CN107193290A - 基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，该方法主要通过三级编队控制过程：第一级编队控制以星间基线为被控对象，选用推力器作为执行结构，消除初始偏差，控制精度达m级；第二级编队控制以星间基线为被控对象，采用二级气动板进行控制，消除大气摄动，控制精度达dm级；第三级编队控制采用线动量交换装置进行控制，消除引力摄动，控制精度达mm级，实现卫星编队有效载荷相对位置的精密控制。本发明的控制精度高，工程可实现性强，可节省燃料消耗，且控制针对性高。
Description
技术领域
本发明涉及编队卫星领域，特别涉及一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法。
背景技术
随着德国TanDEM-X编队任务、瑞典Prisma编队任务在轨成功应用以及TanDEM-L编队任务的论证开展，可以看出：
(1)编队卫星协同工作体制在全球立体测绘、动目标监测以及天文观测等方面具有广泛良好的应用前景与需求；
(2)编队卫星系统体系与多波段、多孔径以及不同轨道高度的组合搭配将建设成为类似GPS、BD-2导航系统一样的大系统。
因此，随着编队卫星应用需求多样化以及工作状态复杂化，相应的编队卫星有效载荷之间相对位置mm级精密保持需求日益迫切。
目前，现有编队卫星相对位置保持方案采用“GNSS接收机(相对测量敏感器)+小推力推进装置”方式，存在以下局限性：
(1)编队卫星相对位置保持精度不足；
现有控制方案编队卫星相对控制精度最高达到10m量级，与mm级精度精密编队要求存在较大差异。
(2)现有方案提升潜力不足；
在现有方案基础上通过提升相对测量敏感器精度以及选用微推进的方式确实能够一定程度的提升编队卫星相对位置控制精度(由10m量级提升到m级)，但是要想实现mm级精度精密编队，将会对卫星平台在推进装置安装精度、卫星平台姿态控制精度、推进装置开关特性以及星间面质比差异等指标提出高出现有能力2～3个数量级要求，工程可实现性不足，即使卫星平台能够实现前述指标也会带来编队控制时间大幅提升、燃料消耗巨大以及有效载荷工作效率严重下降等局限性。
(3)控制针对性不足；
现有方案以星间基线(即编队卫星质心之间相对位置)为控制对象，实际上用户需要的是载荷基线(即有效载荷中心之间的相对位置)；由于目前编队控制精度达到米级，这两种相对位置之间的差异作为小量被忽略。但是精密编队需求条件下这两种相对位置之间的差异变得不可忽略。因此，现有编队控制方案以及提升方案控制的针对性不足。
针对现有技术存在的不足，需要提供一种能够实现在轨复杂编队任务以及空间摄动条件下的星间有效载荷相对位置精确保持。
且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。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，采用一种线动量交换装置，通过三级编队控制后，不仅能实现有效载荷之间相对位置的mm级精度，还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。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，该方法包含：
第一级编队控制：选用推力器进行控制，使双星在轨道面内相对位置的控制精度达到m级；
第二级编队控制：采用面质比差值辨识与气动板相结合进行控制，使双星在轨道面内相对位置的控制精度达到dm级；
第三级编队控制：通过线动量交换装置进行控制，使有效载荷相对位置的控制精度达到mm级。
优选地，所述第一级编队控制的步骤为：
S1：利用载波相位差分GNSS接收机输出的测量基线，通过EKF滤波算法，完成星间状态第一级相对导航；
S2：根据所述星间状态第一级相对导航，以星间基线为被控对象，选用推力器作为执行机构，消除初始偏差。
优选地，所述步骤S2的操作为：依据所述星间状态第一级相对导航，以星间基线为被控对象，得到实际星间基线；根据目标星间基线，得出星间基线误差；依据控制策略，选用mN量级冷气推力器作为执行机构，推力器依据输入的推力器指令相应进行执行，得到实际作用推力；根据轨道动力学得出轨道状态。
优选地，所述控制策略依据线动量交换装置的极性进行调节。
优选地，所述第二级编队控制的步骤为：
S3：依据星间状态第一级相对导航结果，实时动态辨识星间面质比差异，通过连续的反馈控制方式驱动气动板转动，改变辅星迎风面积，减少星间面质比差异，消除大气摄动对相对位置的影响。
优选地，所述步骤S3的具体操作为：依据星间第一级相对导航结果，以星间基线作为被控对象，得到实际星间基线，再根据目标星间基线，得出星间基线误差；实时动态辨识星间面质比差异，得到面质比误差，根据星体动力学，采用气动板，气动板依据输入的指令，相应地进行执行，得出气动板转角误差；再根据轨道动力学，并考虑大气阻力误差因素，得出轨道状态。
优选地，所述第三级编队控制的步骤为：
S4：利用激光导航敏感器输出的载荷基线，通过EKF滤波算法，完成星间状态第二级相对导航；
S5：依据星间状态第二级相对导航，以载荷基线为被控对象，采用基于精密相对运动学的预测控制方式，利用线动量交换方式控制有效载荷的相对位置，吸收轨道自然摄动影响。
