CN107832487A - 在轨卫星推力器点火期间异常情况实时发现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在轨卫星推力器点火期间异常情况实时发现方法，该方法利用在轨卫星历史遥测数据建立温度相对差模型，通过卫星实时遥测数据驱动和判别，可以实现推力器点火过程的实时、自动化、精确化监测。具体步骤包括：首先确定卫星是否处于位置保持工况，并确定当前位置保持工况所使用的两个推力器，然后建立温度相对差模型建立并设置报警门限，最后利用实时在轨遥测数据的温度相对差模型得到的数据与设定的报警门限实时比对，超限门限进行实时报警。该方法利用相对差模型得到的在轨监测门限能够实时的发现推力器在轨异常，为异常的应急处理争取宝贵时间，为卫星的长期在轨稳定运行提供可靠保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种异常工况实时发现方法，具体涉及一种推力器点火期间异常情况实时发现方法。
背景技术
目前，我国高轨道卫星推进系统均采用双组元统一推进系统，10N推力器是推进系统中提供推力的唯一执行机构，其工作正常与否直接决定了卫星轨道控制的成败和卫星在轨使用寿命。我国高轨道卫星在同步轨道阶段10N推力器的使用仅体现在两个方面：(1)位置保持(2)动量轮卸载。其它时间10N推力器不参与工作，由于不工作，10N推力器在轨的性能和状态无法进行监测。同时动量轮卸载过程中，10N推力器仅打几个小脉冲，在轨的状态同样无法监视。综上，10N推力器仅在位置保持过程中点火打多个脉冲时，可以通过相关的遥测参数及方法进行实时有效的监视10N推力器在轨运行状态。
现今高轨卫星在轨管理工作中主要通过两种手段开展对10N推力器的状态监测：(1)点火过程中通过卫星姿态角变化进行监测；(2)通过位置保持控制后的测轨结果进行评估。
上述两种手段存在不足：(1)一般地，位置保持过程中卫星所使用的成对10N推力器的推力存在差异，安装角度也存在偏差，推力器正常情况下采用成对推力器点火同样会引起姿态波动，并且在推力器点火过程中如果卫星动量装置参与姿态控制，则推力器喷气产生的干扰力矩会逐渐被动量装置吸收，10N推力器异常工况无法完全反映到姿态波动上，因此采用姿态角变化监测方法无法发现推力器的异常工况。(2)采用位置保持控制后的测轨结果评估虽然能够发现10N推力器的异常情况，但缺乏实时性。若两个成对点火的推力器有一个出现性能下降或失效，位置保持推力器点火过程中由于推力出现偏差，持续点火会引起姿态超调，若不能实时发现推力器异常，紧急停止推力器点火，卫星姿态有可能发生翻转，影响有效载荷的使用。同时，卫星姿态出现超差，推力器点火增多导致卫星燃料的消耗增加，进而影响卫星使用寿命。因此，急需寻找一种方法解决10N推力器点火期间异常情况发现不及时的难题。
10N推力器的温度是唯一可以实时全面表征推力器工作正常与否的重要参数。无论是贮箱问题，还是10N推力器自身问题，甚至是电磁阀管路问题，其直接表现均为推力不稳定或推力减小，最终均能通过10N推力器温度表征。此外，10N推力器温度变化趋势也是反映推进剂是否排空或变为单组元的直接判据，是监测管理寿命末期卫星的重要依据。但现今仍依靠人工对10N推力器温度趋势进行判读，这种判读方式存在以下问题：首先，面对上百颗在轨卫星的局面，依靠人工不可能完成实时判读；其次，趋势判读结论严重依赖在轨监测人员经验，不利于早期发现10N推力器的故障或性能下降。因此，寻找一种10N推力器点火期间异常实时发现方法，对10N推力器工作异常的及时发现及应急处理具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种在轨卫星推力器点火期间异常情况实时发现方法，能够快速、有效地发现在轨卫星在位置保持时推力器点火期间出现的异常情况，其结果可用于在轨卫星推力器点火过程中的状态监测和点火异常的早期发现。
