太阳捕获及巡航模式、地球捕获及指向模式、远地点模式、位置保持模式、正常模式（含正常工作、反作用轮卸载、南北位保、东西位保四种工作方式），模式之间可以通过星上自主切换或通过地面遥控切换，本方法优化了模式设计和切换条件，不仅减少了控制模式的数量，简化了模式间的转换关系，减轻了地面测控的复杂程度，降低了软件代码使用量，而且提升了控制系统的性能。

Description

一种基于信息融合的控制系统工作模式设置及切换方法

技术领域

本发明涉及一种卫星控制方法，特别是一种高轨道卫星控制系统的工作模式设置及切换方法。

背景技术

高轨道卫星控制系统通常按飞行任务和敏感器使用情况来划分控制模式和方式，工作模式有：太阳捕获（SAM）、地球搜索（EAM）、地球指向（EPM）、远地点（AFM）、位保（SKM）、过渡（TRM）、正常（NM）、天线方向图模式（ANM）、倾斜轨道模式（SLM）、硬件故障对地指向安全模式（ESM）、软件故障对地指向安全模式（ETM）。

同一种工作模式根据控制系统敏感器的组成不同，或偏置量不同又分为几种不同的工作方式。工作方式的改变可由星上自主控制，也可由地面遥控。

由于惯性敏感器的使用寿命和光学敏感器使用范围限制，原有高轨道卫星的模式、方式设计要综合考虑各种因素，每一个工作模式和工作方式除陀螺以外均没有姿态敏感器冗余备份，（3个正交+1个斜装）的陀螺组件虽有一个备份，但通常不是长寿命陀螺，只允许在转移轨道连续工作，在同步轨道只允许在轨道位置保持控制时短期工作，因而目前典型的高轨卫星有11种工作模式和31种工作方式，高轨道卫星在增加星敏感器以后又增加了一个惯性姿态捕获模式（IAAM）。

高轨道卫星控制系统的工作模式和工作方式过多，增加了地面测控的复杂程度，增加了软件代码使用量，而且降低了控制系统故障对策能力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于信息融合的控制系统工作模式设置及切换方法，减少了控制模式数量，简化了模式间的转换关系，提升了控制系统的性能。

本发明的技术解决方案是：一种基于信息融合的控制系统工作模式设置及切换方法，将卫星控制系统设置为五种工作模式，分别是太阳捕获及巡航模式、地球捕获及指向模式、远地点模式、位置保持模式、正常模式，其中太阳捕获及巡航模式包括太阳捕获工作方式、巡航工作方式，地球捕获及指向模式包括地球捕获工作方式、地球指向工作方式，正常模式包括正常工作方式、动量轮卸载工作方式、南北位保工作方式、东西位保工作方式，五种工作模式下卫星控制系统的控制方法及各模式之间的切换方法如下：

（1）太阳捕获及巡航模式

当星箭分离时，卫星控制系统将启用太阳捕获及巡航模式，在该模式下，首先进入太阳捕获工作方式，使用太阳敏感器、陀螺和星敏感器进行信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器控制建立卫星搜索太阳的角速度，当太阳可见时自主置搜索速度为0，用信息融合输出的滚动姿态与俯仰姿态控制卫星姿态，最终建立卫星本体的-Z轴对日定向的巡航姿态，进入巡航工作方式后，为节省推进剂，姿态控制以反作用轮为主；

该模式可与地球捕获及指向模式之间进行正常切换；

（2）地球捕获及指向模式

在该模式下，首先进入地球捕获工作方式，使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器，进行信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器控制建立地球搜索角速度，当地球可见时自主置搜索速度为0，用信息融合输出的滚动姿态与俯仰姿态控制卫星姿态，卫星最终自主转向地球指向方式；

进入地球指向方式后，使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器控制建立用户需要的星体Z轴对地定向的三轴稳定姿态或转移轨道变轨需要的远地点或近地点490N发动机点火姿态；

该模式可与转移轨道的太阳捕获及巡航模式、远地点变轨模式正常切换，并可正常转入同步轨道的正常模式；

（3）远地点变轨模式

在该模式下，使用太阳敏感器、陀螺和星敏感器，进行信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器实现转移轨道的变轨发动机在远地点或近地点点火期间的三轴稳定姿态控制；

远地点变轨模式490N发动机正常点火结束关闭发动机后，可正常转入太阳捕获及巡航模式，490N发动机点火时如果出现故障，星上将自主紧急关机、转入太阳捕获及巡航模式，建立卫星本体的-Z轴对日定向的巡航姿态；

