CN109857086B - 双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天卫星技术领域的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，包括如下步骤：步骤1，建立双超卫星平台磁浮机构输出力与控制力和控制力矩的对应关系的数学模型，写出分配矩阵P；步骤2，分析单个磁浮机构故障时对两舱间位置控制力和姿态控制力矩的影响；步骤3，根据故障发生部位，建立补偿对策。本发明的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，解决了双超平台故障下的控制问题，提高可靠性，能够指导双超卫星的优化设计。

Description

双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法

技术领域

本发明涉及航天卫星技术领域，具体涉及一种双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法。

背景技术

卫星平台(satellite platform)由卫星服务(保障)系统组成、可以支持一种或几种有效载荷的组合体。卫星平台实际上就是除了有效载荷或有效载荷舱以外卫星的其余部分。卫星平台可以由卫星服务(保障)系统组合成一个或几个舱段，例如服务舱、推进舱和返回舱。

从已研制成功的卫星分析，卫星平台不论安装什么有效载荷，其基本功能是一致的，只是具体的技术性能会有所差别。根据这一特点，世界上许多国家在卫星研制中，都采取卫星公用平台的设计思路，使卫星平台具有通用性，在一定范围内适应不同有效载荷的要求。也就是说，装载不同的有效载荷，卫星平台只做少量适应性修改即可。采用这种公用平台的设计方法，可以缩短卫星研制周期，节省研制经费，提高卫星可靠性。

按照传统载荷与卫星平台固连的设计方法，载荷指向与稳定度依靠卫星平台控制系统实现，但由于卫星平台高频微振动不可避免，且控制系统产品带宽、精度等能力有限，使得微振动“难测、难控”的技术瓶颈很难突破。针对这个问题设计的双超卫星(“超精超稳”卫星)通过非接触磁浮机构实现两舱的动静隔离，物理上直接消除平台舱高频微振动对载荷舱的不利影响。

双超卫星平台对控制系统的可靠性和安全性提出了极高的要求，然而其关键部件磁浮机构基于电磁原理设计，具有高精密的特点，一旦发生故障，会极大地影响在轨任务，因此需要对故障情况进行分析，设计补偿方案，从而保障平台安全运行。

经对现有技术的检索，中国发明专利201710349721.7，发明名称为卫星非接触磁浮机构电流补偿控制方法，该专利披露了如下技术内容：包括如下步骤：第一步，将非接触磁浮机构的永磁体之间的空间进行细分选取采样点，并对采样点进行空间坐标定义；第二步，对采样点处的磁场强度进行测量并记录；第三步，对各个采样点磁场强度信息进行处理，得到不同坐标点位置电流的需补偿系数；第四步，在进行输出力控制时，实时测得线圈中心点所处位置；第五步，在进行输出力控制时，电流输出量根据线圈中心点所处位置和补偿系数进行补偿。该专利申请虽然实现卫星姿态指向精度优于5×10^-4度、姿态稳定度优于5×10^-6度/秒的超高精度，实现了载荷姿态的完全可测可控，但是该申请并不能对双超卫星的单个磁浮机构的故障情况进行判断和补偿，无法增强了对故障的处理能力，卫星在轨性能不能得到保障。

因此，有必要设计一种能够对双超卫星的单个磁浮机构的故障情况进行判断和补偿，增强对故障的处理能力，并且能够保障卫星在轨性能的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，本发明能够对双超卫星的单个磁浮机构的故障情况进行判断和补偿，增强对故障的处理能力，并且能够保障卫星在轨性能。

本发明涉及一种双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，包括如下步骤：

步骤1，建立双超卫星平台磁浮机构输出力与控制力和控制力矩的对应关系的数学模型，写出分配矩阵P；

步骤2，分析单个磁浮机构故障时对两舱间位置控制力和姿态控制力矩的影响；

步骤3，根据故障发生部位，建立补偿对策。

进一步地，所述双超卫星平台的磁浮机构为8个，用来控制载荷舱的姿态以及载荷舱和平台舱之间的位置。

进一步地，8个所述磁浮机构均匀设置在所述双超卫星平台的载荷舱和平台舱之间的相对界面上。

进一步地，所述磁浮机构按照两两垂直正交的方式安装，所述磁浮机构由永久磁铁端和线圈端组成。

进一步地，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1，8个磁浮机构的输出力分别表示为F_A1,F_A2,F_A3,F_A4,F_B1,F_B2,F_B3,F_B4；

