CN110471433B - 一种基于分布式智能部件的航天器gnc系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式智能部件的航天器GNC系统及实现方法，系统包括智能姿态确定分系统、智能姿态控制分系统和无线组网管理分系统，其中智能姿态确定分系统对航天器姿态进行测量和确定，智能姿态控制分系统对控制指令进行解算，并输出控制力矩，无线组网管理分系统对GNC系统各智能部件进行组网。采用上述智能部件并通过分布式计算与控制可以实现无星载计算机，进一步降低航天器的体积和重量。本发明首次采用智能部件设计分布式GNC系统，实现GNC系统智能化、无缆化和无星载计算机化，从而降低航天器的质量和体积，有利于快速制造、星载部件升级和替换。

Description

一种基于分布式智能部件的航天器GNC系统及实现方法

技术领域

本发明属于航天器动力学与控制技术领域，尤其涉及一种基于分布式智能部件的航天器GNC系统及实现方法。

背景技术

传统的航天器需要星载计算机进行任务规划和调度、数据处理和控制解算等，且航天器各部分需要线缆进行连接，星载计算机和线缆占据了航天器一定的重量和体积，如星载计算机重达3-4kg，显然，航天器的无计算机化和无缆化能有效地降低航天器的重量、体积和成本。航天器的无星载计算机化需要航天器的各部件智能化，例如各部件能够进行自身检测，独立地进行控制指令计算和存储，并且多单机可协调执行任务，从而取代星载计算机，完成任务指令。各部分智能化不仅能够实现无星载计算机化，还简化了星载部件升级和替换，延长航天器的寿命。

目前，没有发现与无星载计算机化相关的研究。较为相似的，诸如积木式航天器，如和平号空间站采用了积木式结构，先后对接了5个实验舱，最终形成了巨大的空间复合体，具有功能强，适用范围广等优点。Jing Chu等基于多体系统理论，设计了一种分布式航天器系统，以达到更新替换失效模块的目标(Jing Chu,Jian Guo,EberhardGill.Decentralized autonomous planning of cluster reconfiguration forfractionated spacecraft[J],Acta Astronautica,2016，123)。

发明内容

发明目的：提供一种基于分布式智能部件的航天器GNC系统及实现方法。该GNC系统采用智能部件构成智能姿态确定分系统和智能姿态控制分系统，并通过无线组网管理分系统进行组网，各智能部件均具有数据处理、存储和无线传输等功能，采用上述智能部件并通过分布式计算与控制可以实现无星载计算机，进一步降低航天器的体积和重量。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于分布式智能部件的航天器GNC系统，包括智能姿态确定分系统、智能姿态控制分系统和无线组网管理分系统，其中智能姿态确定分系统对航天器姿态进行测量和确定，智能姿态控制分系统对控制指令进行解算，并输出控制力矩，无线组网管理分系统对GNC系统各智能部件进行组网。

可选的，智能姿态确定分系统由智能姿态确定敏感器组成，智能姿态确定敏感器为智能部件，包括智能星敏感器、智能太阳敏感器、智能磁强计、智能陀螺和智能GPS；智能太阳敏感器、智能磁强计和智能陀螺将检测到的航天器的姿态信息发送给智能星敏感器，智能GPS将检测到的航天器的姿态信息、轨道信息和时间同步信息发送给智能星敏感器；智能星敏感器将任务指令和时间同步信息反馈给智能太阳敏感器、智能陀螺、智能磁强计和智能GPS，同时将单/多通道姿态信息发送给智能姿态控制分系统。

可选的，智能姿态控制分系统由智能姿态控制执行机构组成，智能姿态控制执行机构为智能部件，包括智能飞轮、智能控制力矩陀螺、智能推力器、智能磁力矩器和智能重力梯度杆；智能姿态控制分系统中的组网管理中心将任务指令发送给智能星敏感器和智能姿态控制分系统中的各智能执行机构；同时智能姿态控制分系统输出的力矩信息和外部干扰力矩通过航天器姿态动力学和航天器姿态运动学后反馈给智能姿态确定分系统。

