CN108454886B - 一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法 - Google Patents

一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法 Download PDF

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Abstract

一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，涉及航天器电推进技术领域；包括如下步骤：步骤(一)、调节选定电推力器的推力方向指向Z轴正方向；步骤(二)、改变相应动量轮的转速，实现保持卫星姿态不变；步骤(三)、计算得到点火时长t内4个动量轮的角加速度；步骤(四)、计算卫星沿坐标系OXYZ三个方向的角动量变化率；步骤(五)、计算选定的电推力器沿坐标系OXYZ三个方向对卫星产生的力矩；步骤(六)、计算选定电推力器的推力；步骤(七)、计算选定电推力器的平均推力；步骤(八)、重复步骤(一)至步骤(七)，计算所有电推力器的推力；本发明对于数毫牛到数百毫牛的电推进系统推力在轨标定，具有简便、快速、精度高的优点。

Description

一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法
技术领域
本发明涉及一种航天器电推进技术领域，特别是一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法。
背景技术
电推进技术是一种高效的推进技术，比冲比传统的化学推进高出一个数量级，可以极大降低航天器推进剂携带量，显著提高有效载荷比。因此，电推进技术在高性能航天器上得到广泛应用。
电推进技术在轨应用时，因为在轨空间环境与地面环境的差异，电推进系统在地面的试验工况与在轨工况无法做到完全一致，因此入轨初期首先必须对电推进系统的推力进行精确标定。电推进系统虽然比冲高，但是推力小，一般为数毫牛到数百毫牛，要在轨实现毫牛级推力的高精度标定是个难题。
传统的GEO卫星推进系统配置的姿轨控发动机为490N和10N，在进行变轨的时候，通过轨道的变化来对推力器的推力进行标定，标定时需要测轨，方法复杂，标定时间长。并且，通过轨道变化标定推力的方法对于牛级以上的推力标定精度可以满足要求，但对于毫牛级的电推进系统，其标定精度太低，无法满足标定精度要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，对于数毫牛到数百毫牛的电推进系统推力在轨标定，具有简便、快速、精度高的优点。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，包括如下步骤：
步骤(一)、卫星的背地面的底部对称设置有4个电推力器；随机选定其中一个需要标定的电推力器；在卫星的背地面建立坐标系OXYZ；调节选定电推力器，使选定电推力器的推力方向指向Z轴正方向；其它3个电推力器不动作；
步骤(二)、卫星内部配置有4个动量轮，通过改变相应动量轮的转速与选定电推力器的推力抵消，实现保持卫星姿态不变；
步骤(三)、选定的电推力器点火过程中，测量卫星内部4个动量轮的角速度；开始点火时刻t0的4个动量轮的瞬时角速度分别为ω1S、ω2S、ω3S和ω4S；点火结束时刻t1的4个动量轮的瞬时角速度分别为ω1e、ω2e、ω3e和ω4e；根据开始点火时刻t0的4个动量轮的瞬时角速度和点火结束时刻t1的4个动量轮的瞬时角速度计算得到点火时长t＝t1-t0内4个动量轮的角加速度；
步骤(四)、底面测量得到4个动量轮在卫星内部的安装位置和方向；并根据4个动量轮在卫星内部的安装位置和方向，建立4个动量轮对应的角动量分解矩阵根据4个动量轮对应的角动量分解矩阵和步骤(三)中得到的4个动量轮的角加速度，计算得到卫星沿坐标系OXYZ三个方向的角动量变化率和
其中，a11为第一个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a21为第一个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a31为第一个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a12为第二个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a22为第二个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a32为第二个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a13为第三个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a23为第三个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a33为第三个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a14为第四个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a24为第四个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a34为第四个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
