CN109407691B - 一种微小卫星精密闭环轨道控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微小卫星精密闭环轨道控制设备，包括机壳、加速度敏感表头、加速度计线路、数字处理电路，该设备用于：接收上位机发送的轨道控制指令、标定指令、参数修订指令；时间同步；测量线性加速度，并将敏感信号转换为脉冲信号；计算脉冲信号的实际当量，并进行累计，当累计值满足门限要求后，发送控制信号，关闭轨控推力器的电磁阀，完成一次轨道控制。本发明能敏感加速度，且加速度测量分辨率、偏值稳定性高；能将轨控的开始、结束时间与测量时间进行精确同步；轨道控制以加速度作为反馈，可以达到较高的精度；避免了推力器开环时间控制时，推力下降造成的精度损失；提高了一次变轨成功率，减少了轨控精度不高带来的高频次轨控。

Description

一种微小卫星精密闭环轨道控制设备

技术领域

本发明涉及航天器轨控技术领域，尤其涉及一种微小卫星精密闭环轨道控制设备。

背景技术

近地卫星的运行轨道为椭圆或者圆形，但是 ，因为受到摄动、阻力的影响，实际轨道时时刻刻发生着偏离标称轨道的变化。变化累积到一定程度，为了避免其影响卫星任务，就需要进行轨道控制。使卫星重新回到标称轨道，实际应用中是标称轨道附近。

轨道控制涉及方方面面，包括轨道测量，轨道控制策略及指令，轨道控制实现等等。轨道测量相当于“导航”，导航是轨道控制的前提。测量准确后，通过比较实际轨道与标称轨道的偏差，制定控制策略，形成控制指令。传统开环轨控的控制指令包括：推力器指定，推力器开机时刻，推力器开机持续时间。指令下达到卫星计算机中，通过计算机控制推力器，完成轨控。

开环控制不需要加速度计，控制依赖于精确的点火时间和熄火时间，及较为精确的推力预估。在实际工程中，真正的点火、熄火时刻都产生延迟。且推力大小的预估准确度很难做到10％以内。因此，往往施加多次轨道控制，不断逼近标称轨道。

而加速度计应用在空间飞行器上要完成很多与制导和控制有关的功能，可以测量航天器受到的非引力。加速度计输出速度增量，而推力器喷气时，卫星的运动结果直接表现为短期加速运动。因此将加速度计接入闭环轨道控制，并由加速度计自动同步轨道控制的开始时间、结束时间，可以使轨道达到更高的精度。

国内卫星中使用加速度计的型号，典型的是嫦娥卫星，据公开的报道，嫦娥卫星的加速度计为纯测量设备。通过数字接口将数据上传给计算机，由计算机完成数据解算、校正。再由计算机控制相应发动机的开启、关闭，完成闭环轨道控制。

对于微小卫星，对计算机设备要求功能密度更大，星务管理、姿轨控制使用同一硬件。并且优先考虑继承性、成熟性，难以适应闭环控制中控制器的角色，因为计算机采用轮询机制，与挂在计算机周边的控制系统、载荷系统、测控、数传、能源、热控等众多系统、设备进行通信，无法提供对加速度计的高频访问，因此控制延迟误差无法避免，降低了闭环控制的精度。

发明内容

为了有效规避微小卫星星务、控制计算机合一的综合电子系统高频访问能力不足，无法完成高精度闭环轨道控制的问题，本发明提供了- 一种微小卫星精密闭环轨道控制设备，能通过外部指令，实现闭环轨道控制的测量、周期增量计算和校正、轨道控制时间同步，推力器开、关控制等功能；并能够通过外部指令，配合完成加速度计的在轨标定，进一步提高轨道控制精度。本发明具体通过如下技术方案实现：

一种微小卫星精密闭环轨道控制设备，所述设备包括加速度计表头、加速度计线路、数字处理电路；所述加速度计表头敏感某方向比力，转换为电流信号，并以约定的接口输出给加速度计线路；所述加速度计线路将电流信号转换为频率信号，最终输出脉冲信号，传递给所述数字处理电路；所述数字处理电路接收、解析星载机的轮询指令，并按照指令开展不同模式的工作，所述数字处理电路功能包括：脉冲信号采集、脉冲累加计算、当量转换求解及校正、累积的速度增量的比较、电磁阀控制、与上位机的通信、偏值测量、同步以及姿态补偿。

作为本发明的进一步改进，所述加速度计表头包括表头温控装置。

作为本发明的进一步改进，将表头进行封闭，并施以控温，控温精度为±0.2℃；在设备整体外壳处的控温精度为±5℃。

作为本发明的进一步改进，所述加速度计表头为单轴加速度计表头。

作为本发明的进一步改进，所述与上位机的通信包括加速度计接收 CAN总线数据，并通过CAN发送遥测信号。

作为本发明的进一步改进，通过喷气、加速度测量、地面高精度测轨，实现加速度计偏值标定测量；每次在轨使用时，加速度计均先行开机30 分钟～60分钟，统计每周期偏值数据，并将偏值数据记录。