优选地，所述步骤S5的操作为：依据星间状态第二级相对导航，以载荷基线为被控对象，得到实际载荷基线；根据目标载荷基线，得出载荷基线误差；依据星体动力学空间几何关系来确定线动量交换装置位置；依据通过轨道摄动分析得到的控制算法，通过输入机构指令，线动量交换装置相应地进行执行；再依据轨道动力学，得出轨道状态。
优选地，所述激光导航敏感器安装在所述线动量交换装置上；所述激光导航敏感器以载荷基线为测量对象，并为第三级编队控制方提供前提输入。
优选地，所述线动量交换装置是3自由度平动结构，其负载为有效载荷；所述线动量交换装置是位置可移动的机械机构，其位置由星上指令确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)工程可实现性强：在现有方案通过提升相对测量敏感器精度以及选用微推进的方式的提升方案，将会对卫星平台在推进装置安装精度、卫星平台姿态控制精度、推进装置开关特性以及星间面质比差异等指标提出高出现有能力2～3个数量级要求，工程可实现性不足。本发明将mm级精密编队控制精度指标要求分解并采用逐级控制逐步实现方式，方法条理清晰，目的明确，避免控制精度提升对传统单纯推力控制方案的巨大压力，工程可实现性强。
(2)节省燃料消耗：现有方案以及常规提升方案采用基于推力器的控制方式，即使不考虑卫星平台工程可实现约束，由于控制精度大幅提升也必然导致编队控制时间大幅提升、燃料消耗巨大以及有效载荷工作效率严重下降等局限性，本技术细化控制层级，不再是单级控制，采用推力器、驱动气动板以及线动量交换装置相结合方式，其中气动板利用自然摄动被动控制星间相对关系，借鉴飞轮通过角动量交换控制卫星姿态原理，线动量交换装置控制有效载荷位置，由于电机驱动不消耗燃料，极大节省燃料消耗。
(3)控制针对性高：现有方法以及常规提升方案以卫星质心星间基线(编队卫星质心之间相对位置)为控制对象，调整星间基线状态，实际上用户需要的是载荷基线(有效载荷中心之间的相对位置)；由于精密编队对控制精度的需求大幅提升，星间基线与有效基线之间的差异变得不可忽略。显然，本发明更贴近用户需求，控制针对性高。
附图说明
图1为本发明的星间基线与载荷基线示意图；
图2为本发明的精密卫星编队有效载荷相对位置控制过程示意图；
图3为本发明的第一级精密编队控制流程示意图；
图4为本发明的第二级精密编队控制流程示意图；
图5为本发明的第三级精密编队控制流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，为使本发明更明显易懂，以下结合附图与具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，测量基线是安装在卫星星体上的载波相位差分GNSS接收机输出的相对数据；星间基线是指编队卫星质心O1和O2之间相对位置；载荷基线是指有效载荷SAR的中心之间的相对位置。
如图2所示，本发明的方法包含第一级编队控制、第二级编队控制和第三级编队控制，具体如下：
(一)第一级编队控制：其主要是通过推力器控制，来消除初始偏差，控制精度达到m级。
如图3所示，其具体步骤如下：
S1：利用安装在卫星星体上的载波相位差分相对测量敏感器(GNSS接收机)输出的测量基线，通过EKF滤波算法，完成星间状态第一级相对导航。
S2：依据星间状态第一级相对导航，以星间基线作为被控对象，得到实际星间基线；再根据目标星间基线，得出星间基线误差。根据控制策略，选用mN量级冷气推力器作为执行机构，其中，该控制策略可依据线动量交换机构极性进行调节。依据输入的推力器指令，推力器相应进行执行，得到实际作用推力；再根据轨道动力学，得出轨道状态。
第一级编队控制过程，消除了初始偏差，可使双星在轨道面内的位置的控制精度达到m级。
(二)第二级编队控制：其主要是通过气动板控制，消除大气摄动，使控制精度达到dm级。考虑到由于星间面质比差异条件下的大气阻力影响，所以采用“在轨面质比差值辨识+气动板控制”相结合的第二级编队控制方法。
如图4所示，其具体步骤如下：
S3：依据星间第一级相对导航结果，以星间基线作为被控对象，得到实际星间基线；再根据目标星间基线，得出星间基线误差。实时动态辨识星间面质比差异，得到面质比误差。根据星体动力学，采用气动板，气动板依据输入的指令相应地进行执行，可得出气动板转角误差。再根据轨道动力学，并考虑大气阻力误差因素，得出对应的轨道状态。
第二级编队控制是通过连续的反馈控制方式，驱动气动板转动，改变辅星迎风面积，减少星间面质比差异，同时使得气动板转角误差逐渐减小，进而消除大气摄动对相对位置的影响，且可以节省燃料消耗。
第二级编队控制过程，可使双星在轨道面内的位置的控制精度达到dm级。
(三)第三级编队控制：其通过线动量交换机构控制，抵消引力摄动，使控制精度达到mm级。线动量交换装置是一种3自由度平动机构，负载为有效载荷。其中，激光导航敏感器安装在线动量交换装置，该激光导航敏感器以载荷基线为测量对象，为第三级编队控制方提供前提输入。
如图5所示，其具体步骤如下：
S4：利用安装在线动量交换装置上的激光导航敏感器输出的载荷基线，通过EKF滤波算法，完成星间状态第二级相对导航。
