CN104477413B - 一种基于电推力器进行位保及动量轮卸载的联合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于电推力器进行位保及动量轮卸载的联合控制方法，电推力器推力矢量方向调整范围受其自身机构及星上安装空间限制，在进行卫星轨道位置保持或动量轮卸载时，电推进无法保证推力方向完全满足控制需求，其推力在控制所需的力的垂直面上的分量将成为应用电推力器进行控制的额外消耗。此外，实施位保时，如果无法调整推力矢量通过卫星质心，则由此推力产生的力矩也将成为额外的消耗。反过来，单纯进行动量轮卸载时，也必须考虑到额外的力作用效果，需要采用对称点火来进行抵消，卸载期间的力作用也成为额外的消耗。本发明同时进行卫星位保和动量轮卸载，通过合理选择推力器和调整推力矢量方向。

Description

一种基于电推力器进行位保及动量轮卸载的联合控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于电推力器进行位保及动量轮卸载的联合控制方法，属于卫星控制技术领域。

背景技术

近十年来，电推进技术飞速发展。目前，电推进已经广泛应用于GEO卫星的轨道位置保持控制，包括波音公司601卫星平台和702平台，洛马公司A2100平台，劳拉空间公司LS3000平台，Astrium公司的EUROSTAR-3000平台，ESA的Artemis卫星等。

全电推平台的开发进一步扩大了电推进在卫星控制中的应用。全电推平台的推进系统配置中，电推进为主要甚至唯一方式，因此，全电推平台不但将使用电推进进行小推力变轨，而且还将利用电推进进行卫星轨道位置保持以及动量轮的角动量管理。

国内正在开发的首个全电推平台的开发理念为经济小型化，因此为控制卫星整体重量及规模，将不再配备双组元的化学推进系统，必要时可考虑增配冷气推进系统或单组元推进系统，但即使这样，电推进在平台中仍然是主要手段。全电推平台不仅将使用电推力器实现小推力变轨，而且还将依靠电推力器进行南北位保、东西位保以及动量轮的三轴角动量卸载和转速卸载。受限于卫星的重量限制，一般全电推平台配备的电推力器数量有限(4台为基本配置，考虑备份情况下配置8台)，即使采用矢量调节机构，电推力器推力的方向仍然局限于一定范围内。因此，在进行南北位保、东西位保以及动量轮卸载时，必须考虑推力方向受限所引起的额外消耗。

传统上东西位保、南北位保和动量轮卸载是分开进行的，单一次控制只进行其中某一项的操作。由于电推力器数量有限，对于全电推平台，其电推力器全部安装在背地板靠近本体Y轴方向，因此，如果单独进行位保控制或者卸载控制，由于推力在其它方向存在分量，因此无法避免存在无益消耗的问题从而导致电推力器的效率下降，浪费推进剂，无法实现高效卫星控制。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于电推力器进行位保及动量轮卸载的联合控制方法，同时进行卫星位保和动量轮卸载，通过合理选择推力器和调整推力矢量方向，最大限度地利用推力，减少消耗，提高推进剂利用效率。

本发明的技术解决方案是：

一种基于电推力器进行位保及动量轮卸载的联合控制方法，包括步骤如下：

(1)计算卫星东西位保(位置保持)控制量和南北位保(位置保持)控制量，并将该控制量进行平均分配，分别作为同一轨道周期的升交点处的联合控制量和降交点处的联合控制量；

(2)根据系统需求，设定位保时间；

(3)由升交点或降交点的东西位保与南北位保控制量lew和lsn，分别计算出卫星本体坐标系下所需要的推力分量和并根据电推力器额定推力F的大小确定

(4)根据F_x、F_y、F_z的矢量方向，合成电推力器额定推力F的方向，并判断计算推力F是否在电推力器矢量调整范围内，若在，进入步骤(5)，否则调整设定的位保时间，并重复步骤(3)，直到推力F的方向满足矢量调整范围，进入步骤(5)；

(5)根据电推力器在星本体中的安装参数及卫星质心位置，确定推力F的作用力臂，计算卫星上满足推力F的电推力器所提供的三轴力矩大小与方向；

(6)判断步骤(5)中电推力器所提供的三轴力矩方向是否满足动量轮卸载所需力矩的方向，若满足，则进入步骤(9)，若不满足，则延长或缩短位保时间，重复步骤(3)-(6)，若通过N次延长或缩短位保时间，三轴力矩方向仍不能满足动量轮卸载所需力矩方向，则进入步骤(7)；