在轨卫星在位置保持过程中采用成对推力器点火，且推力器采用脉宽点火或者连续点火方式；所述的在轨卫星推力器点火期间异常情况实时发现方法的具体步骤为：
步骤一：依据卫星实时遥测数据中的卫星控制模式确定在轨卫星是否处于位置保持工况：若处于位置保持工况，则依据卫星实时遥测数据中的点火方向确定在本次位置保持时所使用的两个成对点火的推力器，并设为推力器A和推力器B；
步骤二：利用推力器A和推力器B点火期间的在轨实时遥测温度数据建立如下温度相对差模型：
其中：T1(ti)表示推力器A在本次位置保持过程中点火期间ti时刻的温度；
T2(ti)表示推力器B在本次位置保持过程中点火期间ti时刻的温度；
Max|T1(tj)-T2(tj)为该卫星以往一次以上使用推力器A和推力器B进行正常位置保持时，推力器A和推力器B点火期间温度的历史遥测数据中，温度差绝对值的最大值；tj表示该温度差绝对值最大值时对应的时刻；
ε(ti)表示在本次位置保持过程中点火期间ti时刻的温度相对差；
步骤三：设置报警门限[ε(tk)，ε(tj)]
其中报警门限上限ε(tj)为：
报警门限下限ε(tk)为：
Min|T1(tk)-T2(tk)为该卫星以往一次以上使用推力器A和推力器B进行正常位置保持时，推力器A和推力器B点火期间温度的历史遥测数据中，温度差绝对值的最小值；tk表示该温度差绝对值最小值对应的时刻；
步骤四：点火期间推力器的在轨异常实时监视
利用在轨实时遥测温度数据通过步骤二中的温度相对差模型得到的ε(ti)与步骤三中设定的报警门限实时比对，当时：
若T1(ti)＜T2(ti)，表明推力器A出现故障，进行实时报警；
若T1(ti)＞T2(ti)，表明推力器B出现故障，进行实时报警。
对步骤三中计算得到的报警门限[ε(tk)，ε(tj)]设置余量ε，则报警门限为[ε(tk)-ε，ε(tj)+ε]。
有益效果：
(1)本发明为解决推力器点火温度精细化监测需求与精确数学模型难以构建之间的矛盾，提出了一种经过充分简化的推力器点火温度相对差模型，并在此基础上构建推力器点火温度相对差的动态报警门限，服务于在轨卫星精细化监测。本发明提出的诊断方法逻辑复杂度适中，计算量适中，便于工程实现。
本发明的方法能够对在轨卫星位置保持过程中的推力器的状态进行实时监测，填补了目前在轨卫星位置保持过程中推力器异常情况无法实时自主发现的空白；得到的结果可用于航天器推力器位置保持点火异常实时发现和预警的研究中，也可应用于性能分析。
(2)本发明的判断结果是基于卫星在轨真实的遥测数据，与数据拟合、物理仿真、测试等数据相比，卫星在轨遥测数据能更真实地反映卫星在轨状态的变化情况。
(3)本发明采用温度相对差方法简单高效，便于工程实现，同时具有一定的普适性。
(4)本发明得到的推力器点火期间异常实时发现报警门限，根据卫星实际的历次点火数据进行迭代，同时经过外扩一定范围后得到动态的报警门限，适用于在轨管理监视工作。
附图说明
图1为本发明的方法的流程图；
图2为实施例中某平台在轨卫星位置保持点火期间10N推力器A的温度曲线；
图3为实施例中某平台在轨卫星位置保持点火期间10N推力器B的温度曲线；
图4为实施例中某平台在轨卫星位置保持点火期间10N推力器A、B的温度差曲线；
图5为实施例中某平台在轨卫星位置保持点火期间10N推力器A、B的温度相对差曲线；
图6为实施例中某平台在轨卫位置保持点火期间10N推力器异常实时发现示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