S5：依据星间状态第二级相对导航，以载荷基线为被控对象，得到实际载荷基线，再根据目标载荷基线，得出载荷基线误差；依据星体动力学空间几何关系，来确定线动量交换装置位置。依据控制算法(该控制算法需要参照轨道摄动分析)，通过输入机构指令，线动量交换装置相应地进行执行；再依据轨道动力学，得出轨道状态。
第三级编队控制通过采用基于精密相对运动学的预测控制方式，利用线动量交换方式精确控制有效载荷的相对位置。
第三级编队控制过程，可以吸收轨道自然摄动影响，使有效载荷之间相对位置的控制精度达到mm级。所以最终实现精密编队控制，提升编队控制针对性，同时节省燃料消耗。
其中，线动量交换装置能够根据星上指令实现驱动有效载荷三维mm量级精度位置移动。线动量交换装置为机械机构，具备移动精度高、重复精度高、刚性高以及技术可实现度高等优点。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，其特征在于，该方法包含：
第一级编队控制：选用推力器进行控制，使双星在轨道面内相对位置的控制精度达到m级；
第二级编队控制：采用面质比差值辨识与气动板相结合进行控制，使双星在轨道面内相对位置的控制精度达到dm级；
第三级编队控制：通过线动量交换装置进行控制，使有效载荷相对位置的控制精度达到mm级。
2.如权利要求1所述的一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，其特征在于，
所述第一级编队控制的步骤为：
S1：利用载波相位差分GNSS接收机输出的测量基线，通过EKF滤波算法，完成星间状态第一级相对导航；
S2：根据所述星间状态第一级相对导航，以星间基线为被控对象，选用推力器作为执行机构，消除初始偏差。
3.如权利要求2所述的一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，其特征在于，
所述步骤S2的操作为：
依据所述星间状态第一级相对导航，以星间基线为被控对象，得到实际星间基线；根据目标星间基线，得出星间基线误差；依据控制策略，选用mN量级冷气推力器作为执行机构，推力器依据输入的推力器指令相应进行执行，得到实际作用推力；根据轨道动力学得出轨道状态。
4.如权利要求3所述的一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，其特征在于，
所述控制策略依据线动量交换装置的极性进行调节。
5.如权利要求2所述的一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，其特征在于，
所述第二级编队控制的步骤为：
S3：依据星间状态第一级相对导航结果，实时动态辨识星间面质比差异，通过连续的反馈控制方式驱动气动板转动，改变辅星迎风面积，减少星间面质比差异，消除大气摄动对相对位置的影响。
6.如权利要求5所述的一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，其特征在于，
所述步骤S3的具体操作为：
依据星间第一级相对导航结果，以星间基线作为被控对象，得到实际星间基线，再根据目标星间基线，得出星间基线误差；实时动态辨识星间面质比差异，得到面质比误差，根据星体动力学，采用气动板，气动板依据输入的指令，相应地进行执行，得出气动板转角误差；再根据轨道动力学，并考虑大气阻力误差因素，得出轨道状态。
7.如权利要求1所述的一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，其特征在于，
所述第三级编队控制的步骤为：
S4：利用激光导航敏感器输出的载荷基线，通过EKF滤波算法，完成星间状态第二级相对导航；
S5：依据星间状态第二级相对导航，以载荷基线为被控对象，采用基于精密相对运动学的预测控制方式，利用线动量交换方式控制有效载荷的相对位置，吸收轨道自然摄动影响。
8.如权利要求7所述的一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，其特征在于，
所述步骤S5的操作为：
依据星间状态第二级相对导航，以载荷基线为被控对象，得到实际载荷基线；根据目标载荷基线，得出载荷基线误差；依据星体动力学空间几何关系来确定线动量交换装置位置；依据通过轨道摄动分析得到的控制算法，通过输入机构指令，线动量交换装置相应地进行执行；再依据轨道动力学，得出轨道状态。
9.如权利要求8所述的一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，其特征在于，
所述激光导航敏感器安装在所述线动量交换装置上；
所述激光导航敏感器以载荷基线为测量对象，并为第三级编队控制方提供前提输入。
10.如权利要求1所述的一种基于线动量交换的卫星编队有效载荷相对位置控制方法，其特征在于，
所述线动量交换装置是3自由度平动结构，其负载为有效载荷；
所述线动量交换装置是位置可移动的机械机构，其位置由星上指令确定。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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