步骤1.2，磁浮机构产生的力的合力，用于控制载荷舱和平台舱之间的相对位置，每2个对称安装的磁浮机构产生力矩，其合力矩用于控制载荷舱的X、Y、Z三轴的姿态；

步骤1.3：根据8个磁浮机构的安装位置，写出如下关系式：

其中，F_x为载荷舱和平台舱之间X方向的控制力，F_y为两舱间Y方向的控制力，F_z为两舱间Z方向的控制力，T_x为载荷舱X轴的控制力矩，T_y为载荷舱Y轴的控制力矩， T_z为载荷舱Z轴的控制力矩，L₁为Y方向的力臂，L₂为X方向的力臂，L为两舱相对距离；

步骤1.4，写出分配矩阵P的表达式，如下式，

其中，L，L₁，L₂的定义同步骤1.3中的定义。

进一步地，所述磁浮机构安装的X、Y、Z轴均定义在惯性坐标系下。

进一步地，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1，建立8个磁浮机构和各方向控制力以及各轴控制力矩的对应关系，

其中，X方向控制力：由B2，B4共同控制；

Y方向控制力：由B1，B3共同控制；

Z方向控制力：由A1，A2，A3，A4共同控制；

载荷舱X轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B1，B3共同控制；

载荷舱Y轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B2，B4共同控制；

载荷舱Z轴控制力矩：由B1，B2，B3，B4共同控制；

步骤2.2，单个执行器故障对载荷舱姿态的影响情况分析，

磁浮机构A1故障：影响Z向力和XY轴力矩；

磁浮机构A2故障：影响Z向力和XY轴力矩；

磁浮机构A3故障：影响Z向力和XY轴力矩；

磁浮机构A4故障：影响Z向力和XY轴力矩；

磁浮机构B1故障：影响Y向力和XZ轴力矩；

磁浮机构B2故障：影响X向力和YZ轴力矩；

磁浮机构B3故障：影响Y向力和XZ轴力矩；

磁浮机构B4故障：影响X向力和YZ轴力矩。

进一步地，所述磁浮机构发生的故障为电流发生的故障，磁浮机构输出力模型为：

F＝BIl

其中，F为磁浮机构输出的力，B为磁场强度，I为通电电流，l为线圈有效长度，由于空间永久磁场B为稳定源，线圈有效长度l也为常数，因此，认为故障发生情况为电流I断路故障，即发生故障时，F＝0。

进一步地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1，任一磁浮机构故障，均会导致性能受损，需补偿后继续使用，建立故障补偿对策表，

A1故障：将A3电流I_A3加大一倍，重新计算P矩阵；

A2故障：将A4电流I_A4加大一倍，重新计算P矩阵；

A3故障：将A1电流I_A1加大一倍，重新计算P矩阵；

A4故障：将A2电流I_A2加大一倍，重新计算P矩阵；

B1故障：将B3电流I_B3加大一倍，重新计算P矩阵；

B2故障：将B4电流I_B4加大一倍，重新计算P矩阵；

B3故障：将B1电流I_B1加大一倍，重新计算P矩阵；

B4故障：将B2电流I_B2加大一倍，重新计算P矩阵；

步骤3.2，当仅有一个磁浮机构故障时，经过补偿，并不影响载荷舱六个自由度的控制，系统仍然安全运行。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，可以对双超卫星的单个磁浮机构的故障情况进行判断并及时补偿，极大地增强了对磁浮机构故障的处理能力，使得卫星在轨性能得到保障；

2、本发明的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，基于决策表进行故障判断，仅需软件计算与更新，不需增加硬件，成本低；

3、本发明的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，该故障的判别和补偿方法简单，补偿效果好，能够较好地应用在双超卫星平台上；

4、本发明的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，当有一个磁浮机构故障时，经过补偿，并不影响载荷舱六个自由度的控制，系统仍然安全运行；

5、本发明的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，给出了双超卫星单个磁浮机构故障的补偿方法，解决了双超卫星平台的高精度控制问题，能够指导双超卫星的设计。

附图说明

通过阅读参照以下附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为本发明的双超卫星平台单个磁浮机构故障示意图；

其中，图中对应的附图标记为：1-载荷舱，2-平台舱，3-磁浮机构线圈端，4- 磁浮机构磁铁端。

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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例中，本发明的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，包括如下步骤：

步骤1，建立双超卫星平台磁浮机构输出力与控制力和控制力矩的对应关系的数学模型，写出分配矩阵P；

步骤2，分析单个磁浮机构故障时对两舱间位置控制力和姿态控制力矩的影响；

步骤3，根据故障发生部位，建立补偿对策。

接下来对本发明进行详细的描述。

本发明的目的是提供一种双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，本发明能够对双超卫星的单个磁浮机构的故障情况进行判断和补偿，增强对故障的处理能力，并且能够保障卫星在轨性能。