(7)以ΔF_x、ΔF_y为固定步长，按照增大或者减少的方式对F_x和F_y进行调整，以及计算根据F_x、F_y、F矢量合成电推力器额定推力F的方向，并判断计算推力F是否在电推力器矢量调整范围内，若在，则停止增大或减少F_x和F_y，并计算三轴力矩大小与方向，并进入步骤(8)；若经过N次调整不在范围内，则放弃调整，以待调整的结果进入步骤(10)；

(8)判断步骤(7)计算的三轴力矩方向是否满足动量轮卸载所需力矩方向，若满足，则进入步骤(9)；否则重复步骤(7)-(8)，若通过N次增大或者减少F_x和F_y的调整，三轴力矩方向仍不能满足要求，则利用N-1次求得的三轴力矩作为最终力矩结果，并进入步骤(10)；

(9)对F_z进行优化，使得F_z更小；

优化的具体方式如下：

(9a)设定步长其中 $\mathrm{\Δ}{F}_x^1\≤\mathrm{\Δ}{F}_x,\mathrm{\Δ}{F}_y^1\≤\mathrm{\Δ}{F}_y;$

(9b)以为固定步长，按照增大或者减少的方式对F_x和F_y进行调整，依次计算

(9c)将与当前优化结果F_z进行比较，若F_z大于则判断推力F是否在电推力器矢量调整范围内以及三轴力矩方向是否满足要求，若满足要求，则将作为优化结果，并继续以步骤(9b)的方式优化计算；若推力F不在电推力器矢量调整范围内，或三轴力矩方向不满足要求，则优化结束，并以前一次优化结果得到的作为最终F_z的取值，进入步骤(11)

(10)判断动量轮的角动量是否可以进一步积累，若是则只是进行位置保持控制，不进行动量轮卸载；否则进行动量轮卸载，不进行位保，并进入步骤(12)；

(11)按照最终优化的结果，执行联合控制；

(12)结束。

所述步骤(1)中计算东西或南北位保控制量I的方式如下：

$I=m{\stackrel{\→}{v}}_2\text{-m}{\stackrel{\→}{v}}_1$

其中，m表示卫星质量，分别表示实施位保前卫星所处位置和位保后卫星所处位置的速度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用联合控制，可以充分利用推力，减小推力无益分量的消耗，对于要求重点和小型化的卫星，是开拓性的发现。

(2)传统技术中单独进行东西位保时，推力的利用率为cosα，单位进行南北位保，推力的利用率为cosβ，而本发明同时进行东西位保与南北位保，则推力的利用率可提高至(α、β表示Fx和Fy与电推力器推力F的夹角)，由此可见本发明的控制效率和利用率大大提高，节省了大量的成本。

(3)本发明同时利用推力及力矩，提高推进剂的利用效能；同时本发明通过计算和判断减少电推力器启动次数及点火时间，提高了效率，节省了时间。

附图说明

图1为本发明电推力器安装示意图图；

图2为本发明方法流程图；

图3为本发明位置保持量计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

全电推平台配置的电推力器数量有限，同时，电推力器推力矢量方向调整范围也受其自身机构及星上安装空间限制，在进行卫星轨道位置保持或动量轮卸载时，电推进无法保证推力方向完全满足控制需求，其推力在控制所需的力的垂直面上的分量将成为应用电推力器进行控制的额外消耗。此外，实施位保时，如果无法调整推力矢量通过卫星质心，则由此推力产生的力矩也将成为额外的消耗。反过来，单纯进行动量轮卸载时，也必须考虑到额外的力作用效果，需要采用对称点火来进行抵消，卸载期间的力作用也成为额外的消耗。因此，单独进行位保控制或者卸载控制，无法避免额外消耗，从而导到推力使用效率下降，浪费推进剂。

如图1所示，本发明中所述的卫星背地板安装四个电推力器，分别为电推力器NE、电推力器SE、电推力器SW、电推力器NW。

本发明介绍了使用电推力器进行动量轮卸载及轨道位置保持联合控制的一种方法，即同时进行卫星位保和动量轮卸载，通过合理选择推力器和调整推力矢量方向，最大限度地利用推力，减少消耗，提高推进剂利用效率，

