CN106681138B - 一种编队卫星系统燃料消耗均衡在轨实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种编队卫星系统燃料消耗均衡在轨实现方法，步骤如下：1)第k次编队控制后，计算出该次编队控制燃料消耗量E_k；2)第k次编队控制后，确定2个卫星轨道周期编队控制参数Δl_k确定；3)将编队控制燃料累计消耗量之和SE_k以及该次编队控制残差Δl_k代入公式SE_k≥k₁&&Δl_k≥k₂进行判断；4)若公式成立，星上自主完成主辅星标志切换，先由地面上注指令或星上自主进行主辅星切换控制，使得新主星运行在参考轨道上，然后参数置初始值，接着新的辅星执行编队控制任务，重复步骤1)～3)；若公式不成立，继续由原辅星进行编队控制。该方法工程可实现性强，节省燃料，同时兼顾编队卫星任务需求，能够提升提高卫星自主化水平。

Description

一种编队卫星系统燃料消耗均衡在轨实现方法

技术领域

本发明涉及一种编队卫星系统燃料均衡在轨实现方法。

背景技术

随着卫星技术的不断发展,越来越多的国家和组织都越来越倾向于利用多颗卫星组成编队卫星系统来实现空间任务目标。因此编队卫星系统控制任务越来越复杂，同时也面临着高控制精度、自主化以及长寿命等方面压力。

目前影响卫星寿命的决定性因素主要包括燃料以及电能，其中燃料消耗具有不可逆性。因此，由于编队卫星之间的相对关系需要通过编队控制消耗燃料实现，所以编队任务的顺利开展以及寿命、控制能力不仅取绝对编队控制精度，同时取决于编队卫星系统的燃料均衡管理。目前，编队卫星燃料均衡管理的相关研究成果一般与编队控制路径规划或者优化耦合在一起，同时燃料均衡管理方法多采用建立优化目标函数与复杂算法(如遗传算法、粒子群算法、匈牙利算法)相结合。根据实际在轨编队任务，存在约束条件较理想、算法复杂和缺乏在轨自主可实现性等不足。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种编队卫星燃料均衡管理工程可实现的方法，能够实现星上自主燃料均衡管理。

本发明的技术方案是：一种编队卫星系统燃料均衡在轨实现方法，包括如下步骤：

1)第k次编队控制后，卫星自主根据气瓶和推进剂贮箱内的压力和温度测量数据，利用气体状态方程计算得出推进剂贮箱内氦气体积，再由贮箱总容积和推进剂密度计算出贮箱内推进剂体积和质量，即PVT算法计算得出该次编队控制燃料消耗量E_k，k≥1；

2)第k次编队控制后，根据星载GNSS接收机星间测量数据，利用EKF/UKF滤波算法确定两个卫星轨道周期编队控制参数Δl_k；

3)将编队控制燃料累计消耗量之和SE_k以及该次编队控制残差Δl_k代入下式：

SE_k≥k₁&&Δl_k≥k₂ (1)

其中，k₁、k₂为阈值，k₁由星间面质比差异约束条件确定，k₂由编队控制精度指标确定；SE_k＝E₁+.......+E_k，“&&”为逻辑或关系；

4)若上式(1)成立，则星上自主完成主辅星标志切换，先由地面上注指令或星上自主进行主辅星切换控制，即主星、辅星绝对运行轨道切换控制，使得新主星运行在参考轨道上，然后参数置初始值，即k重新从1开始，SE_k重新从0开始，接着新的辅星执行编队控制任务，重复步骤1)～步骤3)；若上式(1)不成立，继续由原辅星进行编队控制；所述主星为参考星，辅星为跟随星。

本发明采用的方法与现有技术相比：

1、工程可实现性强，节省燃料，同时兼顾编队卫星任务需求。目前现有的编队任务燃料均衡方法仅是为了均衡而均衡，通过每次控制规划使得不同卫星扮演辅星，这样将导致参考轨道的地面轨迹出现跳变，不利于编队任务有效载荷的工作以及任务长期规划；另外，编队任务燃料均衡的根本原因不单纯是影响任务寿命，更重要的是由于燃料不均衡导致星间面质比差异变大，从而使得编队构形不稳定，因此燃料均衡的判断条件应该是依据构形稳定引出阈值判断，而非现在与单次控制相结合的均衡判断。实际上，工程上燃料均衡是存在一定裕度边界的，这样是现有技术的燃料均衡所忽略缺失的地方，因此更加消耗燃料；

2、提高卫星自主化水平卫星自主化运行是未来发展的趋势，能够克服传统的依赖地面系统控制方式需要大量的人力物力,运营成本高,处理故障和突发事件的能力差，不能胜任复杂的控制任务等不足，该方法能够在轨自主运行，是在轨自主精密编队的支撑技术与前提条件。