可选的，无线组网管理分系统对所有智能部件进行组网，根据实际情况选取其中一个智能部件为组网管理中心，其余智能部件为组网管理分站，其中作为组网管理中心的智能部件需接收地面站发送的任务要求，并执行任务规划和调度功能。

本发明还提供了一种上述基于分布式智能部件的航天器GNC系统的实现方法，包括以下工作步骤：

(1)各智能部件启动，进行分布式组网；

(2)组网管理中心进行任务指令接收和任务规划和发布；

(3)智能姿态确定分系统和智能执行机构系统进行故障检测；

(4)智能姿态确定分系统根据任务要求和任务规划进行姿态测量、确定和发送；

(5)各智能执行机构分别接收所需的姿态信息，分别进行控制指令解算，输出控制力矩，进行姿态控制；

(6)假如任务未完成，进入步骤(2)，否则，任务结束。

进一步的，步骤(1)包括以下步骤：

(1a)各智能部件启动，进行分布式系统组网，确定组网管理中心，各组网管理分站接收系统加密算法，进行时间同步；

(1b)智能姿态确定分系统和智能姿态控制分系统初始化，智能姿态确定分系统根据各智能姿态确定敏感器性能确定主从敏感器。

进一步的，步骤(2)包括以下步骤：

(2a)组网管理中心接收地面站发送的任务要求，并根据该任务要求进行任务规划；

(2b)组网管理中心通过无线传输向组网管理分站发送任务要求及其他任务规划信息。

进一步的，步骤(3)包括以下步骤：

(3a)智能姿态确定分系统和智能执行机构系统进行故障检测，各智能部件的处理器模块对其进行状态测量，并根据各自的故障数据库和专家系统进行故障诊断，假如单个或多个智能部件发生故障，进入步骤(3b)，否则，进入步骤(4)；

(3b)假如发生故障的智能部件为组网管理中心，则移交组网管理中心身份，进入步骤(1)，重新选取组网管理中心；否则，发生故障的智能部件将故障信息发送至组网管理中心，进行故障处理，重新进行任务调度，采用另一智能部件代替故障的智能部件进行工作；

(3c)假如故障排除，可继续执行任务，进入步骤(4)，否则，组网管理中心向地面站发送故障消息，等待地面人工干预。

进一步的，步骤(4)包括以下步骤：

(4a)智能姿态确定分系统根据任务要求和任务规划进行姿态测量及确定，各智能姿态确定敏感器对姿态数据进行测量，智能太阳敏感器测量太阳方向矢量，智能星敏感器测量恒星矢量，智能陀螺测量角速度，智能磁强计测量智能磁场；且各智能姿态确定敏感器协同工作，部分智能姿态确定敏感器之间直接通过无线传输发送航天器姿态或姿态角速度信息，进行补偿或校正；

(4b)从敏感器通过无线传输向主敏感器发送各自测量的姿态数据，主敏感器对上述数据进行整合和处理，进行姿态最优估计；

(4c)当姿态信息发送条件满足时，主敏感器通过无线传输向智能执行机构系统发送多条单通道或多通道姿态信息。

进一步的，步骤(5)包括以下步骤：

(5a)各智能执行机构分别接收所需的姿态信息，分别根据航天器参数和姿态信息，采用分布式姿态控制算法进行控制指令解算，得到相应的控制力矩；

(5b)各智能执行机构根据相应的控制力矩和智能执行机构参数，计算智能执行机构的状态量；

(5c)各智能执行机构的处理器模块根据计算得到的状态量，驱动智能执行机构，输出控制力矩。

有益效果：与现有技术相比，本发明首次采用智能部件设计分布式GNC系统，采用智能部件并通过分布式计算与控制可以实现无星载计算机，通过无线传输实现数据交互能实现无缆化，从而进一步降低航天器的体积和重量；通过无线组网使智能部件协同工作能实现GNC系统智能化和模块化；因此，该分布式GNC系统有利于快速制造、星载部件升级和替换。以支持未来航天器无星载计算机化、快速测试以及大规模制造和集成等应用需求。

