CN110481816B - 星上前馈力矩补偿的多系统同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星总体技术领域内的星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，包括步骤一：以数管计算机时间T为标准时间基准，使用星上时间对姿轨控、扫描成像载荷、步进成像载荷的时间系统进行统一校时；步骤二：数管计算机统一接收并分发地面发送的工作指令；步骤三：姿轨控系统分别针对扫描成像载荷、步进成像载荷开始前馈力矩补偿操作，补偿过程中持续将前馈补偿与多台载荷指向、扫描和步进进行同步；步骤四：姿轨控系统按照约定的规律完成一条指令补偿操作后，姿轨控系统停止补偿，等待下一条指令。本发明够确保补偿力矩和载荷工作的同步性，保证卫星的高精度指标的实现。

Description

星上前馈力矩补偿的多系统同步方法

技术领域

本发明涉及卫星总体技术领域，具体的，涉及一种采用前馈力矩补偿星上多系统同步的方法。

背景技术

随着高轨高精度对地成像卫星的不断发展，对卫星的时间分辨率和空间分辨率提出了越来越高的要求，与此相对应的是载荷的扫描的速度不断提高和扫描镜面积的不断增大。一方面，对卫星平台意味着载荷工作时对其产生的干扰力矩的不断增大，而受到目前星上控制能力的限制，卫星星上控制系统并不能对由这种干扰引起的卫星姿态变化进行有效控制，保证卫星工作时的姿态稳定度。另一方面，由于载荷扫描镜的往复工作，其工作时产生的干扰力矩为周期性扰动，若干扰频率与星上挠性部件频率产生耦合，则卫星会发生耦合振动，严重影响卫星姿态，造成载荷无法对地成像。

为了减小载荷干扰对卫星的影响，可以采用前馈力矩补偿技术，使用星上反作用飞轮在载荷工作时产生一个反向的控制力矩或控制角动量。在前馈补偿中，补偿力矩和载荷运动的同步性非常重要，如果补偿力矩与载荷运动不同步甚至相位完全错开，补偿不但起不到减小干扰的效果，甚至会反过来对卫星造成更大的影响。在实际工程中，由于星上载荷运动控制和反作用飞轮前馈控制往往不是由同一台星载计算机执行，受到不同计算机之间时钟稳定性、计算周期、计算精度、舍入误差等的影响，若不采取一定的同步方法，前馈补偿力矩会与载荷的实际运动逐步发生偏移，甚至会出现相位完全错开的情况，严重影响卫星工作。

使用前馈力矩补偿技术补偿星上载荷干扰力矩时，卫星装载有多台活动载荷，各台载荷有多种不同的工作模式，对应不同的运动规律，按照地面业务工作流程工作，其开始时间和扫描运动方式也各不相同。为了保证补偿的效果，需要姿轨控系统按照不同的规律和时间进行力矩补偿，且载荷扫描运动时间和姿轨控系统力矩补偿的时间尽量保持一致，载荷在扫描过程中切换运动规律的时间和前馈力矩切换规律的时间也需要保持一致。开始扫描时间、运动规律切换时间和补偿时间不一致都将影响补偿效果；最恶劣的情况，如果开始扫描时间、运动规律切换时间和补偿时间发生完全错位，则前馈力矩补偿不但不能消除载荷干扰力矩对卫星姿态的影响，其补偿力矩反而变成另外一个干扰源，再一次影响卫星的姿态。

经对现有技术检索发现，中国发明专利公开号为CN201810044850.X，发明名称为一种基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法，该方法是在姿态检测系统将测定的微小卫星姿态传递给控制器后，控制器根据测定的姿态计算应施加的目标力矩，并以各反作用轮的速度作为反馈量，重新分配每个反作用轮待产生的力矩，各反作用轮执行各分配的力矩，完成微小卫星的姿态调控。该发明对独立工作的多系统间工作同步的要求，不能保补偿力矩和载荷工作的同步性，也不能确保卫星的高精度指标。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星上前馈力矩补偿的多系统同步方法。

