CN109733648B - 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 (2)

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，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；

提供干扰力矩关于倾斜角度的公式，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，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；

提供控制力矩关于倾斜角度的公式，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；以及

确定推力器的倾斜角度，使得控制力矩大于干扰力矩，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，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；

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。

2.一种机器可读存储介质，其具有存储在其上的计算机程序，所述计算机程序被配置为执行根据权利要求1所述的方法。

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