针对在轨卫星推力器点火异常无法实时发现的难题，本实施例提供一种用在某平台在轨卫星的10N推力器在位置保持点火期间异常情况实时发现方法，该方法利用在轨卫星历史遥测数据建立温度相对差模型，通过卫星实时遥测数据驱动和判别，可以实现推力器点火过程的实时、自动化、精确化监测。
该方法适用于推进系统采用双组元统一推进系统的在轨卫星，位置保持过程中采用成对推力器点火，且推力器采用脉宽点火或者连续点火方式。
具体步骤为：
(1)确定卫星进行位置保持工况和成对点火的两个10N推力器
高轨卫星为了满足定点位置的需求，定期进行位置保持工作，位置保持工况的确定需要考虑卫星控制系统的工作模式、方式以及点火方向，由于推力器的安装布局差别，位置保持过程中所使用的成对点火的10N推力器相应的也有所不同，因此应首先确定在当前操作中所使用的两个成对点火的10N推力器。
根据在轨卫星控制系统的工作模式字ZK1、方式字ZK2以及点火方向ZK3三个在轨遥测参数，可以确定卫星是否处于某种位置保持工况；同时根据卫星10N推力器布局可以确定卫星在本次位置保持时中所使用两个成对点火的10N推力器。
某平台卫星按照计划进行位置保持，位置保持需要在特定的工况下进行，首先读取实时的遥测数据包括：卫星控制模式字和点火方向，该次位置保持的模式字ZK1为2，表示卫星处于位置保持模式；点火方向ZK3为8，表示向东位置保持。根据该卫星10N推力器布局可以确定卫星在本次位置保持时所使用的两个成对点火的10N推力器为推力器A和推力器B。反映10N推力器A和推力器B温度的两个在轨遥测参数分别为T1和T2，推力器A点火期间的温度曲线如图2所示，推力器B点火期间的温度曲线如图3所示，推力器A和推力器B的温度差曲线如图4所示。
(2)相对差模型建立
推力器温度是唯一可以实时全面表征推力器工作正常与否的重要参数，故利用两个成对10N推力器(推力器A和推力器B)点火期间的温度建立如下温度相对差模型：
其中，T1(ti)表示10N推力器A在本次位置保持过程中点火期间ti时刻的温度；
T2(ti)表示10N推力器B在本次位置保持过程中点火期间ti时刻的温度；
Max|T1(tj)-T2(tj)|表示该卫星以往历次位置保持过程中点火期间两个成对推力器A、B温度差绝对值的最大值；tj表示历史温度差绝对值最大值时对应的时刻；
ε(ti)表示在本次位置保持过程中点火期间ti时刻的温度相对差。
在依据成对推力器A、B点火期间温度的历史遥测数据计算以往历次位置保持过程中点火期间两个成对推力器A、B温度差绝对值的最大值时，前提是以往历次利用该推力器进行位置保持结果均达到预期目标，控制过程正常。经过统计得到推力器A、B点火期间温度差绝对值的最大值为30℃。
则推力器A、B在本次位置保持过程中点火期间的温度相对差模型为：
(3)报警门限选取
经过对历史遥测数据的统计计算，得到以往历次位置保持过程中点火期间两个成对推力器A、B温度差绝对值的最小值Min|T1(tk)-T2(tk)|为6℃，
则报警门限的理论上限为：
报警门限的理论下限为：
则在位置保持时两个成对推力器点火期间的理论报警门限[ε(tk)，ε(tj)]为[0.2,1]，为了在实际工程上对10N推力器的在轨状态进行监视，将报警门限外扩0.1作为余量，则报警门限为[ε(tk)-0.1，ε(tj)+0.1]即[0.1,1.1]，如图6所示。
在实际的在轨状态监测中，报警门限并不是固定不变的，而是一个动态迭代的过程，例如本次位置保持结束后，若控制过程和结果均正常，可将本次位置保持的温度相对差作为历史遥测数据，重新定义该报警门限的上下限，从而实现动态的报警门限。
(4)点火期间推力器的在轨异常实时监视