根据本发明提供的一种星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，包括以下步骤：

步骤一，校时时间系统：以数管计算机时间T为标准时间基准，使用星上时间对姿轨控、扫描成像载荷、步进成像载荷的时间系统进行统一校时；

步骤二，接收与发送工作指令；数管计算机统一接收并分发地面发送的工作指令；

步骤三，前馈力矩补偿：扫描成像载荷、步进成像载荷按照各自指令规定的起始时间t_{I_start}和t_{s_start}开始工作，姿轨控系统则按照t_{I_start}和t_{s_start}分别针对扫描成像载荷、步进成像载荷开始前馈力矩补偿操作，补偿过程中持续将前馈补偿与多台载荷指向、扫描和步进进行同步；力矩补偿操作过程中，如果载荷工作方式为指向方式，则仅使用开始时间进行同步；如果扫描成像载荷工作方式为扫描方式或者步进成像载荷为步进方式，则姿轨控系统通过分别接收扫描载荷的扫描转弯时间或者步进载荷的步进开始时间，完成前馈力矩补偿和多台载荷工作的同步，在一条工作指令执行过程中，需要持续按照约定进行同步操作，直至该条指令执行完成。

步骤四，前馈力矩补偿完成：经所述步骤三中前馈力矩补偿后，姿轨控系统按照工作指令根据约定的规律完成某台载荷一条指令的补偿操作后停止对该台载荷的补偿，直至接收到该载荷下一条工作指令后再按开始时间和运动规律进行补偿，同时继续按照另外一台载荷当前的工作指令完成对其的补偿操作。

一些实施方式中，所述步骤一中姿轨控、扫描成像载荷以及步进成像载荷的系统时间与标准时间T的绝对误差＜5ms。

一些实施方式中，所述步骤二数管计算机在指令分发时按照不同载荷分别分发各自对应的工作指令，向姿轨控系统分发所有工作指令。

一些实施方式中，所述步骤三中姿轨控系统针对扫描成像载荷分为指向工况补偿同步和扫描工况补偿同步。

一些实施方式中，所述步骤三中姿轨控系统针对步进成像载荷分为指向工况补偿同步和步进工况补偿同步。

一些实施方式中，姿轨控系统补偿操作过程中对力矩补偿时间和载荷扫描镜运动的时间进行滞后对齐操作。

一些实施方式中，所述扫描工况补偿同步操作中通过计算补偿开始时间和扫描开始时间的时差，进而再使用上一行的开始时差校准本行的补偿开始时间，完成补偿同步。

一些实施方式中，所述步进工况补偿同步操作中，将步进成像载荷探测开始时间发送给姿轨控系统，姿轨控系统以该时间为基准时间重置步进成像载荷开始探测时间与姿轨控系统开始补偿计算时间并使其两者相同，重新进行补偿时间的计算，进而完成补偿同步。

一些实施方式中，步进成像载荷开始探测时间与姿轨控系统开始补偿计算时间的偏差≤1.3ms。

一些实施方式中，所述步进成像载荷步进与姿轨控补偿的时差≤42ms。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、采用本发明同步方法后，姿控系统对载荷运动的补偿的时间同步精度能够维持在42ms以内，保证补偿与载荷运动的同步性。

2、本发明提供了一种在进行星上前馈补偿操作时，保持并行独立工作的多系统间工作同步的方法，能够确保补偿力矩和载荷工作的同步性，保证卫星的高精度指标的实现。

3、本发明针对采用前馈力矩补偿技术补偿载荷运动的高轨卫星，提出了一种基于时间同步的星上多系统前馈力矩补偿的同步方法，能够很好的保障载荷工作时的产生的干扰力矩与姿控系统补偿时的补偿力矩的时间同步性，保证多载荷同时工作时卫星的在轨高精度稳定运行。

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为本发明方法步骤流程示意图；

图2为本发明卫星的数管时间、载荷1时间与姿控时间关系图；

图3为本发明卫星的数管时间、载荷2时间与姿控时间关系图；

图4为有同步机制的卫星补偿后姿态稳定度的图示；

图5为无同步机制的卫星补偿后姿态稳定度的图示。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，如图1-5所示，星上有两种类型的载荷，一种是扫描成像的载荷，另外一种是步进成像的载荷，这两种载荷的在轨工作有相同的模式，也有各自独特的特点。