该模式可与地球捕获及指向模式正常切换；

（4）位置保持模式

在该模式下，使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器，进行信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器实现定点位置捕获和位置保持控制期间的三轴稳定姿态控制，还可用于天线方向图测试、卫星改变定点位置与寿命末期卫星离轨控制；

该模式可与正常模式进行正常切换，故障时自主转入地球捕获及指向模式；

（5）正常模式

在该模式下，使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器，进行信息融合确定卫星三轴姿态，平时运行在正常工作方式，用动量轮进行三轴姿态控制，消除太阳光压干扰力矩对卫星姿态的影响，实现同步轨道用户有效载荷需要的星体Z轴对地定向的三轴稳定姿态；

当动量轮为消除太阳光压干扰力矩影响使自身转速达到卸载阈值时，将自主转入动量轮卸载工作方式，用推力器卸载脉冲使反作用轮转速回归设定范围；

在三轴轮控正常且三轴姿态可测条件下，可直接在该模式进行南北位保或者东西位保，由此进入南北位保工作方式或者东西位保工作方式；

该模式可与位置保持模式正常切换，故障时自主转入地球捕获及指向模式。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法将现有按功能和敏感器使用情况来设计控制系统工作模式和方式转变为按功能确定控制系统的工作模式和方式，其中工作模式设置为：太阳捕获及巡航模式、地球捕获及指向模式、远地点模式、位置保持模式、正常模式（含正常工作、反作用轮（即动量轮）卸载、南北位保、东西位保四种工作方式），模式之间可以通过星上自主切换或通过地面遥控切换，本方法优化了模式设计和切换条件，不仅减少了控制模式的数量，简化了模式间的转换关系，减轻了地面测控的复杂程度，降低了软件代码使用量，而且提升了控制系统的性能。

附图说明

图1为本发明方法的原理图。

具体实施方式

随着近年来星上计算机的软硬件性能不断提高，长寿命星敏感器和长寿命陀螺的逐渐成熟，控制分系统姿态敏感器配置可靠性也相应得到了增强，为在高轨道卫星控制系统方案设计中采用信息融合的姿态确定技术创造了条件，进而为新的控制系统模式设计提供了基础。

如图1所示，为本发明方法的原理图。本发明方法基于信息融合将现有按功能和敏感器使用情况来划分控制系统工作模式和方式改为按功能划分工作模式和方式，将控制系统设置为五种工作模式：太阳捕获及巡航模式、地球捕获及指向模式、远地点模式、位置保持模式、正常模式，模式之间可以通过星上软件自主切换或通过地面遥控切换。正常模式中可实现四种功能：正常工作、反作用轮卸载、南北位保、东西位保，加上太阳捕获及巡航模式、地球捕获及指向模式各有两种功能，总共有八种工作方式。

五种工作模式和及其之间的切换方式分别介绍如下：

（1）太阳捕获及巡航模式

太阳捕获及巡航模式按功能分为两个工作方式：太阳捕获工作方式、巡航工作方式；

太阳捕获及巡航模式的控制目标是建立星体-Z轴对日定向的巡航姿态，确保卫星能源。当星箭分离时，星上将启用太阳捕获及巡航模式，使用太阳敏感器、陀螺和星敏感器信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器控制建立卫星搜索太阳的角速度，最终建立卫星本体的-Z轴对日定向的巡航姿态；

整星机械坐标系定义如下：

a)坐标系原点O：与卫星下端框与运载火箭机械分离面中心重合；

b)OX轴：OX轴的正方向从原点指向卫星东板；

c)OY轴：OY轴的正方向从原点指向卫星南板；

d)OZ轴：卫星的OZ轴垂直于卫星与运载火箭的连接分离面，其正方向从原点指向对地板；

OXYZ坐标系符合右手法则，-Z轴对日定向巡航时，太阳帆板法向保持指向太阳，可确保卫星能源；

太阳捕获及巡航模式的姿态测量敏感器为陀螺、太阳敏感器和星敏感器，执行机构为推力器和反作用轮，太阳捕获工作方式以推力器为主，巡航工作方式以反作用轮为主，太阳捕获是用推力器建立搜索太阳的角速度，当太阳可见时，将自主置搜索速度为0，用信息融合输出的滚动姿态与俯仰姿态控制卫星姿态，卫星最终自主转向-Z轴对日定向巡航方式，为节省推进剂，巡航工作方式姿态控制以反作用轮为主；

