CN104443433B - 一种卫星应急系统变周期控制方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星应急系统变周期控制方法，在合理设计卫星应急状态姿态确定算法的基础上，根据当前中断计数的控制周期实现方式和选用敏感器(陀螺)的状态，设计一种控制周期随应急软件运行时环境变化而改变的系统控制方法。在敏感器(陀螺)选择未发生变化时，每个控制周期不再进行陀螺安装矩阵选择及求伪逆(矩阵)等复杂计算过程，采用保存值进行定姿；否则重新进行陀螺安装矩阵选择及求伪逆计算。在陀螺安装矩阵重新选择及求伪逆的定姿过程中不再更新中断计数，从而客观上延长了控制周期，避免控制周期计算超时的问题。另一方面避免由于复杂重复计算导致不必要的较长控制周期的需求，提升了航天器应急系统的控制效果，缩短了姿态偏置下的控制时长。

Description

一种卫星应急系统变周期控制方法

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种卫星应急系统变周期控制方法。

背景技术

卫星控制应急系统是卫星控制系统最后的安全措施，主要实现太阳搜索模式控制及各部件的开关操作，保证整星的能源供应，为卫星的抢救工作争取时间。

应急系统一般采用80C32E处理器芯片，输入时钟频率为11.0592MHz。由于80C32E处理器采用的是8位的算术逻辑单元，没有专门的浮点处理单元，因此在80C32E处理器上使用32位的浮点数运算是相当耗时的工作。应急系统软件任务实现中不可避免会涉及一定的浮点数运算，特别是采用陀螺输入数据进行定姿的计算过程。

目前卫星应急系统基本采用固定控制周期的方法实现，根据任务实现的复杂程度预先设定好一个控制周期，通过对设定好的定时器中断进行计数，实现固定的控制周期。以某同步轨道静止卫星为例，定时器中断设为32ms，控制周期设为4个定时器中断，即128ms。在定时器中断处理程序中对中断次数cntINT计数(cntINT初始为0)，当cntINT为3时在定时器中断处理程序中置控制周期任务完成标志flg为true，在控制周期主任务中判断任务完成标志flg，如果flg为true则执行新的一次控制周期任务，否则一直等待flg变为true，即达到128ms的控制周期时间。该控制方案思路清晰，易于实现，但缺乏时间方面的灵活性，控制周期往往是根据经验预先设定的，正常情况下需要设定较长的控制周期，允许一定的时间阈量，否则任务执行超时，导致控制方案失败。由于根据经验预先设定控制周期，也会存在控制周期较长导致卫星应急系统软件运行空闲时间偏长的问题，造成系统资源的浪费。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种卫星应急系统变周期控制方法，解决控制周期空闲时间偏长的问题，同时避免运行控制周期超时，在控制性能优化和缩短计算时间方面达到平衡。

本发明的技术方案是：一种卫星应急系统变周期控制方法，步骤如下：

1)卫星应急系统上电初始化时，根据每个陀螺的健康标志字和加电状态字，设定陀螺选用标志字flgGyro；

2)如果应急系统是上电后首次运行或者运行中陀螺选用标志字flgGyro发生变化，则确定当前周期陀螺选用标志字flgGyro后，跳转至步骤3)，否则如果应急系统正常运行时，即陀螺选用标志字flgGyro未发生变化，则跳转至步骤4)；

3)根据陀螺选用标志字flgGyro确定所选用陀螺在卫星本体系下的安装矩阵R，并进行安装矩阵R的伪逆运算R_v＝inv(R^T·R)·R^T，其中inv(*)为矩阵求逆计算,R^T为安装矩阵R的转置矩阵；

4)将计算得到的安装矩阵R的伪逆运算结果R_v矩阵和所选陀螺的角速度矩阵ω_ai相乘，得到卫星三轴惯性角速度，其中ω_ai ^T＝[ω_{ai_1}，ω_{ai_2}，...，ω_{ai_n}]，ω_{ai_1}，ω_{ai_2}，...，ω_{ai_n}分别为各个所选陀螺测量得到的角速度值；将卫星三轴惯性角速度与数字太阳敏感器测量的卫星滚动和俯仰角作为卫星控制器输入，计算得到本周期的控制量；