如图1的实施例所示，该流程包括：

步骤1，建立双超卫星平台磁浮机构输出力与三轴控制力和三轴控制力矩的对应关系的数学模型，写出分配矩阵P；

具体地，步骤1.1，双超卫星平台在载荷舱和平台舱之间的相对界面布置8个磁浮机构，垂直正交安装，8个磁浮机构输出的力分别表示为 F_A1,F_A2,F_A3,F_A4,F_B1,F_B2,F_B3,F_B4；

步骤1.2，每个磁浮机构产生的力的合力，用于控制载荷舱和平台舱之间的相对位置，每2个对称安装的磁浮机构产生力矩，合力矩用于控制载荷舱的X、Y、Z三轴姿态；

步骤1.3：根据8个磁浮机构的安装位置，写出如下关系式：

其中，F_x为载荷舱和平台舱之间X方向的控制力，F_y为两舱间Y方向的控制力，F_z为两舱间Z方向的控制力，T_x为载荷舱X轴的控制力矩，T_y为载荷舱Y轴的控制力矩， T_z为载荷舱Z轴的控制力矩，L₁为Y方向的力臂，L₂为X方向的力臂，L为两舱相对距离。

步骤1.4，写出分配矩阵P的表达式，矩阵P是根据安装方式写的：

其中，L，L₁，L₂的定义同步骤1.3中的定义。

具体地，所述磁浮机构安装的X、Y、Z轴均定义在惯性坐标系下；

步骤2，分析单个磁浮机构故障时对两舱间位置控制力和控制力矩的影响；

具体地，步骤2.1，建立8个磁浮机构和控制力以及力矩的对应关系

X方向控制力：由B2，B4共同控制，

Y方向控制力：由B1，B3共同控制，

Z方向控制力：由A1，A2，A3，A4共同控制，

载荷舱X轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B1，B3共同控制，

载荷舱Y轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B2，B4共同控制，

载荷舱Z轴控制力矩：由B1，B2，B3，B4共同控制，

步骤2.2，单个执行器故障情况影响分析：

磁浮机构A1故障：影响Z向力和XY轴力矩，

磁浮机构A2故障：影响Z向力和XY轴力矩，

磁浮机构A3故障：影响Z向力和XY轴力矩，

磁浮机构A4故障：影响Z向力和XY轴力矩，

磁浮机构B1故障：影响Y向力和XZ轴力矩，

磁浮机构B2故障：影响X向力和YZ轴力矩，

磁浮机构B3故障：影响Y向力和XZ轴力矩，

磁浮机构B4故障：影响X向力和YZ轴力矩，

具体地，所述磁浮机构发生的故障为电流发生的故障，磁浮机构输出力模型为；

F＝BIl

其中，F为磁浮机构输出的力，B为磁场强度，I为通电电流，l为线圈有效长度。由于空间永久磁场B为稳定源，线圈有效长度l也为常数，因此，本文认为故障发生情况为电流I断路故障，即发生故障时，F＝0；

步骤3，根据故障发生部位，建立补偿对策表。

具体地：

A1故障：将A3电流I_A3加大一倍，重新计算P矩阵，

A2故障：将A4电流I_A4加大一倍，重新计算P矩阵，

A3故障：将A1电流I_A1加大一倍，重新计算P矩阵，

A4故障：将A2电流I_A2加大一倍，重新计算P矩阵，

B1故障：将B3电流I_B3加大一倍，重新计算P矩阵；

B2故障：将B4电流I_B4加大一倍，重新计算P矩阵；

B3故障：将B1电流I_B1加大一倍，重新计算P矩阵；

B4故障：将B2电流I_B2加大一倍，重新计算P矩阵。

综上所述，本发明的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，可以对双超卫星的单个磁浮机构的故障情况进行判断并及时补偿，极大地增强了对磁浮机构故障的处理能力，使得卫星在轨性能得到保障；基于决策表进行故障判断，仅需软件计算与更新，不需增加硬件，成本低；该故障的判别和补偿方法简单，补偿效果好，能够较好地应用在双超卫星平台上；当有一个磁浮机构故障时，经过补偿，并不影响载荷舱六个自由度的控制，系统仍然安全运行；给出了双超卫星单个磁浮机构故障的补偿方法，解决了双超卫星平台的高精度控制问题，能够指导双超卫星的设计。

