CN107153423B - 内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统及方法，控制系统包括芯片星、柔性可驱动材料制成的柔性杆件以及外力矩产生器；外力矩产生器和柔性杆件连接后，通过柔性杆件连接到芯片星主体上，将柔性杆件与外力矩产生器结合共同合作用于芯片星姿态轨道控制，通过两种方式的协作，实现芯片星的姿态轨道调节，将两种不同的调姿机构串联，通过两种方式的协作，实现芯片星的姿态轨道调节，可以更加高效的利用外力矩对芯片星姿态进行，并在任何时刻都保有姿态调节的能力，减小芯片星自身能量的消耗，精简姿态轨道控制系统的结构布局，简化控制理论，提高调姿效率。
Description
技术领域
本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统及方法。
背景技术
芯片星作为微小型卫星的一种，一经提出，就受到了航天业界的广受关注。得益于芯片技术的发展，一些以往只有大型航天器才能执行的任务，现在只需一颗或几颗小巧的芯片星即可替代；而且相对于传统的大型航天器而言，芯片星在制造和发射成本上有着极大的优势。由于自身大小和质量的限制，传统的姿态确定和调节方式(如动量轮等)在芯片星上无法应用或者要受到相当大的限制。
目前，针对芯片星的姿态调节问题，有着外部环境力矩和内力矩两种不同的方式，都有着一定程度的比较成熟的研究。
外界环境力矩作用的姿态轨道调整方式中，已知的已有外部环境力矩来源有太阳帆、电动力绳等；即分别为利用太阳光压力和星球磁场力矩对芯片星姿态轨道进行调节。具体的实施方式和力矩来源则为在芯片星表面贴附的太阳帆面板以及外延的电动力绳。针对芯片星的姿态轨道调节问题，外界环境力矩作用是一种比较有效的调节方式，但也存在着诸多缺点。一方面，外界环境力矩产生器的工作方式受其布局影响较大。以电动力绳为例，要想避免出现可能的奇异性，保证芯片星在5个自由度上的姿态调整能力，需要8根电动力绳的合理布局才能予以基本的保证，而过多的电动力绳外延无疑会加大芯片星的质量负载和空间占用，而且会影响卫星上其他部件的结构布局。太阳帆板也是如此，在芯片星表面上的多处且多块粘附的太阳帆板无疑会占用大量的表面空间，影响诸多部件尤其是太阳能电池板的布局，从而对卫星续航能力带来严重的影响。另一方面，外界环境力矩的产生还会受到外界环境的影响。其中，太阳帆板，顾名思义，明显要受太阳光照条件的限制，当不能受到太阳光照或者太阳光照入射角太差时，都无法产生良好的力矩以对卫星姿态轨道进行调节。而电动力绳要同时受到星球磁场和电离层的双重限制，如果没有合适的电离层来收集电荷，则电动力绳将缺乏流通的电荷而无法提供力矩，而当电动力绳布局同磁场平行时，同样无法产生力矩以供姿态轨道调节。综上所诉，运用外界环境力作用对芯片星进行姿态轨道调整的方式对卫星构型、工作空间、调节时间和位置有着颇为苛刻的要求，受环境(电离层、磁场、太阳光照等)因素影响大、亦会受初始状态条件限制较大，极有可能出现在需要进行姿态调整时无法第一时间响应甚至无法响应的现象。
内力矩作用的姿态轨道调整方式中，目前针对相对大一些的微星、立方星等芯片星也有了一些利用卫星自身构件作为配重的姿态调整方式的研究。芯片星的内力矩姿态轨道控制，主要是基于动量矩守恒定理，通过改变卫星主体和附件的相对结构位置，来调整卫星的姿态轨道。相对于外力矩而言，内力矩姿态轨道控制方式有着不受外界环境影响的优点，然而，内力矩姿态轨道调整方式同样有着一些自身难以避免的缺陷。一方面，内力矩姿态调整方式则受限于自身能量储备限制，而芯片星自身携带能量往往十分有限，且在轨期间可能难以获得良好的再充能环境，因此使用内力矩对芯片星调整姿态的次数和幅度可能无法满足需求，而且会大大减少卫星的工作寿命。另一方面，基于角动量的内力矩姿态轨道调节过程中，对卫星主体的姿态调节必然伴随着卫星相对结构的变化，而受限于卫星结构变化的范围限制，卫星主体姿态调节空间往往有限；此外要想保证卫星的各个部件都保持在应处的合理姿态布局十分困难，需要进行复杂而繁琐的控制与优化。
发明内容