附图说明

图1为本发明的GNC系统控制框图；

图2为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种基于分布式智能部件的航天器姿态确定与控制(GuidanceNavigation and Control，GNC)系统，包括智能姿态确定分系统、智能姿态控制分系统和无线组网管理分系统，其中智能姿态确定分系统对航天器姿态进行测量和确定，智能姿态控制分系统对控制指令进行解算，并输出航天器姿态控制力矩，无线组网管理分系统对GNC系统各智能部件进行组网。

各分系统采用智能部件，各智能部件均具有数据处理功能、时间同步功能、任务规划和调度功能、故障诊断功能、存储功能、数据加密功能和无线信息接收和发送功能，上述功能无需星载计算机参与。

智能姿态确定分系统由智能姿态确定敏感器组成。智能姿态确定敏感器为智能部件，包括但不仅限于智能星敏感器、智能太阳敏感器、智能磁强计、智能陀螺和智能GPS；该分系统主要用于无星载计算机化的航天器姿态确定，能对外部进行无线通信，接收的外部信息包括但不仅限于任务要求、智能姿态控制分系统的故障信息，对外部发送的信息包括但不仅限于单通道或多通道的姿态信息、该分系统的故障信息、任务要求；该系统内部的智能姿态确定敏感器之间能进行无线通信，发送和接收的内部信息包括但不仅限于相应智能姿态确定敏感器的故障信息和采集并处理的姿态信息。

智能姿态控制分系统由智能姿态控制执行机构组成，智能姿态控制执行机构为智能部件，包括但不仅限于智能飞轮、智能控制力矩陀螺、智能推力器、智能磁力矩器和智能重力梯度杆；该分系统主要用于无星载计算机化的姿态控制指令计算和控制力矩输出，其能对外部进行无线通信，接收的外部信息包括但不仅限于任务要求、单通道或多通道的姿态信息和智能姿态确定分系统的故障信息，对外部发送的信息包括但不仅限于该分系统的故障信息和任务要求；该系统内部的智能姿态控制执行机构之间能进行无线通信，发送和接收的内部信息包括但不仅限于相应智能姿态控制执行机构的状态信息，状态信息包括但不仅限于故障信息和飞轮饱和等信息。

无线组网管理分系统对所有智能部件进行组网，根据实际情况选取其中一个智能部件为组网管理中心，其余智能部件为组网管理分站，其中作为组网管理中心的智能部件需接收地面站发送的任务要求，并执行任务规划和调度功能。

如图1所示，一种基于分布式智能部件的航天器GNC系统，包括智能姿态确定分系统、智能姿态控制分系统和无线组网管理分系统，其中，智能姿态确定分系统包括智能星敏感器、智能太阳敏感器、智能磁强计、智能陀螺和智能GPS，本实施例中选取智能星敏感器为主敏感器，智能太阳敏感器、智能陀螺、智能磁强计和智能GPS分别为从敏感器1、从敏感器2、从敏感器n-1和从敏感器n(本实施例中n＝4)；智能姿态控制分系统包括多个智能飞轮、多个智能控制力矩陀螺、多个智能推力器、多个智能磁力矩器等m个智能执行机构，本实施例中选取智能执行机构1为组网管理中心；智能太阳敏感器、智能磁强计和智能陀螺将检测到的航天器的姿态信息发送给智能星敏感器，智能GPS将检测到的航天器的姿态信息、轨道信息和时间同步信息发送给智能星敏感器；智能星敏感器将任务指令和时间同步信息反馈给智能太阳敏感器、智能陀螺、智能磁强计和智能GPS，同时将单/多通道姿态信息发送给智能姿态控制分系统，智能姿态控制分系统中的组网管理中心将任务指令发送给智能星敏感器和智能姿态控制分系统中的各智能执行机构；各智能执行机构根据任务指令、单/多通道姿态信息等进行控制指令解算，输出控制力矩。