作为本发明的进一步改进，所述同步包括轨控启动同步、轨控停止同步。

作为本发明的进一步改进，所述设备轨道控制与传感器标定功能合一，即上位机通过下传轨道控制指令或者标定指令给所述设备，由所述设备自主实现这两种功能。

作为本发明的进一步改进，所述姿态包括上位机同时通过星敏、陀螺测量姿态，通过姿控推力器或是动量轮，进行姿态控制。

本发明另提供一种微小卫星精密闭环轨道控制方法，包括接收上位机发送的轨道控制指令、标定指令、参数修订指令；时间同步；测量线性加速度，并将敏感信号转换为脉冲信号；计算脉冲信号的实际当量，并进行累计，当累计值满足门限要求后，发送控制信号，关闭轨控推力器的电磁阀，完成一次轨道控制。

本发明的有益效果是：1、本发明通过将加速度测量引入轨道控制闭环，提高了轨道控制精度。2、本发明考虑了影响轨道控制的外部因素，如姿态扰动等，并采用了姿态补偿策略。同时也考虑了设备内部周期、延迟、传感器漂移等固有环节引起的时间误差，并在设备内部通过软件方法(信号同步)、硬件方法(信号测量)，执行机构延迟预估、以及在轨试推标定等方法，在各个可控环节进行干预。将本发明乃至整体轨控闭环系统进行了优化。3、加速度的测量、计算，执行机构的控制，集成于一套设备，减少了上位机的资源负担和过于频繁的周期性开销，有利于微小卫星模块化的轨道控制应用。

附图说明

图1是本发明的微小卫星精密轨道控制设备轨控工作框图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明的微小卫星精密轨道控制设备，包括加速度计表头及表头温控装置、加速度计线路、数字处理电路硬件，及相关软件、计算单元。上述单元组合成一件密封的星上单机设备。加速度计表头、IF线路可以用微硅加速度计替代。

(一)加速度计表头

加速度计表头为石英挠性加速度计。表头需要温度控制，温度控制应将表头进行封闭，并施以控温，控温精度为±0.2℃。这是第二级温控，一级温控(设备整体外壳处)的控温精度为±5℃。

加速度计表头的功能为：敏感某方向比力(即加速度)，转换为电信号，并以约定的接口输出给使用者。由于表头输出信号形式为电流，不能直接为计算机所用。所述加速度计表头为单轴加速度计表头。

(二)加速度计线路

将表头电流信号转换为频率信号(即IF转换)，最终输出脉冲信号。传递给下一步数字处理电路。IF线路的时钟频率不低于512kHz。输出脉冲与电流信号成近似线性关系，表达式形式为：

Nax＝K0+K1*ax++K2*ax*ax

其中，Nax，K0对应的是某一特定采样周期的脉冲输出、偏值。Nax：加速度计X轴输出的脉冲数，表征某一特定周期内速度增量大小；K0：偏值； K1：一阶标度因数；K2：二阶标度因数；ax：加速度。

调理线路输出两路脉冲信号，分别表征正加速度、负加速度，且两路信号互斥。

使用时，关注的核心指标是偏值稳定性，偏值可以在轨实测，对加速度计的线路不做温度控制。但要求在全温范围内，一阶标度因数保持一定的稳定性，即：在-20℃～+50℃内，K1项的变化不超过万分之五。

(三)数字处理电路

数字处理电路接收、解析星载机的轮询指令，并按照指令开展不同模式的工作，如图1所示。数字电路功能如下：

1、脉冲信号采集

需要进行连续脉冲采集，每次采集持续时间初步定为50ms。进一步优化设计后，可尝试提高到25ms。采集周期越短，加速度计的延迟时间越少，有利于保证整体的精度。每采集一个周期，将脉冲数累加起来。不间断采集，确保整个采集过程不丢脉冲。

