CN108846213B - 位移传感器组合布局及高可靠冗余设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位移传感器组合布局及高可靠冗余设计方法，明确每台位移传感器的安装要求，每台位移传感器输出一个方向的相对位移，从安装位置和测量方向多维角度，对9台位移传感器组合进行布局和可靠度提升冗余优化配置设计；构建相对位置和相对姿态解算算法，实现高可靠三轴相对位置和相对姿态的高精度测量测量，满足双超卫星平台两舱相对质心位置和相对姿态的解耦控制需求；通过对解算矩阵秩的分析，得到位移传感器组合的冗余度，进而计算得到组合的可靠度，持续优化指导系统最优设计。本发明实现了高可靠三轴相对位置和相对姿态的高精度测量测量，满足双超卫星平台两舱相对质心位置和相对姿态的解耦控制需求。

Description

位移传感器组合布局及高可靠冗余设计方法

技术领域

本发明涉及一种具有超高指向精度、超高稳定度(双超)卫星平台载荷舱的复合控制技术，具体地，涉及位移传感器组合布局及高可靠冗余设计方法。

背景技术

未来先进航天器对姿态指向精度与稳定度的要求比目前水平高两个量级。传统采用载荷与平台固连式设计，两者动力学特性深度耦合，导致载荷双超指标难以实现，尽管采用主被动微振动抑制等方法取得了一定效果，但受限固连式设计的缺陷，双超指标难以实现。

“双超”卫星平台打破传统固连设计，采用非接触、高精度、无时延位移传感器实现仅安装安静部件的载荷(舱)与安装活动部件的平台(舱)分离，彻底消除微振动影响。改变传统以卫星平台为主的控制逻辑，首次采用“载荷舱主动，平台舱从动，两舱相对位置协同解耦控制”的全新方法，可实现载荷舱的双超精度。

位移传感器是一种航天器测量期间，是“双超”卫星平台相对位置控制的核心单机。多台组合工作提供三轴相对姿态和质心相对位移，通过布局优化设计和冗余度分析，可获得较高的组合系统可靠度。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对双超卫星相对位置和相对姿态控制需求，本发明的目的是提供一种位移传感器组合布局及高可靠冗余设计分析方法。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种位移传感器组合布局及高可靠冗余设计方法，包括如下步骤：

步骤1：明确每台位移传感器的安装要求，每台位移传感器输出一个方向的相对位移；从安装位置和测量方向多维角度，对9台位移传感器组合进行布局和可靠度提升冗余优化配置设计，9台位移传感器在卫星本体三个方向均匀分配安装，保证每个方向获取的信息均衡；

步骤2：构建相对位置和相对姿态解算算法，实现高可靠三轴相对位置和相对姿态的高精度测量测量，满足双超卫星平台两舱相对质心位置和相对姿态的解耦控制需求；

步骤3：通过对解算矩阵秩的分析，得到位移传感器组合的冗余度，进而计算得到组合的可靠度，持续优化指导系统最优设计。

进一步地，所述步骤1中9台位移传感器在机械坐标系下的安装位置与输出力矢量方向如下表所示：

注：上表中“√”表示可输出该方向相对位移，“×”表示不可输出该方向相对位移。

进一步地，所述步骤2通过以下步骤构建相对位置和相对姿态解算算法：

设指令三轴相对姿态为

三轴相对质心位移为[Δx Δy Δz]，设9台位移传感器的测量值为[Δz_A1 Δz_A2 Δz_A3 Δy_B1 Δy_B2 Δy_B3 Δx_C1 Δx_C2 Δx_C3]，设9台位移传感器在机械坐标系的安装位置为[x_i y_i z_i],(i＝A₁,…C₃)，设在机械坐标系中的载荷舱质心位置为[x_pc y_pc z_pc]，则有相对位置和相对姿态与位移传感器测量值的关系如下：

设

B＝[Δz_A1 Δz_A2 Δz_A3 Δy_B1 Δy_B2 Δy_B3 Δx_C1 Δx_C2 Δx_C3]^T (12)

则有

A·X＝B (14)

根据伪逆算法，可得伪逆解

X＝A^T·(A·A^T)^-1·B (15)

从而得到三轴相对姿态和相对位置，可得解算矩阵为

M＝A^T·(A·A^T)^-1 (16)

进一步地，根据线性代数原理，上述解算矩阵必须满秩才能正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移，即必须满足

rank(M)＝6 (17)