各智能姿态确定敏感器和智能姿态控制执行机构均为智能部件，均具有处理器模块、存储模块和无线传输模块，均具有独立的数据处理功能、时间同步功能、任务规划和调度功能、故障诊断功能、存储功能、数据加密功能和无线信息接收和发送功能，使得智能姿态确定分系统和智能姿态控制分系统能在无需星载计算机参与的情况下协同工作，且除电源线缆之外，无需其他线缆链接。

如图2所示，一种基于分布式智能部件的航天器GNC系统实现方法，包括以下步骤：

(1)智能部件启动和组网：

(1a)各智能部件启动，进行分布式系统组网，确定组网管理中心，各组网管理分站接收系统加密算法，进行时间同步；

(1b)智能姿态确定分系统和智能姿态控制分系统初始化，智能姿态确定分系统根据各智能姿态确定敏感器性能确定主从敏感器；

(2)任务指令接收和任务规划和发布：

(2a)组网管理中心接收地面站发送的任务要求，并根据该任务要求进行任务规划；

(2b)组网管理中心通过无线传输向组网管理分站发送任务要求及其他任务规划信息；

(3)故障检测：

(3a)智能姿态确定分系统和智能执行机构系统进行故障检测，各智能部件的处理器模块对其进行状态测量，并根据各自的故障数据库和专家系统进行故障诊断，假如单个或多个智能部件发生故障，进入步骤(3b)，否则，进入步骤(4a)；

(3b)假如发生故障的智能部件为组网管理中心，则移交组网管理中心身份，进入步骤(1a)，重新选取组网管理中心；否则，发生故障的智能部件将故障信息发送至组网管理中心，进行故障处理，重新进行任务调度，采用另一智能部件代替故障的智能部件进行工作；

(3c)假如故障排除，可继续执行任务，进入步骤(4a)，否则，组网管理中心向地面站发送故障消息，等待地面人工干预；

(4)姿态确定和发送：

(4a)智能姿态确定分系统根据任务要求和任务规划进行姿态测量及确定，各智能姿态确定敏感器对姿态数据进行测量，智能太阳敏感器测量太阳方向矢量，智能星敏感器测量恒星矢量，智能陀螺测量角速度，智能磁强计测量智能磁场等；且各智能姿态确定敏感器协同工作，部分智能姿态确定敏感器之间通过无线传输发送航天器姿态或姿态角速度信息，进行补偿或校正；

(4b)从敏感器通过无线传输向主敏感器发送各自测量的姿态数据，主敏感器对上述数据进行整合和处理，进行姿态最优估计；

(4c)当姿态信息发送条件满足时，主敏感器通过无线传输向智能执行机构系统发送多条单通道或多通道姿态信息；

(5)姿态控制：

(5a)各智能执行机构分别接收所需的姿态信息，分别根据航天器参数和姿态信息等，采用分布式姿态控制算法进行控制指令解算，得到相应的控制力矩；

(5b)各智能执行机构根据相应的控制力矩和智能执行机构参数，计算智能执行机构的状态量，例如智能飞轮根据其控制力矩和智能飞轮转动惯量计算智能飞轮的角加速度；

(5c)各智能执行机构的处理器模块根据计算得到的状态量，驱动智能执行机构，输出控制力矩；

(6)假如任务未完成，进入步骤(2a)，否则，任务结束。

Claims (3)

1.一种基于分布式智能部件的航天器GNC系统，其特征在于：包括智能姿态确定分系统、智能姿态控制分系统和无线组网管理分系统，其中智能姿态确定分系统对航天器姿态进行测量和确定，智能姿态控制分系统对控制指令进行解算，并输出控制力矩，无线组网管理分系统对GNC系统各智能部件进行组网；

智能姿态确定分系统由智能姿态确定敏感器组成，智能姿态确定敏感器为智能部件，包括智能星敏感器、智能太阳敏感器、智能磁强计、智能陀螺和智能GPS；智能太阳敏感器、智能磁强计和智能陀螺将检测到的航天器的姿态信息发送给智能星敏感器，智能GPS将检测到的航天器的姿态信息、轨道信息和时间同步信息发送给智能星敏感器；智能星敏感器将任务指令和时间同步信息反馈给智能太阳敏感器、智能陀螺、智能磁强计和智能GPS，同时将单/多通道姿态信息发送给智能姿态控制分系统；