在轨实时监测报警门限确定后，引入温度相对差模型。利用实时在轨遥测数据的相对差模型得到的ε(ti)与步骤(3)中设定的报警门限实时比对，超限门限进行实时报警。当ε(ti)超出报警门限时，表明两个推力器中有一个推力器出现效率下降或失效，在成对点火过程中会持续在一个方向上产生干扰力矩，为了消除干扰力矩，出现问题的推力器会频繁的利用小脉冲来修正卫星姿态，从而导致出现问题的10N推力器温度较低。
当时：
若T1(ti)＜T2(ti)，表明10N推力器A出现故障；
若T1(ti)＞T2(ti)，表明10N推力器B出现故障；
由图6可以看出，本实施例中该平台卫星10N推力器在点火期间超差监测门限，可以判定其中一个成对点火的10N推力器出现效率下降或失效，同时根据报警期间推力器A的工作温度大于推力器B的工作温度，可以确定10N推力器B出现问题。
该方法利用相对差模型得到的在轨监测门限能够实时的发现10N推力器在轨异常，为异常的应急处理争取宝贵时间，为卫星的长期在轨稳定运行提供可靠保障。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.在轨卫星推力器点火期间异常情况实时发现方法，所述在轨卫星在位置保持过程中采用成对推力器点火，且推力器采用脉宽点火或者连续点火方式；其特征在于：
步骤一：依据卫星实时遥测数据中的卫星控制模式确定在轨卫星是否处于位置保持工况：若处于位置保持工况，则依据卫星实时遥测数据中的点火方向确定在本次位置保持时所使用的两个成对点火的推力器，并设为推力器A和推力器B；
步骤二：利用推力器A和推力器B点火期间的在轨实时遥测温度数据建立如下温度相对差模型：
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其中：T1(ti)表示推力器A在本次位置保持过程中点火期间ti时刻的温度；
T2(ti)表示推力器B在本次位置保持过程中点火期间ti时刻的温度；
Max|T1(tj)-T2(tj)为该卫星以往一次以上使用推力器A和推力器B进行正常位置保持时，推力器A和推力器B点火期间温度的历史遥测数据中，温度差绝对值的最大值；tj表示该温度差绝对值最大值时对应的时刻；
ε(ti)表示在本次位置保持过程中点火期间ti时刻的温度相对差；
步骤三：设置报警门限[ε(tk)，ε(tj)]
其中报警门限上限ε(tj)为：
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Min|T1(tk)-T2(tk)为该卫星以往一次以上使用推力器A和推力器B进行正常位置保持时，推力器A和推力器B点火期间温度的历史遥测数据中，温度差绝对值的最小值；tk表示该温度差绝对值最小值对应的时刻；
步骤四：点火期间推力器的在轨异常实时监视
利用在轨实时遥测温度数据通过步骤二中的温度相对差模型得到的ε(ti)与步骤三中设定的报警门限实时比对，当ε(tj)]时：
若T1(ti)＜T2(ti)，表明推力器A出现故障，进行实时报警；
若T1(ti)＞T2(ti)，表明推力器B出现故障，进行实时报警。
2.如权利要求1所述的在轨卫星推力器点火期间异常情况实时发现方法，其特征在于：对步骤三中计算得到的报警门限[ε(tk)，ε(tj)]设置余量ε，则报警门限为[ε(tk)-ε，ε(tj)+ε]。
3.如权利要求1或2所述的在轨卫星推力器点火期间异常情况实时发现方法，其特征在于：本次位置保持结束后，若控制过程和结果均正常，则在下次使用推力器A和推力器B进行位置保持工况时，将本次位置保持的温度差作为温度的历史遥测数据，重新定义报警门限，实现动态的报警门限。
4.如权利要求3所述的在轨卫星推力器点火期间异常情况实时发现方法，其特征在于:所述余量ε取值为0.1。
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