CN110673617A - 一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法，根据卫星具备的最大姿态机动角速度，最短姿态机动加速时间和姿态机动到位后所需稳定时间，按照点对点姿态机动任务所期望的机动到位时刻，判定机动任务在卫星机动能力范围内时，进行点对点姿态机动轨迹的智能调整，调整参数为姿态机动过程的最大机动角速度和角加速度，之后根据调整后的姿态机动参数，进行点对点机动过程的轨迹规划。其中，参数的调整量随任务执行预留时间的变化而变化。在保证卫星在规定的时间机动至目标姿态的前提下，降低姿态机动过程中的最大姿态机动角速度和角加速度。在进行机动过程中，执行机构输出的力矩减小，机动过程中承受的陀螺力矩减小，实现执行机构的寿命的提升。

Description

一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法。

背景技术

卫星姿态机动能力越来越强，体现在机动速度快，机动次数多，对执行机构(主要是CMG)提出了更高的要求，包括机动过程中输出大力矩的能力和总的输出大力矩的次数。同时，卫星的在轨寿命在不断提升，对执行机构的可靠性、寿命提出了更高的要求。

在频繁的快速姿态机动过程中，由于CMG的轴承频繁受到较大的径向力，影响高速轴承疲劳寿命，并诱发CMG框架控制故障。现有卫星在轨姿态机动时均按照卫星的最大机动能力进行，不论姿态机动任务紧迫与否，均要求CMG在机动过程中输出大的控制力矩，这对CMG的在轨使用寿命是不利的。

针对现有姿态机动轨迹规划方法的不足，考虑卫星的姿态机动执行能力与卫星的姿态机动任务预留的姿态机动时间，通过在轨对姿态机动能力的在线调整，在保证姿态机动任务按照完成的前提下，尽可能降低对执行机构的力矩输出需求，实现提升执行机构的可靠性和使用寿命的目的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法，该方法可以保证姿态机动任务的完成，同时降低机动过程中的力矩需求，降低对执行机构CMG的使用需求，延长CMG的可靠性和使用寿命。

本发明的技术解决方案是：

一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法，包括步骤如下：

1)当卫星接收到地面站发送给卫星的点对点机动指令时，根据设置的卫星姿态机动的最大机动角速度最短姿态机动加速时间t_acmin、卫星姿态机动到位后的稳定时间Δt_cv和目标姿态机动角度Φ_m，确定卫星最快姿态机动到位并的稳定时间dt_mnv0；

2)根据卫星接收到地面站发送的点对点机动指令的时刻t0和所述卫星姿态机动到位的目标时刻t_me，确定机动预留机动时长dt_mnv1；

3)根据步骤1)确定的所述卫星最快姿态机动到位并的稳定时间dt_mnv0和步骤2)确定的所述机动预留机动时长dt_mnv1，判定卫星是否执行步骤1)所述点对点机动指令对应的姿态机动任务，若判定卫星不执行姿态机动任务，则结束卫星轨迹规划工作，不执行步骤1)所述点对点机动指令；若判定卫星执行姿态机动任务，则进入步骤4)；

4)根据设置的卫星姿态机动的最大机动角速度

最短姿态机动加速时间t_acmin，根据步骤1)确定的卫星最快姿态机动到位并的稳定时间dt_mnv0，以及根据步骤2)确定的任务预留机动时间dt_mnv1，调整本次机动的机动轨迹规划参数，获得调整后的本次机动的机动轨迹规划参数；所述机动轨迹规划参数包括：最大角加速度和最大角速度；

5)根据步骤4)获得调整后的本次机动的机动轨迹规划参数，进行卫星机动轨迹规划工作，确定卫星姿态机动时的目标姿态参数，所述目标姿态参数包括：角加速度a_r、目标姿态角速度

和目标姿态角度θ_r。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明根据卫星在轨姿态机动预留时间，结合卫星的姿态机动能力，对姿态机动的轨迹进行智能的调整，按照调整后的参数进行轨迹规划，实现了保证在指令到位时刻前姿态机动到位的同时，尽可能降低了轨迹的最大机动角速度和角加速度。在姿态机动过程中，CMG将不需要输出最大的控制力矩，使得CMG的在轨使用环境得到改善，提升了CMG的在轨使用可靠性和使用寿命。在大角度机动时，轨迹的智能调整不仅降低了最大机动角加速度，还降低了最大姿态机动角速度，CMG高速轴承受到的陀螺力矩也将随之减小，对提升CMG的可靠性和在轨使用寿命有利。

附图说明

图1为本发明方法流程框图；

图2为采用本发明方法得到的小角度姿态机动路径；

图3为没有经过机动能力调整的小角度姿态机动路径；

图4为采用本发明方法得到的大角度姿态机动路径；

图5为没有经过机动能力调整的大角度姿态机动路径。

具体实施方式

为了兼顾卫星的快速姿态机动和CMG在轨使用寿命的需求，需要在完成姿态机动任务的前提下，尽可能降低CMG的力矩输出和所承受的陀螺力矩等。从卫星在轨实际使用来看，并不是所有的姿态机动的预留时间均完全等于卫星的最大能力。如一系列姿态机动任务中的首个任务，具备充足的姿态机动时间，最后一个任务返回零姿态时也不需要按照最大姿态机动能力机动。同时，任务与任务之间的时间间隔，一般根据任务的时间窗口来确定，也为轨迹的智能调整提供了空间。本发明方法从降低对执行机构的使用出发，通过调整点对点姿态机动的轨迹，降低了姿态机动过程中的角加速度和角速度，使得执行机构不需要输出最大力矩，不用承受最大的陀螺力矩，实现了执行机构在轨使用寿命的提升。

