CN109733648A - 一种确定推力器的倾斜角度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定推力器的倾斜角度的方法，包括下列步骤：确定推力器的倾斜方向；提供干扰力矩关于倾斜角度的公式；提供控制力矩关于倾斜角度的公式；以及确定推力器的倾斜角度，使得控制力矩大于干扰力矩。通过该方法，既可以保证足够的有效推力，又可以保证干扰力矩能够被基本抵消，从而提供高效的推力器工作状态并维持轨控期间的卫星姿态。

Description

一种确定推力器的倾斜角度的方法

技术领域

本发明总的来说涉及航天器姿态控制技术领域，具体而言涉及一种确定推力器的倾斜角度的方法。

背景技术

推力器是控制航天器姿态的一种执行机构，其原理是，根据姿轨控计算机的控制指令进行喷气以产生期望的推力冲量，从而实现航天器的轨道控制。在理想情况下，由于推力器在卫星上对称安装，因此卫星在实施轨控时不会对卫星姿态产生干扰，但在工程实际中，由于存在卫星质心偏差、推力器安装位置偏差、推力器推力大小一致性偏差、推力器推力方向偏差等非理想情况，使得在卫星轨控期间会对卫星姿态产生显著的干扰力矩。

对于轨控期间所产生的姿态干扰力矩，由于反作用轮等控制部件的力矩输出较小，因此无法补偿该干扰。传统的一种解决方案是，在保证轨控推力器的基础上，额外地在卫星上安装至少6台推力器以实现6个方向的干扰抑制。尽管这种控制卫星姿态的方法比较简单，但由于推力器数量多，因此导致卫星布局复杂、体积大、重量重、成本高；另一种方案则是，利用推力器斜装，使用4个推力器在完成轨道控制的同时，通过关调制实现卫星姿态控制，此种方法成本低、重量低、布局简单，但此种方法对斜装的推力器的倾斜角度的选取要求较高，如果选取不恰当，会导致推力效率低或者干扰抑制效果差。而传统方法中对于倾斜角度的选取方法考虑不全面，仅考虑了向外倾斜时避免过卫星质心的限制。

为了兼顾推力器的推力效率和轨控期间的姿态干扰抑制效果，需要一种新方法能够计算出斜装推力器的倾斜角度。

发明内容

本发明的任务是提供一种确定推力器的倾斜角度的方法，通过该方法，既可以保证足够的有效推力，又可以保证干扰力矩能够被基本抵消，从而提供高效的推力器工作状态并维持轨控期间的卫星姿态。

根据本发明，该任务通过一种确定推力器的倾斜角度的方法来解决，该方法包括下列步骤：

确定推力器的倾斜方向；

提供干扰力矩关于倾斜角度的公式；

提供控制力矩关于倾斜角度的公式；以及

确定推力器的倾斜角度，使得控制力矩大于干扰力矩。

在本发明的一个优选方案中规定，确定推力器的倾斜方向包括：

对于具有转动机构或柔性机构的卫星，选择推力器向内倾斜方式；或者

对于推力器安装位置靠近质心的情况，若安装位置满足则选择推力器向内倾斜方式，其中L₁为两个同边反向倾斜的推力器的安装点之间的距离，D为质心到推力器的安装面的垂直距离；或者

对于推力器外围有遮挡物的情况，选择推力器向内倾斜方式。

通过该优选方案，可以根据具体场景，灵活地确定倾斜方向，从而更加符合实际需求。

在本发明的另一优选方案中规定，干扰力矩关于倾斜角度的公式为：

T_dx＝T_dy＝4×F×sin(θ_d)×(D+ΔD)+4×F×cos(θ_d)×cos(γ)×ΔD

其中T_dx,T_dy,T_dz为三轴干扰力矩，γ为最终要确定的推力器倾斜角度，F为单个推力器的推力大小，θ_d为推力器的喷气方向的偏差角度，D为质心到推力器的安装面的垂直距离，ΔD为质心偏差，k_{p_fw}为转速维持控制增益，ΔT_JZ为基准轮的转速维持力矩，L₁为两个同边反向倾斜的推力器安装点之间的距离，并且L₂为两个同边同向倾斜的推力器的安装点之间的距离。

通过该优选方案，可以较好地确定干扰力矩关于倾斜角度的公式。在此应当指出，在本发明的教导下，其它干扰力矩关于倾斜角度的公式也是可设想的。

在本发明的又一优选方案中规定，控制力矩关于倾斜角度的公式为：

绕X轴向内倾斜的控制力矩为：

或者

绕X轴向外倾斜的控制力矩为：

或者

绕Y轴向内倾斜的控制力矩为：

或者

绕Y轴向外倾斜的控制力矩为：

其中T_cx,T_cy,T_cz为三轴控制力矩。

通过该优选方案，可以较好地确定控制力矩关于倾斜角度的公式。在此应当指出，在本发明的教导下，其它控制力矩关于倾斜角度的公式也是可设想的。

在本发明的另一优选方案中规定，确定推力器的倾斜角度包括：

计算推力器的倾斜角度的范围，使得：

以及

从所述范围中选择倾斜角度。

通过该优选方案，可以较好地选择倾斜角度。

在本发明的又一优选方案中规定，从所述范围中选择倾斜角度包括：

选择倾斜角度的范围中的最小值作为推力器的倾斜角度。

通过该优选方案，可以保证推力的效率。

在本发明的另一优选方案中规定，该方法还包括步骤：

如果所确定的倾斜角度小于30度，则确定计算所得倾斜角度为最终值，否则重新设计推力器在星上的布局。

通过该优选方案，可以保证倾斜角度的有效性。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的确定推力器的倾斜角度的方法的流程；以及