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 (6)

1.一种双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立双超卫星平台磁浮机构输出力与控制力和控制力矩的对应关系的数学模型，写出分配矩阵P；

所述双超卫星平台的磁浮机构为8个，用来控制载荷舱的姿态以及载荷舱和平台舱之间的位置；

步骤2，分析单个磁浮机构故障时对两舱间位置控制力和姿态控制力矩的影响；

所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1，建立8个磁浮机构和各方向控制力以及各轴控制力矩的对应关系，

其中，X方向控制力：由B2，B4共同控制；

Y方向控制力：由B1，B3共同控制；

Z方向控制力：由A1，A2，A3，A4共同控制；

载荷舱X轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B1，B3共同控制；

载荷舱Y轴控制力矩：由A1，A2，A3，A4，B2，B4共同控制；

载荷舱Z轴控制力矩：由B1，B2，B3，B4共同控制；

步骤2.2，单个执行器故障对载荷舱姿态的影响情况分析，

磁浮机构A1故障：影响Z向力和XY轴力矩；

磁浮机构A2故障：影响Z向力和XY轴力矩；

磁浮机构A3故障：影响Z向力和XY轴力矩；

磁浮机构A4故障：影响Z向力和XY轴力矩；

磁浮机构B1故障：影响Y向力和XZ轴力矩；

磁浮机构B2故障：影响X向力和YZ轴力矩；

磁浮机构B3故障：影响Y向力和XZ轴力矩；

磁浮机构B4故障：影响X向力和YZ轴力矩

步骤3，根据故障发生部位，建立补偿对策；

所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1，任一磁浮机构故障，均会导致性能受损，需补偿后继续使用，建立故障补偿对策表，

A1故障：将A3电流I_A3加大一倍，重新计算P矩阵；

A2故障：将A4电流I_A4加大一倍，重新计算P矩阵；

A3故障：将A1电流I_A1加大一倍，重新计算P矩阵；

A4故障：将A2电流I_A2加大一倍，重新计算P矩阵；

B1故障：将B3电流I_B3加大一倍，重新计算P矩阵；

B2故障：将B4电流I_B4加大一倍，重新计算P矩阵；

B3故障：将B1电流I_B1加大一倍，重新计算P矩阵；

B4故障：将B2电流I_B2加大一倍，重新计算P矩阵；

步骤3.2，当仅有一个磁浮机构故障时，经过补偿，并不影响载荷舱六个自由度的控制，系统仍然安全运行。

2.根据权利要求1所述的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，其特征在于，8个所述磁浮机构均匀设置在所述双超卫星平台的载荷舱和平台舱之间的相对界面上。

3.根据权利要求2所述的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，其特征在于，所述磁浮机构按照两两垂直正交的方式安装，所述磁浮机构由永久磁铁端和线圈端组成。

4.根据权利要求1所述的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1，8个磁浮机构的输出力分别表示为F_A1,F_A2,F_A3,F_A4,F_B1,F_B2,F_B3,F_B4；

步骤1.2，磁浮机构产生的力的合力，用于控制载荷舱和平台舱之间的相对位置，每2个对称安装的磁浮机构产生力矩，其合力矩用于控制载荷舱的X、Y、Z三轴的姿态；

步骤1.3：根据8个磁浮机构的安装位置，写出如下关系式：

其中，F_x为载荷舱和平台舱之间X方向的控制力，F_y为两舱间Y方向的控制力，F_z为两舱间Z方向的控制力，T_x为载荷舱X轴的控制力矩，T_y为载荷舱Y轴的控制力矩，T_z为载荷舱Z轴的控制力矩，L₁为Y方向的力臂，L₂为X方向的力臂，L为两舱相对距离；

步骤1.4，写出分配矩阵P的表达式，如下式，

其中，L₁为Y方向的力臂，L₂为X方向的力臂，L为两舱相对距离。

5.根据权利要求4所述的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，其特征在于，所述磁浮机构安装的X、Y、Z轴均定义在惯性坐标系下。

6.根据权利要求4所述的双超卫星平台单个磁浮机构故障的判别和补偿方法，其特征在于，所述磁浮机构发生的故障为电流发生的故障，磁浮机构输出力模型为：

F＝BIl

其中，F为磁浮机构输出的力，B为磁场强度，I为通电电流，l为线圈有效长度，由于空间永久磁场B为稳定源，线圈有效长度l也为常数，因此，认为故障发生情况为电流I断路故障，即发生故障时，F＝0。

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