3、算法可实现、适用和可靠性强编队卫星系统燃料均衡管理全过程清晰，从相关判断量计算到通过主辅星切换控制实现燃料均衡，意义明确，无诸如遗传算法、粒子群算法等复杂算法，能够在轨自主实现；特别的，现有技术手段仅针对控制过程燃料消耗建议约束，本方法不仅考虑燃料消耗，同时考虑编队控制精度，因此当无法预估编队燃料消耗或者预估不准确的情况下，仍能进行燃料均衡管理，方法可靠性和适用性强，保证了编队任务运行的品质。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明涉及的编队卫星系统燃料均衡管理工程化流程图；

图2为本发明涉及的Hill坐标系下编队参数示意图；

图3为本发明涉及的编队卫星系统主辅星切换示意图；

图4为本发明涉及的编队卫星系统全寿命燃料均衡实现过程示意图。

图5为本发明涉及的编队卫星系统燃料均衡管理双层触发条件示意图。

具体实施方式

星间燃料消耗的差异不仅影响编队卫星的寿命，更通过加剧大气阻力的摄动影响从而影响编队构形(编队卫星之间的空间相对关系)的稳定性以及编队控制的精度。因此，编队卫星系统需要进行星间的燃料均衡管理。针对现有技术存在的不足，本发明解决的技术问题是提供一种编队卫星燃料均衡在轨实现的方法，能够实现星上自主燃料均衡管理。

下面进一步对本发明的工作过程，整个方法流程如如图1所示，具体详见以下描述：

步骤1第k次(k≥1)编队控制后，卫星自主根据气瓶和推进剂贮箱内的压力和温度测量数据，利用气体状态方程计算出推进剂贮箱内氦气体积,再由贮箱总容积和推进剂密度计算出贮箱内推进剂体积和质量，即压力—体积—温度(PVT法)计算出该次编队控制燃料消耗量E_k；

其中，PVT法基本原理过程参考《合多种剩余推进剂测量方法的应用研究》。

步骤2第k次(k≥1)编队控制后，根据星载GNSS接收机星间测量数据利用EKF/UKF滤波算法确定运行2个卫星轨道周期编队控制参数Δl_k确定；

其中，为了描述目辅星相对于主星的相对运动，需要定义基于开普勒轨道根数相对轨道根数矢量：

式中，下标1表示主星绝对轨道根数，下标2表示辅星绝对轨道根数。则Δl＝a₁(coti₁Δi_y+Δu)。

步骤3将编队控制燃料累计消耗量之和SE_k以及该次编队控制残差Δl_k代入下式：

SE_k≥k₁&&|Δl_k|≥k₂ (1)

其中，k₁、k₂为阈值，k₁由星间面质比差异约束条件确定，一般在8kg～20kg之间，k₂由编队控制精度指标约束确定，一般在20m～40m之间，具体值需要根据具体卫星状态确定，SE_k＝E₁+.......+E_k，“&&”表示逻辑或关系。

步骤4若上式成立，星上自主完成主辅星(主星为参考星，辅星为跟随星)标志切换，先由地面上注指令或星上自主进行主辅星切换控制(即主星、辅星绝对运行轨道切换控制)，使得新主星运行在参考轨道上，然后参数置初始值(包括k重新从1开始，SE_k重新从0开始)，接着新的辅星执行编队控制任务，重复1～3；若上式不成立，继续由原辅星进行编队控制。

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)

1.一种编队卫星系统燃料均衡在轨实现方法，其特征在于包括如下步骤：

1)第k次编队控制后，卫星自主根据气瓶和推进剂贮箱内的压力和温度测量数据，利用气体状态方程计算得出推进剂贮箱内氦气体积，再由贮箱总容积和推进剂密度计算出贮箱内推进剂体积和质量，即PVT算法计算得出该次编队控制燃料消耗量E_k，k≥1；

2)第k次编队控制后，根据星载GNSS接收机星间测量数据，利用EKF/UKF滤波算法确定两个卫星轨道周期编队控制参数Δl_k；

其中，定义基于开普勒轨道根数相对轨道根数矢量：

式中，下标1表示主星绝对轨道根数，下标2表示辅星绝对轨道根数；则Δl_k＝a₁(coti₁Δi_y+Δu)；

3)将编队控制燃料累计消耗量之和SE_k以及该次编队控制参数Δl_k代入下式：

SE_k≥k₁&&Δl_k≥k₂ (1)

其中，k₁、k₂为阈值，k₁由星间面质比差异约束条件确定，k₂由编队控制精度指标确定；SE_k＝E₁+…….+E_k，“&&”为逻辑或关系；

4)若上式(1)成立，则星上自主完成主辅星标志切换，先由地面上注指令或星上自主进行主辅星切换控制，即主星、辅星绝对运行轨道切换控制，使得新主星运行在参考轨道上，然后参数置初始值，即k重新从1开始，SE_k重新从0开始，接着新的辅星执行编队控制任务，重复步骤1)～步骤3)；若上式(1)不成立，继续由原辅星进行编队控制；所述主星为参考星，辅星为跟随星。