图2示出了根据本发明确定的推力器的安装方案。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

图1示出了根据本发明的确定推力器的倾斜角度的方法100的流程。

在步骤102，根据卫星特点及推力器安装环境，确定推力器的倾斜方向：

(1)对于具有转动机构或大面积柔性机构的卫星，在轨质心变化较大，可选用推力器向内倾斜方式。

(2)对于推力器安装位置相对于质心较为靠近的情况，若安装位置满足则可选用推力器向内倾斜方式。

(3)对于推力器安装环境较特殊，如推力器需安装在对接环内等推力器外围有遮挡物的情况，可选用推力器向内倾斜方式。

(4)对于不存在上述情况的卫星，可选用推力器向外倾斜的方式。

在步骤104，根据推力器的安装位置，计算轨控期间产生的干扰力矩：

T_dx＝T_dy＝4×F×sin(θ_d)×(D+ΔD)+4×F×cos(θ_d)×cos(γ)×ΔD

在步骤106，根据推力器的安装位置，计算关调制期间的控制力矩：

控制力矩的计算公式例如分为四种情况：绕X轴向内倾斜、绕X轴向外倾斜、绕Y轴向内倾斜、绕Y轴向外倾斜。

(1)绕X轴向内倾斜的控制力矩为：

(2)绕X轴向外倾斜的控制力矩为：

(3)绕Y轴向内倾斜的控制力矩为：

(4)绕Y轴向外倾斜的控制力矩为：

在步骤108，基于控制力矩大于干扰力矩原则，计算推力器倾斜角度：

基于控制力矩大于干扰力矩原则，计算出倾斜角度备选范围，考虑推力有效率，选取倾斜角度备选范围中的最小值作为推力器倾斜角度。

在步骤110，同时为了保证推力器的推力效率，判断最终选定的倾斜角度是否大于30度，如果是，则在步骤112，选择该角度为最终倾斜角度，否者在步骤114重新设计斜装推力器在星上的布局。

下面针对具体型号卫星来阐述本发明的方案。四斜装1N推力器安装于卫星-Z面对接环内，L₁为400mm，L₂为400mm，推力器喷气方向偏差角度θ_d为5度，卫星质心到-Z面距离D为565mm，质心偏差ΔD为5mm。根据本发明技术，通过如下步骤，完成推力器倾斜角度确定。

在步骤102，根据推力器安装环境，确定推力器的倾斜方向：

由于推力器安装于卫星对接环内，所以推力器倾斜方向选择向内倾斜方式。

在步骤104，根据推力器的安装位置，计算轨控期间产生的干扰力矩：

T_dx＝T_dy＝0.1987+0.0199×cos(γ)

T_dz＝0.0986

在步骤106，根据推力器的安装位置，计算关调制能产生的控制力矩：

由于推力器绕X轴向内倾斜，控制力矩为：

T_cx＝1.1257×sin(γ)+0.3985×cos(γ)-0.0985

T_cy＝0.3985×cos(γ)-0.0985

T_cz＝0.3985×sin(γ)-0.0493

在步骤108，基于控制力矩大于干扰力矩原则，计算推力器倾斜角度：

得到21.78°≤γ≤38.28°。

最终选定推力器的倾斜角度为22°。

图2示出了根据本发明确定的推力器的安装方案。

如图2所示，根据本发明安装的推力器1-4具有相应的倾斜角度γ。由此，既可以保证足够的有效推力，又可以保证干扰力矩能够被基本抵消，从而提供高效的推力器工作状态并维持轨控期间的卫星姿态。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (7)

1.一种确定推力器的倾斜角度的方法，包括下列步骤：

确定推力器的倾斜方向；

提供干扰力矩关于倾斜角度的公式；

提供控制力矩关于倾斜角度的公式；以及

确定推力器的倾斜角度，使得控制力矩大于干扰力矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定推力器的倾斜方向包括：

对于具有转动机构或柔性机构的卫星，选择推力器向内倾斜方式；或者

对于推力器安装位置靠近质心的情况，若安装位置满足则选择推力器向内倾斜方式，其中L₁为两个同边反向倾斜的推力器的安装点之间的距离，D为质心到推力器的安装面的垂直距离；或者

对于推力器外围有遮挡物的情况，选择推力器向内倾斜方式。

3.根据权利要求1所述的方法，其中干扰力矩关于倾斜角度的公式为：

T_dx＝T_dy＝4×F×sin(θ_d)×(D+ΔD)+4×F×cos(θ_d)×cos(γ)×ΔD

其中T_dx,T_dy,T_dz为三轴干扰力矩，γ为最终要确定的推力器倾斜角度，F为单个推力器的推力大小，θ_d为推力器的喷气方向的偏差角度，D为质心到推力器的安装面的垂直距离，ΔD为质心偏差，k_{p_fw}为转速维持控制增益，ΔT_JZ为基准轮的转速维持力矩，L₁为两个同边反向倾斜的推力器安装点之间的距离，并且L₂为两个同边同向倾斜的推力器的安装点之间的距离。

4.根据权利要求1所述的方法，其中控制力矩关于倾斜角度的公式为：

绕X轴向内倾斜的控制力矩为：

或者

绕X轴向外倾斜的控制力矩为：

或者

绕Y轴向内倾斜的控制力矩为：

或者

绕Y轴向外倾斜的控制力矩为：

其中T_cx,T_cy,T_cz为三轴控制力矩。

5.根据权利要求1所述的方法，其中确定推力器的倾斜角度包括：

计算推力器的倾斜角度的范围，使得：

以及

从所述范围中选择倾斜角度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中从所述范围中选择倾斜角度包括：

选择倾斜角度的范围中的最小值作为推力器的倾斜角度。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

如果所确定的倾斜角度小于30度，则确定计算所得倾斜角度为最终值，否则重新设计推力器在星上的布局。