如图2所示，一种基于电推力器进行位保及动量轮卸载的联合控制方法，包括步骤如下：

(1)计算卫星东西位保(位置保持)控制量和南北位保(位置保持)控制量，并将该控制量进行平均分配，分别作为同一轨道周期的升交点处的联合控制量和降交点处的联合控制量；

位保控制量是由卫星测轨确定，是指对卫星轨道进行修改，比如将轨道往南移动0.05度。东西位保和南北位保都需要计算，然后各自平均分配到升交点和降交点；位置保持量的计算方式如下：

如图3所示，以东西位保量计算为例，A为实施位保前卫星在轨道上所在的位置，B为实施位保后卫星在轨道上所在的位置。在A点卫星的动量为在B点卫星的动量为两点速度大小相等，方向不同。则实施该东西位保所需要的推力冲量等于这两个动量之差，即位置保持量：

(此为矢量计算，带方向的)，其中，m表示卫星质量。

(2)根据系统需求，设定位保时间(产生位置保持推力的时间，一般设定为1小时)；

(3)由升交点或降交点的东西位保与南北位保控制量lew和lsn，分别计算出卫星本体坐标系下所需要的推力分量和并根据电推力器额定推力F的大小确定

所需要提供的位置保持量(推力冲量)，位置保持量为推力与时间的乘积；本发明中F_x、F_y、F_z为推力器推力在卫星本体坐标系下的分力。卫星本体坐标系定义如下：坐标原点为星箭对接框的理论中心点，Z轴指向卫星对地面，与对地面理论法线平行，X轴指向东板，与东板理论法线平行，Y轴与XZ轴构成右手坐标系；

(4)根据F_x、F_y、F_z的矢量方向，合成电推力器额定推力F的方向，并判断计算推力F是否在电推力器矢量调整范围内，若在，进入步骤(5)，否则调整设定的位保时间，并重复步骤(3)，直到推力F的方向满足矢量调整范围，进入步骤(5)；

(5)根据电推力器在星本体中的安装参数及卫星质心位置，确定推力F的作用力臂，计算卫星上满足推力F的电推力器(NE/SE/SW/NW)所提供的三轴力矩大小与方向；

(6)判断步骤(5)中电推力器所提供的三轴力矩方向是否满足动量轮卸载所需力矩的方向(动量轮卸载所需要的力矩方向是系统根据当前动量轮的动量积累情况确定的)，若满足，则进入步骤(9)，若不满足，则延长或缩短位保时间，重复步骤(3)-(6)，若通过N次延长或缩短位保时间，三轴力矩方向仍不能满足动量轮卸载所需力矩方向，则进入步骤(7)；

(7)以ΔF_x、ΔF_y为固定步长，按照增大或者减少的方式对F_x和F_y进行调整(四种组合方式，①增大F_y、增大F_x；②增大F_y、减小F_x；③减小F_y，增大F_x；④减小F_y,减小F_x)，以及计算根据F_x、F_y、F_z矢量合成电推力器额定推力F的方向，并判断计算推力F是否在电推力器矢量调整范围内，若在，则停止增大或减少F_x和F_y，并计算三轴力矩大小与方向，并进入步骤(8)；若采用上述四种组合方法经过N次调整，推理F仍不在范围内，则放弃通过增大或者减少F_x和F_y的调整方式，以待调整的结果进入步骤(10)；

(8)判断步骤(7)计算的三轴力矩方向是否满足动量轮卸载所需力矩方向，若满足，则进入步骤(9)；否则重复步骤(7)-(8)，若通过N次增大或者减少F_x和F_y的调整，三轴力矩方向仍不能满足要求，则利用N-1次求得的三轴力矩作为最终力矩结果，并进入步骤(10)；

(9)对F_z进行优化，使得F_z更小；

优化的具体方式如下：

(9a)设定步长其中 $\mathrm{\Δ}{F}_x^1\≤\mathrm{\Δ}{F}_x,\mathrm{\Δ}{F}_y^1\≤\mathrm{\Δ}{F}_y;$

(9b)以为固定步长，按照增大或者减少的方式对F_x和F_y进行调整，依次计算(四种组合方式，①增大F_y、增大F_x；②增大F_y、减小F_x；③减小F_y，增大F_x；④减小F_y,减小F_x)、