为了克服现有的内力矩与外力姿态调整方式各自的不足,本发明提出一种内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统及方法，结合了两种调节方式，有效的发挥两种调节方式的优点，弥补各自的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统，包括芯片星、柔性可驱动材料制成的柔性杆件以及外力矩产生器；外力矩产生器和柔性杆件连接后，通过柔性杆件连接到芯片星主体上，将柔性杆件与外力矩产生器结合共同合作用于芯片星姿态轨道控制，通过两种方式的协作，实现芯片星的姿态轨道调节。
进一步，外力矩产生器由电动力绳和电荷收集器连接组成或者由太阳帆板构成。
进一步，所述柔性杆件由智能压电材料制成。
内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制方法，柔性杆件作为内力矩来源，外力矩产生器提供外力矩，通过两种方式的协作，实现芯片星的姿态轨道调节。
进一步，根据时间上的先后或者一致性，可分为串联式或者并联式两种调节方法：
串联式姿态调节：
内力矩和外力矩的作用先后进行，而非同时发挥作用，以内力矩作为芯片星姿态的调整方式，外力矩用于还原或预置芯片星的几何构型，从而在整体不改变卫星几何构型的前提下，对芯片星姿态进行迅速调整；
并联式姿态调节：
内力矩和外力矩同时作用于芯片星，适用于存在姿态调整需求时外界环境满足外力矩工作需求的情况。
本发明的内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统及方法，将可驱动材料同目前常见的芯片星外力姿态轨道调整方式结合起来，共同合作用于芯片星姿态轨道控制。在结构上，将两种不同的调姿机构串联；在操作中，可以根据不同的实际情况，将两种调姿方式串联或并联使用。通过两种方式的协作，实现芯片星的姿态轨道调节，可以更加高效的利用外力矩对芯片星姿态进行，并在任何时刻都保有姿态调节的能力，减小芯片星自身能量的消耗，精简姿态轨道控制系统的结构布局，简化控制理论，提高调姿效率。
附图说明
图1是基于地磁场外力矩的内外动力协作姿态调整系统结构示意图；
图2是基于太阳光压的内外动力协作姿态调整系统结构示意图；
图3是本发明协作姿态调整系统的几种工作方式的简易流程图；
图3(a)是本发明串联式姿态调节方式实施例一流程图；
图3(b)是本发明串联式姿态调节方式实施例二流程图；
图3(c)是本发明并联式姿态调节方式实施例流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
首先请参阅图1和图2，分别为基于地磁场和太阳光压产生的外力矩的内外动力协作姿态调整系统结构示意图。
本发明的内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统包括基础的芯片星1或芯片卫星、柔性可驱动(自驱动)材料构成的柔性杆件2，以及外力矩产生器，外力矩产生器和柔性杆件组成串联结构，通过柔性杆件2连接到芯片星1主体上，图1和图2中只是简单的进行了布局展示，实际的具体布置数量和布局方针应根据实际需求进行优化计算确定，一般情况下，得益于用于连接的柔性杆件的可弯曲性，外力矩发生装置的姿态可以自由的进行调整，因此需要布置的数量可以相当程度的进行削减，而且其布局方针也有着更高的自由度。
外力矩产生器包括图1中的电动力绳3和电荷收集器4以及图2中的太阳帆板5也包括其他的可能外力矩产出装置。
在操作中，除去原本已有的仅有单一内力矩或单一外力矩的调整方式以外，芯片星的姿态轨道调节一般可由柔性杆件的内力矩产生装置以及电动力绳、太阳帆板等外力矩产生器协作完成。
根据时间上的先后或者一致性，系统工作方式可分为串联式或者并联式两种情况：
串联式姿态调节
串联式的工作方式，即内力矩和外力矩的作用时间存在一定的先后顺序，而非同时发挥作用，该类方式适用于需要进行姿态调整的外界空间环境无法满足外力矩工作空间需求的情况。例如，当前面临姿态调整需求，而电离层或太阳光照不能满足外力矩工作需求时，我们可以先利用内力矩，通过改变卫星部件相对主体的结构构型，来实现卫星姿态的调节，随后在适合的工作空间中，再利用外力矩还原芯片星的几何构型，如图3(a)所示。抑或者颠倒两者的顺序，如果当前工作空间适于外力矩工作，且已知未来指定时刻或位置的姿态轨道调节需求，但还要保持当前卫星姿态轨道的稳定，这时我们可以在保证芯片星工作主体姿态不变的前提下，先利用外力矩将芯片星的附件相对主体的几何构型改变为合适的结构，而到达需要对芯片星姿态进行调整时，再利用内力矩还原卫星整体的几何构型，调整卫星主体的姿态，即如图3(b)所示。