为卫星X轴的动量变化率；
为卫星Y轴的动量变化率；
为卫星Z轴的动量变化率；
步骤(五)、计算选定的电推力器沿坐标系OXYZ三个方向对卫星产生的力矩其中，MX为选定的电推力器沿X方向对卫星产生的力矩；MY为选定的电推力器沿Y方向对卫星产生的力矩；MZ为选定的电推力器沿Z方向对卫星产生的力矩；
步骤(六)、根据4个动量轮角动量变化与选定电推力器产生的力矩，计算得到选定电推力器的推力f；
步骤(七)、对选定的电推力器重复步骤(一)至步骤(六)i次，i为大于等于3的正整数；对选定的电推力器计算i次的推力值，将i次的推力值求平均值，即为选定电推力器的推力；
步骤(八)、重复步骤(一)至步骤(七)，得到其它3个电推力器的推力。
在上述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，所述步骤(一)中，坐标系OXYZ的建立方法为：
以卫星的背地面的中点为原点O；X方向为垂直指向卫星的背地面的侧边方向；Y方向为垂直指向卫星的背地面的侧边方向，且X方向与Y方向在卫星的背地面所在平面内垂直；Z方向为从Y方向向X方向由右手定则确定。
在上述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，所述步骤(二)中，当选定电推力器产生推力时，卫星内部对应的一个或多个动量轮通过改变转速，实现卫星姿态保持不变；当没有推力时，动量轮维持当前转速；推力过程中，设置姿控化学推力器为禁止点火。
在上述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，所述步骤(三)中，点火时长t＝t1-t0内4个动量轮的角加速度的计算方法为：
式中，为第一个动量轮的角加速度；
为第二个动量轮的角加速度；
为第三个动量轮的角加速度；
为第四个动量轮的角加速度。
在上述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，所述步骤(四)中，卫星三个方向的角动量变化率和的计算方法为：
在上述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，所述步骤(五)中，电推力器沿坐标系OXYZ三个方向对卫星产生的力矩的计算方法为：
其中，f为选定电推力器的推力；
α为推力器推力方向与X轴的夹角；
β为推力器推力方向与Y轴的夹角；
γ为推力器推力方向与Z轴的夹角；
x为电推力器推力中心在X轴上的坐标；
y为电推力器推力中心在Y轴上的坐标；
z为电推力器推力中心在Z轴上的坐标。
在上述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，所述步骤(六)中，选定电推力器的推力f的计算方法为：
式中，为的逆。
在上述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，所述步骤(三)中，点火时长t为600-1800s。
在上述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，所述步骤(六)中，电推力器的推力f为0.005-0.5N。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明通过星上配置的动量轮的角动量变化完成推力标定，解决了现有技术在轨标定方法复杂、时间长的问题，具有方法简便、快速的优点；
(2)本发明不涉及到卫星测轨，避免了卫星测轨精度不足对于毫牛级推力标定精度的影响问题，通过卫星动量轮角动量变化标定推力，可实现毫牛级推力标定精度优于1％；
(3)本发明使用方便，能够应用于多种平台多种电推进系统的在轨推力标定，标定推力范围数毫牛到数百毫牛。
附图说明
图1为本发明在轨推力标定流程；
图2为本发明4个电推力器分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为轨推力标定流程，由图可知，一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，包括如下步骤：
步骤(一)、卫星的背地面的底部对称设置有4个电推力器；如图2所示为4个电推力器分布示意图，由图可知，随机选定其中一个需要标定的电推力器；在卫星的背地面建立坐标系OXYZ；调节选定电推力器，使选定电推力器的推力方向指向Z轴正方向；其它3个电推力器不动作；
坐标系OXYZ的建立方法为：
以卫星的背地面的中点为原点O；X方向为垂直指向卫星的背地面的侧边方向；Y方向为垂直指向卫星的背地面的侧边方向，且X方向与Y方向在卫星的背地面所在平面内垂直；Z方向为从Y方向向X方向由右手定则确定。