参阅图2，扫描成像载荷记为载荷1。扫描载荷的扫描和补偿涉及到两个独立的系统，考虑到指令的发送，星上实际上存在3个相互独立的时间系统：载荷的时间系统t_I、姿轨控的时间系统t_a、数管计算机时间系统T，其中数管计算机时间T为标准时间基准，t_I、t_a与T的时差最大为5ms。

记载荷开始扫描时间为t_I1，第二行扫描的开始时间(即转弯时间)为t_I2，第N行扫描的开始时间(即通讯协议给出的转弯时间)为t_In；姿轨控系统进行补偿的开始时间记为t_a1，第二行扫描补偿的开始时间为t_a2，第N行扫描的补偿开始时间为t_an。对应的标准时间为T1，T2，Tn。数管时间T为星上的时间基准，视其为标准时间，T1为第一行扫描开始的理论时间，T2为第二行扫描理论开始时间(即转弯时刻)，Tn为第N行扫描理论开始时间，第一条实线为数管时间轴。

载荷1内部上存在2条独立的时间轴，在图1中分别为第二条虚线(仪器名义时间)和第三条虚线(扫描实际时间)，其中仪器名义时间接收数管校时，扫描实际时间为载荷使用内部晶振进行计时的时间。当载荷开始工作时，其扫描按照仪器名义时间t_I1开始，此时与标准时间存在时差Δt_I1，最大值为5ms。

当扫描开始后，为了保证载荷扫描的稳定运行，载荷使用其内部晶振为时间基准进行扫描计时。当扫描到第N行时，若不使用转弯时间进行补偿同步操作，载荷扫描和补偿的时差为：

Δtn＝|Δt_In|+|Δt_an|＝42+(n-1)*Δms

若时钟漂移值为Δ＝8×10^-5s时，当扫描800s后，最恶劣的情况下将造成扫描干扰力矩和补偿力矩开始时间相差100ms，两者的完全错位，影响卫星姿态。

作为改进，针对载荷1，分为扫描和指向工况进行补偿同步：

1、指向工况补偿同步方法：

(1)以数管计算机时间T为标准时间基准，使用星上时间对姿轨控的时间系统t_a、载荷1的时间系统t_I进行统一校时，保证各系统时间与标准时间T的绝对误差小于5ms；

(2)数管计算机统一接收并分发地面发送的工作指令，在到指令执行时间前Tb秒将指令提前分发给载荷1和姿轨控系统；

(3)载荷1按照时间t_I、姿控系统按照时间t_a进行计时，当系统时间到达t_{I_start}时，载荷1开始指向，姿轨控系统开始补偿；

(4)到达指定位置后，载荷1停止指向，姿轨控系统停止补偿。

2、扫描工况补偿同步方法：

针对载荷1扫描工况，为了实现长时间工作后的时间同步，将载荷1的每行扫描开始时间发送给姿轨控系统，对载荷的工作和姿轨控的补偿进行时间同步，以第n行扫描为例，具体步骤如下：

(1)以数管计算机时间T为标准时间基准，使用星上时间对姿轨控的时间系统t_a、载荷1的时间系统t_I进行统一校时，保证各系统时间与标准时间T的绝对误差小于5ms；