2、脉冲累加计算

对每个计数周期获得的脉冲数进行累加。累加时扣除每个周期的偏值。

3、当量转换求解

加速度计输入输出模型为：Nax＝K0+K1*ax++K2*ax*ax，加速度计内部存储K0、K1、K2参数。通过加速度计测量的Nax脉冲数求解加速度。

4、比较

采用比较功能，如果累积的速度增量≥门限，则结束本次轨控。

5、电磁阀控制

先开启指定推力器的电磁阀，当加速度计输出增量有明显变化时，在进行累加计算。当满足门限要求后，关闭电磁阀。

6、通信功能

接收的CAN指令含有速度增量控制门限、加速度计装订参数、推力器选择参数(2只或4只推力器)，偏值标定时间，强制偏值，允许强制零偏标志等。

本发明的设备接收的CAN总线指令，其格式为：

(1)轨控指令

ID号

使用推力器编号

速度增量门限

是否强制修改参数标志

(2)偏值标定指令

ID号

测量总周期个数

(3)轨控终止指令

ID号

(4)参数修改指令

ID号

K0参数

K1参数

K2参数

工作周期

(5)标度因数测量指令

ID号

测量总周期个数

工作周期

(6)姿态修正指令

ID号

滚动角

俯仰角

偏航角

CAN遥测格式为：

7、偏值测量

加速度计存在零偏，产品交付时，存在出厂零偏。在轨近真空环境下，温度，时间效应导致偏值漂移。通过喷气、加速度测量、地面高精度测轨，实现加速度计偏值标定测量。每次在轨使用时，加速度计均先行开机30 分钟～60分钟，统计每周期偏值数据。将偏值数据记录到设备中。

8、同步

(1)轨控启动同步

轨道控制时，应先开启推力器，当加速度计输出增量有明显变化时，再进行累加计算。

(2)轨控停止同步

到达或超过速度增量门限后，再进行关闭。在两个环节产生了关闭延迟，导致轨控过喷。

第一个环节与累加周期有关，极端时，下个周期一开始即满足了速度增量门限条件。但需要等到该周期结束，才能关闭推力器。

第二个环节来自推力器电磁阀关闭产生的固定延迟，量级在20ms以内。

因此需要预估关闭时间，提前启动推力器熄火操作。

9、姿态补偿

轨道控制过程，要求对卫星本体坐标系某个轴进行推力作用，因推力器矢量方向偏心，以及卫星受到周围环境干扰作用，引起姿态扰动。扰动姿态过大会导致推力误差。将姿态解算后，加入到速度增量计算中，可以在一定程度上补偿掉姿态引起的速度增量测量偏差。

上位机姿态控制可以将轨控时姿态偏差控制在3°以内，控制能力强的可以控制在1°左右。上位机通过姿态修正指令发出固定周期的姿态偏差，并将偏差输出给本设备。

本发明的设备进行姿态解算，即计算出推力矢量方向与理论方向的偏差。比如：上位机给出的本体系相对轨道坐标系的欧拉角(321转序)为1°， 1.5°，2°。推力矢量方向沿着卫星本体系-X方向。则本发明的设备按照如下方法，计算矢量偏差角的余弦值：

取矩阵R的第一行、第一列数值即为所求余弦值Rxx。

每次由上位机传给本设备的姿态角，都由公式(1)进行解算，并将Rxx 值与加速度计测量的速度增量进行相乘。则加速度计累加计算公式为：

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

对于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，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微小卫星精密闭环轨道控制设备，其特征在于：所述设备包括加速度计表头、加速度计线路、数字处理电路；所述设备轨道控制与传感器标定功能合一，即上位机通过下传轨道控制指令或者标定指令给所述设备，由所述设备自主实现这两种功能；所述加速度计表头敏感某方向比力，转换为电流信号，并以约定的接口输出给加速度计线路；所述加速度计线路将电流信号转换为频率信号，最终输出脉冲信号，传递给所述数字处理电路；所述数字处理电路接收、解析星载机的轮询指令，并按照指令开展不同模式的工作，所述数字处理电路功能包括：脉冲信号采集、脉冲累加计算、当量转换求解及校正、累积的速度增量的比较、电磁阀控制、与上位机的通信、偏值测量、同步以及姿态补偿。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述加速度计表头包括表头温控装置。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：将表头进行封闭，并施以控温，控温精度为±0.2℃；在设备整体外壳处的控温精度为±5℃。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述加速度计表头为单轴加速度计表头。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述与上位机的通信包括加速度计接收CAN总线数据，并通过CAN发送遥测信号。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：通过喷气、加速度测量、地面高精度测轨，实现加速度计偏值标定测量；每次在轨使用时，加速度计均先行开机30分钟～60分钟，统计每周期偏值数据，并将偏值数据记录。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述同步包括轨控启动同步、轨控停止同步。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述姿态包括上位机同时通过星敏、陀螺测量姿态，通过姿控推力器或是动量轮，进行姿态控制。

9.一种基于如权利要求1-8任一项所述的微小卫星精密闭环轨道控制设备的控制方法，其特征在于：所述方法包括接收上位机发送的轨道控制指令、标定指令、参数修订指令；时间同步；测量线性加速度，并将敏感信号转换为脉冲信号；计算脉冲信号的实际当量，并进行累计，当累计值满足门限要求后，发送控制信号，关闭轨控推力器的电磁阀，完成一次轨道控制。

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