该模式与地球捕获及指向模式之间可按地面遥控指令进行正常切换；

远地点变轨模式490N发动机正常点火结束关闭发动机后，可按地面遥控指令正常转入太阳捕获及巡航模式，490N发动机点火时如果出现故障，任一轴姿态超过姿态超差限持续100～200秒时，星上将自主紧急关机、转入太阳捕获及巡航模式，建立卫星本体的-Z轴对日定向的巡航姿态，即转入转移轨道确保能源的安全模式，姿态超差限和允许超差持续时间可在变轨前设定；

（2）地球捕获及指向模式

地球捕获及指向模式按功能分为两个工作方式：地球捕获工作方式、地球指向工作方式；

方式1：地球捕获方式，使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器控制建立地球搜索角速度，当地球可见时，将自主置搜索速度为0，用信息融合输出的滚动姿态与俯仰姿态控制卫星姿态，卫星最终自主转向地球指向方式；

方式2：地球指向方式，使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器控制建立用户需要的星体+Z轴对地定向的三轴稳定姿态或者建立转移轨道变轨需要的远地点或近地点490N发动机点火姿态；

该模式可与太阳捕获及巡航模式和远地点变轨模式正常切换，并可正常转入正常模式；

（3）远地点变轨模式

远地点点火模式使用太阳敏感器、陀螺和星敏感器信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器实现转移轨道的变轨发动机在远地点或近地点点火期间的三轴稳定姿态控制，克服帆板挠性振动、天线挠性振动、贮箱液体晃动等对姿态的影响，确保490N变轨发动机点火期间姿态稳定并满足姿态控制精度要求，远地点点火模式可与地球捕获及指向模式正常切换，并可正常切换或在故障时自主转入太阳捕获及巡航模式；

远地点模式三轴姿态的测量敏感器为陀螺、太阳敏感器和星敏感器，执行机构为推力器和490N发动机；

（4）位置保持模式

位置保持模式使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器实现定点位置捕获和位置保持控制期间的姿态控制，也可用于天线方向图测试、卫星改变定点位置与寿命末期卫星离轨控制；

该模式可与正常模式进行正常切换，故障时自主转入地球捕获及指向模式，即转入同步轨道确保用户有效载荷需要的对地指向的安全模式；

位置保持模式的姿态测量敏感器为地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器，执行机构为推力器。

（5）正常模式

作为同步轨道的日常工作模式，正常模式控制系统保证有效载荷要求的卫星姿态，正常模式执行机构为反作用轮和推力器。实现基于星敏感器+红外地球敏感器+太阳敏感器+长寿命陀螺信息融合的三维轮控的高精度高可靠三轴姿态自主控制，正常模式含正常工作、反作用轮（即动量轮）卸载、南北位保、东西位保四种工作方式；

在该模式下，平时运行在正常工作方式，用3～4个反作用轮进行三轴姿态控制，消除太阳光压干扰力矩对卫星姿态的影响，实现同步轨道用户有效载荷需要的星体Z轴对地定向的三轴稳定姿态；

当反作用轮为消除太阳光压干扰力矩影响使自身转速达到卸载阈值时，就自主转入反作用轮卸载工作方式，用推力器卸载脉冲使反作用轮转速回归设定范围；

在三轴轮控正常且三轴姿态可测条件下，在需要进行位置保持时，就可在正常模式遥控或自主进行南北位保或东西位保，南北位保或东西位保是需要推力器工作的，此情况下的三轴姿态控制就是反作用轮与推力器的复合控制，有利于充分发挥3～4个反作用轮的姿态控制作用，减小南北位保、东西位保推力器工作时引起的姿态超调，也减少了正常模式切换位置保持模式再转回正常模式的操作过程，按此时正常模式的功能就形成了南北位保工作方式与东西位保工作方式；