(9c)将与当前优化结果F_z进行比较，若F_z大于则判断推力F是否在电推力器矢量调整范围内以及三轴力矩方向是否满足要求，若满足要求，则将(F_z更新为)作为优化结果，并继续以步骤(9b)的方式优化计算；若推力F不在电推力器矢量调整范围内，或三轴力矩方向不满足要求，则优化结束，并以前一次优化结果得到的作为最终F_z的取值，进入步骤(11)

(10)判断动量轮的角动量是否可以进一步积累(所述的积累指：比如角动量是正值，是否仍然能够往正向进行积累)，若是则只是进行位置保持控制，不进行动量轮卸载；否则进行动量轮卸载，不进行位保，并进入步骤(12)；

(11)按照最终优化的结果，执行联合控制(即按当前的推力方向及位保时间进行位保持及动量轮卸载联合控制)；

(12)结束。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于电推力器进行位保及动量轮卸载的联合控制方法，其特征在于步骤如下：

(1)计算卫星东西位保控制量和南北位保控制量，并将东西位保控制量和南北位保控制量进行平均分配，分别作为同一轨道周期的升交点处的联合控制量和降交点处的联合控制量；

(2)根据系统需求，设定位保时间；

(3)由升交点或降交点的东西位保与南北位保控制量lew和lsn，分别计算出卫星本体坐标系下所需要的推力分量和并根据电推力器额定推力F的大小确定

(4)根据F_x、F_y、F_z的矢量方向，合成电推力器额定推力F的方向，并判断计算推力F是否在电推力器矢量调整范围内，若在，进入步骤(5)，否则调整设定的位保时间，并重复步骤(3)，直到推力F的方向满足矢量调整范围，进入步骤(5)；

(5)根据电推力器在星本体中的安装参数及卫星质心位置，确定推力F的作用力臂，计算卫星上满足推力F的电推力器所提供的三轴力矩大小与方向；

(6)判断步骤(5)中电推力器所提供的三轴力矩方向是否满足动量轮卸载所需力矩的方向，若满足，则进入步骤(9)，若不满足，则延长或缩短位保时间，重复步骤(3)-(6)，若通过N次延长或缩短位保时间，三轴力矩方向仍不能满足动量轮卸载所需力矩方向，则进入步骤(7)；

(7)以ΔF_x、ΔF_y为固定步长，按照增大或者减少的方式对F_x和F_y进行调整，以及计算根据F_x、F_y、F_z矢量合成电推力器额定推力F的方向，并判断计算推力F是否在电推力器矢量调整范围内，若在，则停止增大或减少F_x和F_y，并计算三轴力矩大小与方向，并进入步骤(8)；若经过N次调整不在范围内，则放弃调整，以待调整的结果进入步骤(10)；

(8)判断步骤(7)计算的三轴力矩方向是否满足动量轮卸载所需力矩方向，若满足，则进入步骤(9)；否则重复步骤(7)-(8)，若通过N次增大或者减少F_x和F_y的调整，三轴力矩方向仍不能满足要求，则利用N-1次求得的三轴力矩作为最终力矩结果，并进入步骤(10)；

(9)对F_z进行优化，使得F_z更小；

优化的具体方式如下：

(9a)设定步长其中

(9b)以为固定步长，按照增大或者减少的方式对F_x和F_y进行调整，依次计算

(9c)将与当前优化结果F_z进行比较，若F_z大于则判断推力F是否在电推力器矢量调整范围内以及三轴力矩方向是否满足要求，若满足要求，则将作为优化结果，并继续以步骤(9b)的方式优化计算；若推力F不在电推力器矢量调整范围内，或三轴力矩方向不满足要求，则优化结束，并以前一次优化结果得到的作为最终F_z的取值，进入步骤(11)；

(10)判断动量轮的角动量是否可以进一步积累，若是则只是进行位置保持控制，不进行动量轮卸载；否则进行动量轮卸载，不进行位保，并进入步骤(12)；

(11)按照最终优化的结果，执行联合控制；

(12)结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于电推力器进行位保及动量轮卸载的联合控制方法，其特征在于在：所述步骤(1)中计算东西或南北位保控制量I的方式如下：

其中，m表示卫星质量，分别表示实施位保前卫星所处位置和位保后卫星所处位置的速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于电推力器进行位保及动量轮卸载的联合控制方法，其特征在于在：所述步骤(7)中按照增大或者减少的方式对F_x和F_y进行调整的方式有四种组合：1、增大F_y、增大F_x；2、增大F_y、减小F_x；3、减小F_y，增大F_x；4、减小F_y,减小F_x