5)设定中断计数cntINT并置初值为0；在卫星应急系统的定时器中断处理时，如果中断计数cntINT未达到m-2时，m为整数且m>2，则本次中断处理中cntINT正常累加计数，即中断处理中cntINT执行加1操作；如果进入中断处理时定时器中断计数cntINT等于m-2，再判断若本周期执行了安装矩阵R的伪逆运算且伪逆运算还未完成，则本次中断处理不对cntINT进行累加并保持原数值，若本周期未执行安装矩阵R的伪逆运算，或本周期执行了安装矩阵R的伪逆运算且伪逆运算完成，则中断处理中cntINT执行加1操作，并将步骤4)得到的本周期的控制量输出给执行机构；如果进入中断处理时定时器中断计数cntINT等于m-1，则将本周期的控制量清0，执行机构停止输出，中断计数cntINT清0，并置本周期结束标志，开始执行下一次的控制周期任务。

本发明与现有技术相比的有益成果是：

(1)通过卫星应急系统运行时环境的状态变迁裁剪重复的计算过程，提高了处理器和机时的利用率；

(2)卫星应急系统变周期控制相比传统固定周期控制，提高了控制周期时间设定的灵活性。避免了卫星应急系统在复杂的重复计算逻辑下控制周期运行超时的问题，以及为避免运行超时而设定较长控制周期进而导致空闲时间偏长的两个问题，实现了很好的平衡；

(3)卫星应急系统变周期控制方法避免了不必要的重复的计算过程，以相对较短的控制周期，提升了航天器应急系统的控制效果，缩短了姿态偏置下的控制时长。

该方法已经在某高轨道遥感卫星应急系统设计中得到了应用，经测试验证了该控制方法的可行性和有效性，提高了控制周期设计的灵活性，为后续卫星应急系统的研制，提供了新的设计思路。

附图说明

图1为卫星应急系统变周期控制的实现流程图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的路径设计流程图。

本发明的卫星控制系统应急系统变周期控制方法，主要内容包括：将含有大量浮点数运算的陀螺数据定姿算法进行解耦合和模块化。将控制周期任务中存在的复杂重复计算过程——陀螺安装矩阵的求伪逆计算进行模块化。根据应急系统运行时环境的变化将应急系统析构出上电首次运行、陀螺选用状态发生改变和正常运行时三个执行状态。而陀螺安装矩阵的求伪逆计算仅需要在应急系统上电首次运行和陀螺选用状态发生变化的情况下执行一次，将计算结果保存下来，应急系统正常运行时的定姿过程仅使用保存的计算结果即可。应急系统运行的绝大部分时间都是在正常运行时状态，这样就可以大大节省复杂的浮点计算运行的机时，提高处理器利用率。

本发明的实现方法如下：

1、卫星应急系统上电初始化时从FT板(容错电路)读取每个陀螺的健康标志字，从I/O位口读取每个陀螺的加电状态字。健康标志字表征了部件是否正常运行，加电状态字表征了部件是否处于加电状态。应急系统上电初始化时根据每个陀螺的健康标志字和加电状态字设定陀螺选用标志字flgGyro，轮询每个陀螺，如果陀螺健康且加电，则将该陀螺序号对应位置1写入陀螺选用标志字flgGyro；

2、如果卫星应急系统是上电首次运行或者运行中陀螺选用标志字发生改变，则陀螺选用标志字flgGyro需要重新根据陀螺的健康标志字和加电状态字确定。在系统运行中陀螺选用标志字flgGyro仅在地面遥控指令的情况下会发生变化，在正常运行状态下是保持不变的；

3、在卫星应急系统三轴(滚动、俯仰、偏航)惯性角速度计算中，如果卫星应急系统是上电首次运行或者运行中陀螺选用标志字发生了改变，则首先根据陀螺选用构型确定陀螺在卫星本体系下的安装矩阵R，安装矩阵R是由各个所选用陀螺在卫星本体系下的安装向量组成的n×3矩阵(n为选用陀螺个数，n≥3)，然后计算安装矩阵R的伪逆：inv(R^T·R)·R^T，其中inv(*)为矩阵求逆运算，R^T为安装矩阵R的转置矩阵，并保存计算结果为R_v。安装矩阵R的伪逆计算涉及大量的浮点数运算，导致其耗费了大量的应急系统处理机时，甚至造成控制周期超时。如果卫星应急系统是在正常运行状态下，即陀螺选用标志字flgGyro未发生变化，由于在陀螺选用标志字flgGyro不变的情况下计算的安装矩阵R的伪逆结果R_v相同，因此在当前周期判断flgGyro不变后，安装矩阵R的求伪逆过程不用重新计算，使用保存的结果R_v即可。