(2)数管计算机统一接收并分发地面发送的工作指令，在到指令执行时间前Tb秒将指令提前分发给载荷1和姿轨控系统；

(3)载荷1按照时间t_I、姿控系统按照时间t_a进行计时，当系统时间到达t_{I_start}时，载荷1开始指向，姿轨控系统开始补偿；

到达第n行以后，补偿同步方法如下：

(4)计算补偿开始时间和扫描开始时间的时差

第n-1行时，卫星将载荷的转弯时间t_I(n-1)发送给姿轨控系统同时姿轨控系统记住自己的补偿开始时间t_a(n-1)。则补偿开始时间和扫描开始时间的时差为：

Δt(n-1)＝t_a(n-1)-t_I(n-1)。

(5)使用上一行的开始时差来校准本行的补偿开始时间

姿轨控系统使用Δt(n-1)来对第n行扫描补偿开始时间t_an进行计算校正，得到新的补偿开始时间：

t_an’＝t_an-Δt(n-1)。

此时姿轨控第n行补偿开始时间与载荷第n行扫描的开始时间的偏差：

Δtn’＝t_an’-t_In＝Δ+32ms。

使用本前馈力矩补偿同步方法后，补偿开始时间与扫描开始时间的偏差仅受到一行内载荷和姿轨控时钟漂移值的影响和姿控软件补偿周期的影响，能够很好的同步载荷扫描和姿轨控前馈力矩补偿，提高卫星姿态控制精度。

请参阅图3，步进成像载荷记为载荷2。数管时间T为星上的时间基准，视其为标准时间，T1为探测开始的理论时间，T2为第1次步进开始的理论时间，Tn为第n-1次步进开始的理论时间。第一条实线为数管时间轴，第二条虚线为探测仪时间轴t_s，t_s1为探测开始的实际时间，t_s2为第1次步进开始的实际时间，t_sn为第n-1次步进开始的实际时间。探测仪进行步进工作时，其系统的工作时序依赖于其内部一往复运动的动镜的运动周期，只有当该动镜从起始位置运动时探测仪才开始进行驻留——步进方式的工作。由此工作机制引起t_s1与T1的时差Δt_s1，最大为1.3s。则t_sn与Tn的时差Δt_sn＝Δt_s1+(n-1)*Δ’，其中Δ’为每个步进周期中由探测仪的时钟偏差引起的时间误差。由于探测仪东西向的工作指令为每行注入方式，其自身的时钟精度较高，则在一行的工作过程中Δ’可以忽略。第三条点画线为姿轨控系统t_a。t_a1为补偿开始的实际时间，t_a2为第1次步进补偿开始的实际时间，t_an为第n-1次步进补偿开始的实际时间。第n-1次步进补偿时间t_an与第n-1次步进开始的理论时间Tn的差为Δt_an，最大值为32+5ms。

当步进到第n行时，若不使用步进开始时间进行时间对准操作，探测仪步进和姿轨控补偿的时差Δtn＝|Δt_sn|+|Δt_an|＝1.337s。姿控的补偿不但不能达到效果，反而会对卫星姿态产生额外干扰。

作为改进，针对载荷2，分为步进和指向工况进行补偿同步。

1、指向工况补偿同步方法：

(1)以数管计算机时间T为标准时间基准，使用星上时间对姿轨控的时间系统t_a、载荷2的时间系统t_s进行统一校时，保证各系统时间与标准时间T的绝对误差小于5ms；

(2)数管计算机统一接收并分发地面发送的工作指令，在到指令执行时间前Tb秒将指令提前分发给载荷2和姿轨控系统；

(3)载荷1按照时间t_s、姿控系统按照时间t_a进行计时，当系统时间到达t_{s_start}时，载荷2开始指向，姿轨控系统开始补偿；

(4)到达指定位置后，载荷2停止指向，姿轨控系统停止补偿。

2、步进工况补偿同步方法；

针对载荷2步进工况，为了实现步进工作开始的时间同步，将载荷2的步进开始时间发送给姿轨控系统，对载荷2的工作和姿轨控的补偿进行时间同步，实施步骤如下：

(1)以数管计算机时间T为标准时间基准，使用星上时间对姿轨控的时间系统t_a、载荷2的时间系统t_s进行统一校时，保证各系统时间与标准时间T的绝对误差小于5ms；