根据该原则，可进行位移传感器组合的冗余度分析，具体分析方法如下：

S1、设置第k台位移传感器失效，k＝1,2,…9；

S2、设置解算矩阵M的第k列的所有元素为0；

S3、对新的解算矩阵求秩，判断是否满秩；

S4、根据排列组合原理遍历所有可能失效工况；

①9台位移传感器中任意1台失效

根据排列组合原理，存在

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

②9台位移传感器中任意2台失效

根据排列组合原理，存在

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

③9台位移传感器中任意3台失效

根据排列组合原理，存

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩，可见84种工况中，有74种工况能输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

④9台位移传感器中任意4台失效

根据排列组合原理，存

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩，可见所有工况均不能输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

从而9台位移传感器组合的冗余度为：

在任意2台(含)以下位移传感器完全失效的情况下，均能正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

在任意3台位移传感器完全失效的情况下，84种工况中有74种工况能正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

在任意4台(含)以上位移传感器完全失效的情况下，所有工况能不能输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

根据上述冗余度分析结果，设每台位移传感器状态一致，单台可靠度为R，组合系统可靠度为R_sys，则可通过下式进行位移传感器组合的可靠度R_sys计算

假设单台可靠度为R＝0.9，可得R_sys＝0.986，可见在单台单机可靠度较低的情况下，通过布局优化设计，可得到高的组合可靠度。

本发明提出一种适用于双超卫星平台的9台位移传感器组合布局，每台测量一个方向的相对位移，构建了相对位置和相对姿态解算算法，通过对解算矩阵秩的分析，得到位移传感器组合的冗余度分析方法，实现高可靠三轴相对位置和相对姿态的高精度测量测量，满足双超卫星平台两舱相对质心位置和相对姿态的解耦控制需求。

图说明

通过阅读参照以下图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为高可靠冗余位移传感器组合布局示意图。

图2为9台中任意1台失效解算矩阵秩随工况变化曲线。

图3为9台中任意2台失效解算矩阵秩随工况变化曲线。

图4为9台中任意3台失效解算矩阵秩随工况变化曲线。

图5为9台中任意4台失效解算矩阵秩随工况变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，如位移传感器配置数量、安装朝向、安装位置等。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的位移传感器组合布局及高可靠冗余设计方法包括如下步骤：

步骤1：明确每台位移传感器的安装要求，每台位移传感器输出一个方向的相对位移，从安装位置和测量方向多维角度，对9台位移传感器组合进行布局和可靠度提升冗余优化配置设计，9台位移传感器在卫星本体三个方向均匀分配安装，保证每个方向获取的信息均衡；9台位移传感器在机械坐标系下的安装位置与输出力矢量方向如下表所示。其中L₁、L₂的含义见附图1，这里取L₁＝0.8m，L₂＝0.8m。

注：上表中“√”表示可输出该方向相对位移，“×”表示不可输出该方向相对位移。

步骤2：构建相对位置和相对姿态解算算法，实现高可靠三轴相对位置和相对姿态的高精度测量测量，满足双超卫星平台两舱相对质心位置和相对姿态的解耦控制需求；具体的：

构建相对位置和相对姿态解算算法，实现高可靠三轴相对位置和相对姿态的高精度测量测量，满足双超卫星平台两舱相对质心位置和相对姿态的解耦控制需求；

设指令三轴相对姿态为

三轴相对质心位移为[Δx Δy Δz]，设9台位移传感器的测量值为[Δz_A1 Δz_A2 Δz_A3 Δy_B1 Δy_B2 Δy_B3 Δx_C1 Δx_C2 Δx_C3]，设9台位移传感器在机械坐标系的安装位置为[x_i y_i z_i],(i＝A₁,…C₃)，设在机械坐标系中的载荷舱质心位置为[x_pc y_pc z_pc]，则有相对位置和相对姿态与位移传感器测量值的关系如下

设

B＝[Δz_A1 Δz_A2 Δz_A3 Δy_B1 Δy_B2 Δy_B3 Δx_C1 Δx_C2 Δx_C3]^T (21)

则有

A·X＝B (23)

根据伪逆算法，可得伪逆解

X＝A^T·(A·A^T)^-1·B (24)

从而得到三轴相对姿态和相对位置。可得解算矩阵为

M＝A^T·(A·A^T)^-1(25)。步骤三：通过对解算矩阵秩的分析，得到位移传感器组合的冗余度，进而计算得到组合的可靠度，持续优化指导系统最优设计；具体的：

根据线性代数原理，上述解算矩阵必须满秩才能正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移，即必须满足

rank(M)＝6 (26)

根据该原则，可进行位移传感器组合的冗余度分析，具体分析方法如下：

设置第k台位移传感器失效，k＝1,2,…9；

设置解算矩阵M的第k列的所有元素为0；

对新的解算矩阵求秩，判断是否满秩；

根据排列组合原理遍历所有可能失效工况。

①9台位移传感器中任意1台失效

根据排列组合原理，存在

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩如附图2所示。可见所有工况均可正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