4、选用陀螺部件(加电且健康)的输入角速度值构成一个角速度矩阵ω_ai(n×1矩阵)，ω_ai ^T＝[ω_{ai_1}，ω_{ai_2}，...，ω_{ai_n}]，ω_{ai_1}，ω_{ai_2}，...，ω_{ai_n}分别为各个所选陀螺测量得到的角速度值。将之前计算得到的安装矩阵R的伪逆运算结果R_v矩阵和所选陀螺的角速度矩阵ω_ai相乘，得到卫星三轴惯性角速度[ω_x,ω_y,ω_z]^T＝R_v·ω_ai。计算得到的卫星三轴惯性角速度与数字太阳敏感器测量的滚动角和俯仰角共同作为卫星控制器输入，通过PID控制算法计算得到本周期的控制量。

5、卫星应急系统控制周期的实现是采用m次定时器中断实现的，其中m为整数，且m>2，定时器的中断周期是通过应急系统芯片定时器设置实现的。软件实现中设定中断计数cntINT并置初值为0；在进入卫星应急系统的定时器中断处理时，中断计数cntINT先进行对整数m整除的取余数操作，将cntINT的取值范围限制在0到m-1。如果中断计数cntINT未达到m-2时，则本次中断处理中cntINT正常累加计数，即中断处理中cntINT执行加1操作；如果进入中断处理时定时器中断计数cntINT等于m-2，再判断若本周期执行了安装矩阵R的伪逆运算且伪逆运算还未完成，则本次中断处理不对cntINT进行累加并保持原数值，若本周期未执行安装矩阵R的伪逆运算，或本周期执行了安装矩阵R的伪逆运算且伪逆运算已完成，则中断处理中cntINT执行加1操作，并将步骤4)得到的本周期的控制量输出给执行机构；如果进入中断处理时定时器中断计数cntINT等于m-1，则将本周期的控制量清0，执行机构停止输出，中断计数cntINT清0，并置本周期结束标志，开始执行下一次的控制周期任务。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种卫星应急系统变周期控制方法，其特征在于步骤如下：

1)卫星应急系统上电初始化时，根据每个陀螺的健康标志字和加电状态字，设定陀螺选用标志字flgGyro；

2)如果应急系统是上电后首次运行或者运行中陀螺选用标志字flgGyro发生变化，则确定当前周期陀螺选用标志字flgGyro后，跳转至步骤3)，否则如果应急系统正常运行时，即陀螺选用标志字flgGyro未发生变化，则跳转至步骤4)；

3)根据陀螺选用标志字flgGyro确定所选用陀螺在卫星本体系下的安装矩阵R，并进行安装矩阵R的求逆运算R_v＝inv(R^T·R)·R^T，其中inv(*)为矩阵求逆计算,R^T为安装矩阵R的转置矩阵；

4)将计算得到的安装矩阵R的伪逆运算结果R_v矩阵和所选陀螺的角速度矩阵ω_ai相乘，得到卫星三轴惯性角速度，其中ω_ai ^T＝[ω_{ai_1}，ω_{ai_2}，…，ω_{ai_n}]，ω_{ai_1}，ω_{ai_2}，…，ω_{ai_n}分别为各个所选陀螺测量得到的角速度值；将卫星三轴惯性角速度与数字太阳敏感器测量的卫星滚动和俯仰角作为卫星控制器输入，计算得到本周期的控制量；

5)设定中断计数cntINT并置初值为0；在卫星应急系统的定时器中断处理时，如果中断计数cntINT未达到m-2时，m为整数且m>2，则本次中断处理中cntINT正常累加计数，即中断处理中cntINT执行加1操作；如果进入中断处理时定时器中断计数cntINT等于m-2，再判断若本周期执行了安装矩阵R的伪逆运算且伪逆运算还未完成，则本次中断处理不对cntINT进行累加并保持原数值，若本周期未执行安装矩阵R的伪逆运算，或本周期执行了安装矩阵R的伪逆运算且伪逆运算完成，则中断处理中cntINT执行加1操作，并将步骤4)得到的本周期的控制量输出给执行机构；如果进入中断处理时定时器中断计数cntINT等于m-1，则将本周期的控制量清0，执行机构停止输出，中断计数cntINT清0，并置本周期结束标志，开始执行下一次的控制周期任务。