该模式可与位置保持模式正常切换，故障时自主转入地球捕获及指向模式，即转入同步轨道确保用户有效载荷需要的对地指向的安全模式。

本发明方法与目前采用的高轨卫星控制系统模式和切换的方法对比见下表所示。

信息融合就是一种多层次、多方面的处理过程，包括对多源数据（多传感器信息、冗余传感器信息）进行检测、滤波、相关、组合和估计，从而提高状态估计的精度、可靠性和有效性，基于信息融合的姿态确定方法是多样化的，可采用的方法有Wiener滤波、Kalman滤波、扩展Kalman滤波、最小二乘、序贯滤波、联邦滤波、自校正滤波、基于现代时间序列分析方法等（详见：1.韩崇昭、朱洪艳、段战胜等著清华大学出版社2006年4月第1版的《多源信息融合》、2.刘同明、夏祖勋、解洪成编著国防工业出版社1998年9月第1版的《数据融合技术及其应用》、3.邓自立著哈尔滨工业大学出版社2007年9月第1版的《信息融合滤波理论及其应用》），不论采用何种信息融合方法,在本发明方法中都只体现在控制器输入的卫星三轴姿态、三轴姿态角速度已是多个光学姿态敏感器与惯性敏感器的信息融合结果，因而“当地球可见时”不一定要求地球敏感器测量的滚动姿态与俯仰姿态均有输出（即允许地球敏感器短期受干扰），“太阳可见时”也不一定要求太阳敏感器测量的滚动姿态与俯仰姿态均有输出（即允许太阳敏感器短期受干扰），因为星敏感器可通过对恒星的观测来确定星敏感器视轴和横轴的指向，进而根据当前的轨道、星敏感器与卫星本体的相互关系，确定卫星本体坐标系与惯性坐标系的关系，即确定卫星姿态。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于信息融合的控制系统工作模式设置及切换方法，其特征在于：将卫星控制系统设置为五种工作模式，分别是太阳捕获及巡航模式、地球捕获及指向模式、远地点变轨模式、位置保持模式、正常模式，其中太阳捕获及巡航模式包括太阳捕获工作方式、巡航工作方式，地球捕获及指向模式包括地球捕获工作方式、地球指向工作方式，正常模式包括正常工作方式、动量轮卸载工作方式、南北位保工作方式、东西位保工作方式，五种工作模式下卫星控制系统的控制方法及各模式之间的切换方法如下：

(1)太阳捕获及巡航模式

当星箭分离时，卫星控制系统将启用太阳捕获及巡航模式，在该模式下，首先进入太阳捕获工作方式，使用太阳敏感器、陀螺和星敏感器进行信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器控制建立卫星搜索太阳的角速度，当太阳可见时自主置搜索速度为0，用信息融合输出的滚动姿态与俯仰姿态控制卫星姿态，最终建立卫星本体的-Z轴对日定向的巡航姿态，进入巡航工作方式后，为节省推进剂，姿态控制以反作用轮为主；

该模式可与地球捕获及指向模式之间进行正常切换；

(2)地球捕获及指向模式

在该模式下，首先进入地球捕获工作方式，使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器，进行信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器控制建立地球搜索角速度，当地球可见时自主置搜索速度为0，用信息融合输出的滚动姿态与俯仰姿态控制卫星姿态，卫星最终自主转向地球指向方式；

进入地球指向方式后，使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器控制建立用户需要的星体Z轴对地定向的三轴稳定姿态或转移轨道变轨需要的远地点或近地点490N发动机点火姿态；

该模式可与转移轨道的太阳捕获及巡航模式、远地点变轨模式正常切换，并可正常转入同步轨道的正常模式；

(3)远地点变轨模式

在该模式下，使用太阳敏感器、陀螺和星敏感器，进行信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器实现转移轨道的变轨发动机在远地点或近地点点火期间的三轴稳定姿态控制；

远地点变轨模式490N发动机正常点火结束关闭发动机后，可正常转入太阳捕获及巡航模式，490N发动机点火时如果出现故障，星上将自主紧急关机、转入太阳捕获及巡航模式，建立卫星本体的-Z轴对日定向的巡航姿态；

该模式可与地球捕获及指向模式正常切换；

(4)位置保持模式

在该模式下，使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器，进行信息融合确定卫星三轴姿态，用推力器实现定点位置捕获和位置保持控制期间的三轴稳定姿态控制，还可用于天线方向图测试、卫星改变定点位置与寿命末期卫星离轨控制；

该模式可与正常模式进行正常切换，故障时自主转入地球捕获及指向模式；

(5)正常模式

在该模式下，使用地球敏感器、陀螺、太阳敏感器和星敏感器，进行信息融合确定卫星三轴姿态，平时运行在正常工作方式，用动量轮进行三轴姿态控制，消除太阳光压干扰力矩对卫星姿态的影响，实现同步轨道用户有效载荷需要的星体Z轴对地定向的三轴稳定姿态；

当动量轮为消除太阳光压干扰力矩影响使自身转速达到卸载阈值时，将自主转入动量轮卸载工作方式，用推力器卸载脉冲使反作用轮转速回归设定范围；

在三轴轮控正常且三轴姿态可测条件下，可直接在该模式进行南北位保或者东西位保，由此进入南北位保工作方式或者东西位保工作方式；

该模式可与位置保持模式正常切换，故障时自主转入地球捕获及指向模式。