②9台位移传感器中任意2台失效

根据排列组合原理，存在

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩如附图3所示。可见所有工况均可正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

③9台位移传感器中任意3台失效

根据排列组合原理，存

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩如附图4所示。可见84种工况中，有74种工况能输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

④9台位移传感器中任意4台失效

根据排列组合原理，存

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩如附图5所示。可见所有工况的秩均小于6，不能输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

从而9台位移传感器组合的冗余度为：

在任意2台(含)以下位移传感器完全失效的情况下，均能正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

在任意3台位移传感器完全失效的情况下，84种工况中有74种工况能正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

在任意4台(含)以上位移传感器完全失效的情况下，所有工况能不能输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

根据上述冗余度分析结果，设每台位移传感器状态一致，单台可靠度为R，组合系统可靠度为R_sys，则可通过下式进行位移传感器组合的可靠度R_sys计算

假设单台可靠度为R＝0.9，可得R_sys＝0.986，可见在单台单机可靠度较低的情况下，通过布局优化设计，可得到高的组合可靠度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种位移传感器组合布局及高可靠冗余设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：明确每台位移传感器的安装要求，每台位移传感器输出一个方向的相对位移；从安装位置和测量方向多维角度，对9台位移传感器组合进行布局和可靠度提升冗余优化配置设计，9台位移传感器在卫星本体三个方向均匀分配安装，保证每个方向获取的信息均衡；

步骤2：构建相对位置和相对姿态解算算法，实现高可靠三轴相对位置和相对姿态的高精度测量，满足双超卫星平台两舱相对质心位置和相对姿态的解耦控制需求；

步骤3：通过对解算矩阵秩的分析，得到位移传感器组合的冗余度，进而计算得到组合的可靠度，持续优化指导系统最优设计；

所述步骤2通过以下步骤构建相对位置和相对姿态解算算法：

设指令三轴相对姿态为

三轴相对质心位移为[Δx_pΔy_pΔz_p]，设9台位移传感器的测量值为[Δz_A1Δz_A2Δz_A3Δy_B1Δy_B2Δy_B3Δx_C1Δx_C2Δx_C3]，设9台位移传感器在机械坐标系的安装位置为[x_i y_i z_i],(i＝A₁,…C₃)，设在机械坐标系中的载荷舱质心位置为[x_pc y_pc z_pc]，则有相对位置和相对姿态与位移传感器测量值的关系如下：

B＝[Δz_A1 Δz_A2 Δz_A3 Δy_B1 Δy_B2 Δy_B3 Δx_C1 Δx_C2 Δx_C3]^T (3)

则有

A·X＝B (5)

根据伪逆算法，可得伪逆解X＝A^T·(A·A^T)^-1·B (6)

从而得到三轴相对姿态和相对位置，可得解算矩阵为

M＝A^T·(A·A^T)^-1 (7)。

2.根据权利要求1所述的位移传感器组合布局及高可靠冗余设计方法，其特征在于，根据线性代数原理，上述解算矩阵必须满秩才能正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移，即必须满足

rank(M)＝6 (8)

根据该原则，可进行位移传感器组合的冗余度分析，具体析方法如下：

S1、设置第k台位移传感器失效，k＝1,2,…9；

S2、设置解算矩阵M的第k列的所有元素为0；

S3、对新的解算矩阵求秩，判断是否满秩；

S4、根据排列组合原理遍历所有可能失效工况；

①9台位移传感器中任意1台失效

根据排列组合原理，存

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

②9台位移传感器中任意2台失效

根据排列组合原理，存

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

③9台位移传感器中任意3台失效

根据排列组合原理，存

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩，可见84种工况中，有74种工况能输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

④9台位移传感器中任意4台失效

根据排列组合原理，存

种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况解算矩阵的秩，可见所有工况均不能输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

从而9台位移传感器组合的冗余度为：

在任意2台(含)以下位移传感器完全失效的情况下，均能正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

在任意3台位移传感器完全失效的情况下，84种工况中有74种工况能正常输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

在任意4台(含)以上位移传感器完全失效的情况下，所有工况能不能输出三轴相对姿态和三轴质心相对位移；

根据上述冗余度分析结果，设每台位移传感器状态一致，单台可靠度为R，组合系统可靠度为R_sys，则可通过下式进行位移传感器组合的可靠度R_sys计算

假设单台可靠度为R＝0.9，可得R_sys＝0.986，可见在单台单机可靠度较低的情况下，通过布局优化设计，可得到高的组合可靠度。

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