智能姿态控制分系统由智能姿态控制执行机构组成，智能姿态控制执行机构为智能部件，包括智能飞轮、智能控制力矩陀螺、智能推力器、智能磁力矩器和智能重力梯度杆；智能姿态控制分系统中的组网管理中心将任务指令发送给智能星敏感器和智能姿态控制分系统中的各智能执行机构；同时智能姿态控制分系统输出的力矩信息和外部干扰力矩通过航天器姿态动力学和航天器姿态运动学后反馈给智能姿态确定分系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式智能部件的航天器GNC系统，其特征在于：无线组网管理分系统对所有智能部件进行组网，根据实际情况选取其中一个智能部件为组网管理中心，其余智能部件为组网管理分站，其中作为组网管理中心的智能部件需接收地面站发送的任务要求，并执行任务规划和调度功能。

3.一种权利要求1-2任一项所述基于分布式智能部件的航天器GNC系统的实现方法，其特征在于，包括以下工作步骤：

(1)各智能部件启动，进行分布式组网；包括以下步骤：

(1a)各智能部件启动，进行分布式系统组网，确定组网管理中心，各组网管理分站接收系统加密算法，进行时间同步；

(1b)智能姿态确定分系统和智能姿态控制分系统初始化，智能姿态确定分系统根据各智能姿态确定敏感器性能确定主从敏感器；

(2)组网管理中心进行任务指令接收和任务规划和发布；包括以下步骤：

(2a)组网管理中心接收地面站发送的任务要求，并根据该任务要求进行任务规划；

(2b)组网管理中心通过无线传输向组网管理分站发送任务要求及其他任务规划信息；

(3)智能姿态确定分系统和智能执行机构系统进行故障检测；包括以下步骤：

(3a)智能姿态确定分系统和智能执行机构系统进行故障检测，各智能部件的处理器模块对其进行状态测量，并根据各自的故障数据库和专家系统进行故障诊断，假如单个或多个智能部件发生故障，进入步骤(3b)，否则，进入步骤(4)；

(3b)假如发生故障的智能部件为组网管理中心，则移交组网管理中心身份，进入步骤(1)，重新选取组网管理中心；否则，发生故障的智能部件将故障信息发送至组网管理中心，进行故障处理，重新进行任务调度，采用另一智能部件代替故障的智能部件进行工作；

(3c)假如故障排除，可继续执行任务，进入步骤(4)，否则，组网管理中心向地面站发送故障消息，等待地面人工干预；

(4)智能姿态确定分系统根据任务要求和任务规划进行姿态测量、确定和发送；包括以下步骤：

(4a)智能姿态确定分系统根据任务要求和任务规划进行姿态测量及确定，各智能姿态确定敏感器对姿态数据进行测量，智能太阳敏感器测量太阳方向矢量，智能星敏感器测量恒星矢量，智能陀螺测量角速度，智能磁强计测量智能磁场；且各智能姿态确定敏感器协同工作，部分智能姿态确定敏感器之间直接通过无线传输发送航天器姿态或姿态角速度信息，进行补偿或校正；

(4b)从敏感器通过无线传输向主敏感器发送各自测量的姿态数据，主敏感器对上述数据进行整合和处理，进行姿态最优估计；

(4c)当姿态信息发送条件满足时，主敏感器通过无线传输向智能执行机构系统发送多条单通道或多通道姿态信息；

(5)各智能执行机构分别接收所需的姿态信息，分别进行控制指令解算，输出控制力矩，进行姿态控制；包括以下步骤：

(5a)各智能执行机构分别接收所需的姿态信息，分别根据航天器参数和姿态信息，采用分布式姿态控制算法进行控制指令解算，得到相应的控制力矩；

(5b)各智能执行机构根据相应的控制力矩和智能执行机构参数，计算智能执行机构的状态量；

(5c)各智能执行机构的处理器模块根据计算得到的状态量，驱动智能执行机构，输出控制力矩；

(6)假如任务未完成，进入步骤(2)，否则，任务结束。

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