步骤(二)、卫星内部配置有4个动量轮，通过改变相应动量轮的转速与选定电推力器的推力抵消，实现保持卫星姿态不变；当选定电推力器产生推力时，卫星内部对应的一个或多个动量轮通过改变转速，实现卫星姿态保持不变；当没有推力时，动量轮维持当前转速；推力过程中，设置姿控化学推力器为禁止点火。
步骤(三)、选定的电推力器点火过程中，测量卫星内部4个动量轮的角速度；开始点火时刻t0的4个动量轮的瞬时角速度分别为ω1S、ω2S、ω3S和ω4S；点火结束时刻t1的4个动量轮的瞬时角速度分别为ω1e、ω2e、ω3e和ω4e；根据开始点火时刻t0的4个动量轮的瞬时角速度和点火结束时刻t1的4个动量轮的瞬时角速度计算得到点火时长t＝t1-t0内4个动量轮的角加速度；点火时长t为600-1800s。
点火时长t＝t1-t0内4个动量轮的角加速度的计算方法为：
式中，为第一个动量轮的角加速度；
为第二个动量轮的角加速度；
为第三个动量轮的角加速度；
为第四个动量轮的角加速度。
步骤(四)、底面测量得到4个动量轮在卫星内部的安装位置和方向；并根据4个动量轮在卫星内部的安装位置和方向，建立4个动量轮对应的角动量分解矩阵根据4个动量轮对应的角动量分解矩阵和步骤(三)中得到的4个动量轮的角加速度，计算得到卫星沿坐标系OXYZ三个方向的角动量变化率和
其中，a11为第一个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a21为第一个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a31为第一个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a12为第二个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a22为第二个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a32为第二个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a13为第三个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a23为第三个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a33为第三个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a14为第四个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a24为第四个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a34为第四个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
为卫星X轴的动量变化率；
为卫星Y轴的动量变化率；
为卫星Z轴的动量变化率；
卫星三个方向的角动量变化率和的计算方法为：
步骤(五)、计算选定的电推力器沿坐标系OXYZ三个方向对卫星产生的力矩其中，MX为选定的电推力器沿X方向对卫星产生的力矩；MY为选定的电推力器沿Y方向对卫星产生的力矩；MZ为选定的电推力器沿Z方向对卫星产生的力矩；
电推力器沿坐标系OXYZ三个方向对卫星产生的力矩的计算方法为：
其中，f为选定电推力器的推力；
α为推力器推力方向与X轴的夹角；
β为推力器推力方向与Y轴的夹角；
γ为推力器推力方向与Z轴的夹角；
x为电推力器推力中心在X轴上的坐标；
y为电推力器推力中心在Y轴上的坐标；
z为电推力器推力中心在Z轴上的坐标。
步骤(六)、电推力器点火标定过程中，卫星为惯性指向模式，卫星星体的角动量保持不变，因此，电推力器点火产生的力矩干扰全部被四个动量轮吸收，转换为四个动量轮的角动量变化。根据4个动量轮角动量变化与选定电推力器产生的力矩，计算得到选定电推力器的推力f；
选定电推力器的推力f的计算方法为：
式中，为的逆。
电推力器的推力f为0.005-0.5N。
步骤(七)、对选定的电推力器重复步骤(一)至步骤(六)i次，i为大于等于3的正整数；对选定的电推力器计算i次的推力值，将i次的推力值求平均值，即为选定电推力器的推力；
步骤(八)、重复步骤(一)至步骤(七)，得到其它3个电推力器的推力。
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 (9)

1.一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(一)、卫星的背地面的底部对称设置有4个电推力器；随机选定其中一个需要标定的电推力器；在卫星的背地面建立坐标系OXYZ；调节选定电推力器，使选定电推力器的推力方向指向Z轴正方向；其它3个电推力器不动作；
步骤(二)、卫星内部配置有4个动量轮，通过改变相应动量轮的转速与选定电推力器的推力抵消，实现保持卫星姿态不变；