该类串联的工作方式一般以内力矩作为卫星姿态的调整方式，外力矩则用于还原或预置芯片星的几何构型，从而在整体不改变卫星几何构型的前提下，对其姿态进行迅速有效的调整。
在动力学建模和控制上，内力矩部分无需考虑结构构型的还原与保持问题，外力矩部分则只需要考虑结构构型的还原与保持问题，因此虽然需要同时对内力矩和外力矩部分进行动力学分析，但得益于两者的任务目标和约束条件都有着大幅度的简化，相应的动力学与控制模型实际上是简化了的。此外，由于进行姿态调整的工作空间不再受限于电离层或者太阳照射的限制，而内力矩调节的结构变化的范围限制则可以由外力矩消除，因此，调整姿态的工作空间和可达域都可以得到大幅度的提升。
2、并联式姿态调节
并联式的工作方式，即内力矩和外力矩同时作用于芯片星的姿态调节问题上，适用于存在姿态调整需求时外界环境满足外力矩工作需求的情况。该类工作方式如图3(c)所示，卫星的姿态调节受外力矩和内力矩共同影响作用。其中，由于连接杆件为柔性杆，外力矩在对芯片星的主体进行姿态调整的同时，也会影响卫星的几何构型，因此内力矩通过改变芯片星几何构型对卫星主体的姿态调节过程会受到外力矩的影响。另一方面，内力矩在姿态调节过程中对芯片星几何构型的改变也会造成外力矩发生装置布局的变化，从而影响外力矩的产生。
考虑到上述的关于内外力矩在姿态轨道调整过程复杂的辩证关系，在实际操作与控制过程中，需要对两者的工作权重和控制策略进行综合而全面的考虑。即立足于芯片星几何构型的变化，综合考虑基于动量矩定理的内力矩对几何构型的影响、外力矩作用下柔性杆弯曲对几何构型的影响、几何构型变化对外力矩的影响、外力矩对卫星姿态的影响等多个方面，建立相应的动力学模型。结合外界工作空间(电磁场方向大小、太阳入射方向等)、卫星几何构型变化范围、以及芯片星的整体结构稳定和姿态调整等约束条件。根据最小姿态调节时间或者最小能量消耗等优化性能指标。最后，就上述最优化控制问题进行优化求解。
该类并联式姿态调节方式，通过内力矩和外力矩的协同作用，虽然一定程度上增加了待优化变量，提高了控制的复杂程度，但是同样增加了控制的灵活性，扩大了问题的搜索空间。最关键的是，这种方式可以大幅度的提高姿态调整的效率，增大姿态调整可达空间，并且相对单独使用内力矩的调节方式可以大幅度的减少能量的损耗，是一种高效节能的姿态调节方式。
以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定发明保护范围。
Claims (3)
1.一种内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统，其特征在于：包括芯片星(1)、柔性可驱动材料制成的柔性杆件(2)以及外力矩产生器；
外力矩产生器和柔性杆件(2)连接后，通过柔性杆件(2)连接到芯片星(1)主体上，将柔性杆件(2)与外力矩产生器结合共同合作用于芯片星姿态轨道控制，通过两种方式的协作，实现芯片星的姿态轨道调节；
柔性杆件(2)作为内力矩来源，外力矩产生器提供外力矩，通过两种方式的协作，实现芯片星的姿态轨道调节；
根据时间上的先后或者一致性，分为串联式或者并联式两种调节方法：
串联式姿态调节：
内力矩和外力矩的作用先后进行，而非同时发挥作用，以内力矩作为芯片星姿态的调整方式，外力矩用于还原或预置芯片星的几何构型，从而在整体不改变卫星几何构型的前提下，对芯片星姿态进行迅速调整；
并联式姿态调节：
内力矩和外力矩同时作用于芯片星(1)，适用于存在姿态调整需求时外界环境满足外力矩工作需求的情况。
2.根据权利要求1所述的内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统，其特征在于：外力矩产生器由电动力绳(3)和电荷收集器(4)连接组成或者由太阳帆板(5)构成。
3.根据权利要求1所述的内外动力混合作用的芯片星姿态轨道控制系统，其特征在于：所述柔性杆件(2)由智能压电材料制成。
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