(2)数管计算机统一接收并分发地面发送的工作指令，在到指令执行时间前Tb秒将指令提前分发给载荷2和姿轨控系统；

(3)载荷2按照时间t_s、姿控系统按照时间t_a进行计时，当系统时间到达t_{s_start}时，姿轨控系统开始补偿计算；

(4)载荷2到t_s1时间才开始探测，姿轨控系统开始补偿计算时间t_a1与载荷2实际开始探测的时间t_s1的偏差Δt1最大值可能为1.3s。

(5)将载荷2探测开始时间t_s1发送给姿轨控系统，姿轨控系统收到t_s1后以该时间为基准时间重置t_a1＝t_s1，重新进行补偿时间的计算。

(6)步进到第n行时，载荷2步进和姿轨控补偿的时差Δtn＝|Δt_an|+(n-1)*Δ’，最大值为42ms。

综上所述，采用本发明同步方法后，姿控系统对载荷运动的补偿的时间同步精度能够维持在42ms以内，保证补偿与载荷运动的同步性。本发明针对采用前馈力矩补偿技术补偿载荷运动的高轨卫星，提出了一种基于时间同步的星上多系统前馈力矩补偿的同步方法，能够很好的保障载荷工作时的产生的干扰力矩与姿控系统补偿时的补偿力矩的时间同步性，保证多载荷同时工作时卫星的在轨高精度稳定运行。同时，在进行星上前馈补偿操作时，保持并行独立工作的多系统间工作同步的方法，能够确保补偿力矩和载荷工作的同步性，保证卫星的高精度指标的实现。

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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，校时时间系统：以数管计算机时间T为标准时间基准，使用星上时间对姿轨控、扫描成像载荷、步进成像载荷的时间系统进行统一校时；

步骤二，接收与发送工作指令：数管计算机统一接收并分发地面发送的工作指令；

步骤三，前馈力矩补偿：扫描成像载荷、步进成像载荷按照各自指令规定的起始时间t_{I_start}和t_{s_start}开始工作，姿轨控系统则按照t_{I_start}和t_{s_start}分别针对扫描成像载荷、步进成像载荷开始前馈力矩补偿操作，补偿过程中持续将前馈力矩补偿与多台载荷指向、扫描和步进进行同步；

步骤四，前馈力矩补偿完成：经所述步骤三中前馈力矩补偿后，姿轨控系统按照工作指令根据约定的运动规律完成某台载荷一条工作指令的补偿操作后停止对该台载荷的补偿，直至接收到该载荷下一条工作指令后再按开始时间和运动规律进行补偿，同时继续按照另外一台载荷当前的工作指令完成对其的补偿操作。

2.根据权利要求1所述的星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，其特征在于，所述步骤一中姿轨控、扫描成像载荷以及步进成像载荷的时间系统的时间与标准时间T的绝对误差＜5ms。

3.根据权利要求1所述的星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，其特征在于，所述步骤二数管计算机在指令分发时按照不同载荷分别分发各自对应的工作指令，向姿轨控系统分发所有工作指令。

4.根据权利要求1所述的星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，其特征在于，所述步骤三中姿轨控系统针对扫描成像载荷分为指向工况补偿同步和扫描工况补偿同步。

5.根据权利要求1所述的星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，其特征在于，所述步骤三中姿轨控系统针对步进成像载荷分为指向工况补偿同步和步进工况补偿同步。

6.根据权利要求5所述的星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，其特征在于，姿轨控系统补偿操作过程中对力矩补偿时间和载荷扫描运动的时间进行滞后对齐操作。

7.根据权利要求4所述的星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，其特征在于，所述扫描工况补偿同步操作中通过计算补偿开始时间和扫描开始时间的时差，进而再使用上一行的开始时差校准本行的补偿开始时间，完成补偿同步。

8.根据权利要求5所述的星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，其特征在于，所述步进工况补偿同步操作中，将步进成像载荷探测开始时间发送给姿轨控系统，姿轨控系统以该时间为基准时间重置步进成像载荷探测开始时间与姿轨控系统开始补偿计算时间并使其两者相同，重新进行补偿时间的计算，进而完成补偿同步。

9.根据权利要求8所述的星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，其特征在于，步进成像载荷开始探测时间与姿轨控系统开始补偿计算时间的偏差≤1.3ms。

10.根据权利要求8所述的星上前馈力矩补偿的多系统同步方法，其特征在于，所述步进成像载荷步进与姿轨控系统补偿的时差≤42ms。

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