步骤(三)、选定的电推力器点火过程中，测量卫星内部4个动量轮的角速度；开始点火时刻t0的4个动量轮的瞬时角速度分别为ω1S、ω2S、ω3S和ω4S；点火结束时刻t1的4个动量轮的瞬时角速度分别为ω1e、ω2e、ω3e和ω4e；根据开始点火时刻t0的4个动量轮的瞬时角速度和点火结束时刻t1的4个动量轮的瞬时角速度计算得到点火时长t＝t1-t0内4个动量轮的角加速度；
步骤(四)、测量得到4个动量轮在卫星内部的安装位置和方向；并根据4个动量轮在卫星内部的安装位置和方向，建立4个动量轮对应的角动量分解矩阵根据4个动量轮对应的角动量分解矩阵和步骤(三)中得到的4个动量轮的角加速度，计算得到卫星沿坐标系OXYZ三个方向的角动量变化率和
其中，a11为第一个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a21为第一个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a31为第一个动量轮的转动惯量分解到Z轴上的转动惯量；
a12为第二个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a22为第二个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a32为第二个动量轮的转动惯量分解到Z轴上的转动惯量；
a13为第三个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a23为第三个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a33为第三个动量轮的转动惯量分解到Z轴上的转动惯量；
a14为第四个动量轮的转动惯量分解到X轴上的转动惯量；
a24为第四个动量轮的转动惯量分解到Y轴上的转动惯量；
a34为第四个动量轮的转动惯量分解到Z轴上的转动惯量；
为卫星X轴的动量变化率；
为卫星Y轴的动量变化率；
为卫星Z轴的动量变化率；
步骤(五)、计算选定的电推力器沿坐标系OXYZ三个方向对卫星产生的力矩其中，MX为选定的电推力器沿X方向对卫星产生的力矩；MY为选定的电推力器沿Y方向对卫星产生的力矩；MZ为选定的电推力器沿Z方向对卫星产生的力矩；
步骤(六)、根据4个动量轮角动量变化与选定电推力器产生的力矩，计算选定电推力器的推力f；
步骤(七)、对选定的电推力器重复步骤(一)至步骤(六)i次，i为大于等于3的正整数；对选定的电推力器计算i次的推力值，将i次的推力值求平均值，即为选定电推力器的推力；
步骤(八)、重复步骤(一)至步骤(七)，得到其它3个电推力器的推力。
2.根据权利要求1所述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(一)中，坐标系OXYZ的建立方法为：
以卫星的背地面的中点为原点O；X方向为垂直指向卫星的背地面的侧边方向；Y方向为垂直指向卫星的背地面的侧边方向，且X方向与Y方向在卫星的背地面所在平面内垂直；Z方向为从Y方向向X方向由右手定则确定。
3.根据权利要求1所述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(二)中，当选定电推力器产生推力时，卫星内部对应的一个或多个动量轮通过改变转速，实现卫星姿态保持不变；当没有推力时，动量轮维持当前转速；推力过程中，设置姿控化学推力器为禁止点火。
4.根据权利要求1所述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(三)中，点火时长t＝t1-t0内4个动量轮的角加速度的计算方法为：
式中，为第一个动量轮的角加速度；
为第二个动量轮的角加速度；
为第三个动量轮的角加速度；
为第四个动量轮的角加速度。
5.根据权利要求1所述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(四)中，卫星三个方向的角动量变化率和的计算方法为：
6.根据权利要求1所述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(五)中，电推力器沿坐标系OXYZ三个方向对卫星产生的力矩的计算方法为：
其中，f为选定电推力器的推力；
α为推力器推力方向与X轴的夹角；
β为推力器推力方向与Y轴的夹角；
γ为推力器推力方向与Z轴的夹角；
x为电推力器推力中心在X轴上的坐标；
y为电推力器推力中心在Y轴上的坐标；
z为电推力器推力中心在Z轴上的坐标。
7.根据权利要求1所述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(六)中，选定电推力器的推力f的计算方法为：
式中，为的逆。
8.根据权利要求1所述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(三)中，点火时长t为600-1800s。
9.根据权利要求1所述的一种电推进系统毫牛级推力在轨标定方法，其特征在于：所述步骤(六)中，电推力器的推力f为0.005-0.5N。
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