一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法，方法流程图如图1所示。本发明首先设置卫星的机动能力参数包括最大机动角速度

最短姿态机动加速时间t_acmin和姿态机动到位后的稳定时间Δt_cv。在收到姿态机动任务时，首先判断任务是否可执行，若不具备执行条件，则返回，否则进行姿态机动参数的智能调整，然后根据调整后的机动参数计算实时的机动过程的角加速度a_r，目标角速度

目标角θ_r，具体步骤如下：

1)当卫星接收到地面站发送给卫星的点对点机动指令时，根据设置的卫星姿态机动的最大机动角速度

最短姿态机动加速时间t_acmin、卫星姿态机动到位后的稳定时间Δt_cv和目标姿态机动角度Φ_m，确定卫星最快姿态机动到位并的稳定时间dt_mnv0；

2)根据卫星接收到地面站发送的点对点机动指令的时刻t0和所述卫星姿态机动到位的目标时刻t_me，确定机动预留机动时长dt_mnv1；

3)根据步骤1)确定的所述卫星最快姿态机动到位并的稳定时间dt_mnv0和步骤2)确定的所述机动预留机动时长dt_mnv1，判定卫星是否执行步骤1)所述点对点机动指令对应的姿态机动任务，若判定卫星不执行姿态机动任务，则结束卫星轨迹规划工作，不执行步骤1)所述点对点机动指令；若判定卫星执行姿态机动任务，即执行步骤1)所述点对点机动指令对应的姿态机动任务，进入步骤4)；

4)根据设置的卫星姿态机动的最大机动角速度

最短姿态机动加速时间t_acmin，根据步骤1)确定的卫星最快姿态机动到位并的稳定时间dt_mnv0，以及根据步骤2)确定的任务预留机动时间dt_mnv1，调整本次机动的机动轨迹规划参数，获得调整后的本次机动的机动轨迹规划参数；所述机动轨迹规划参数包括：最大角加速度和最大角速度；

5)根据步骤4)获得调整后的本次机动的机动轨迹规划参数，进行卫星机动轨迹规划工作，确定卫星姿态机动时的目标姿态参数，所述目标姿态参数包括：角加速度a_r、目标姿态角速度

和目标姿态角度θ_r，根据所述确定的卫星姿态机动时的目标姿态角加速度a_r、目标姿态角速度

和目标姿态角度θ_r控制卫星进行姿态机动。

步骤1)所述点对点机动指令包括：目标姿态机动角度Φ_m和卫星姿态机动到位的目标时刻t_me。

步骤1)所述稳定时间dt_mnv0的确定方法，具体为：

当

时，

当

时，dt_mnv0＝2·t_acmin+Δt_cv；

其中，Φ_m为地面站发送给卫星的目标姿态机动角度。

步骤3)所述判定卫星是否执行姿态机动任务的方法，具体为：

当dt_mnv1＜dt_mnv0时，则判定卫星不执行姿态机动任务；

当dt_mnv1≥dt_mnv0时，则判定卫星执行姿态机动任务；

其中，dt_mnv1为所述卫星接收到点对点机动指令的时刻t0与卫星姿态机动到位的目标时刻t_me之间的时间长度。

步骤4)所述确定本次机动时的机动轨迹规划参数的方法，具体为：

当时，本次机动的机动轨迹规划参数仅需要调整本次机动的最大角加速度a_max，具体为：

当

时，本次机动的机动轨迹规划参数需要调整本次机动的最大角加速度a_max和最大角速度

具体为：

其中，t_a＝dt_mnv1-dt_mnv0。

步骤5)所述确定卫星姿态机动时的目标姿态参数的方法，具体为：

51)当

时，所述目标角加速度a_r、目标角速度

和目标角度θ_r，具体为：

511)计算调整后的轨迹的加速时间

512)当t_m≤t_acc时，目标姿态角加速度

目标姿态角速度

目标姿态角度

其中，t_m为当前机动时间，t_m等于当前时刻到t0的时间长度；

当t_acc＜t_m≤2·t_acc时，目标姿态角加速度

目标姿态角速度

目标姿态角度

当t_m＞2·t_acc，目标姿态角加速度a_r＝0，目标姿态角速度目标姿态角度θ_r＝Φ_m。

52)当

时，所述目标角加速度a_r、目标角速度

和目标角度θ_f，具体为：

521)确定轨迹的加速时间t_acc＝t_acmin；

522)当t_m≤t_acc时，目标姿态角加速度

目标姿态角速度

目标姿态角度

523)当t_acc＜t_m≤t_acc+t_v时，目标姿态角加速度a_r＝0，目标姿态角速度

目标姿态角度

其中，轨迹匀速滑行段的时间所述轨迹匀速滑行段目标角速度

不变；

524)当t_acc+t_v＜t_m≤2·t_acc+t_v时，目标姿态角加速度

目标姿态角速度

目标姿态角度

524)当t_m＞2·t_acc+t_v时，目标姿态角加速度a_r＝0，目标姿态角速度

目标姿态角度θ_r＝Φ_m。

实施例

以某典型敏捷卫星的姿态机动过程为例。卫星机动的最大角速度为最短机动加速度时间为t_acmin＝4s，机动到位稳定时间Δt_cv＝10s。若卫星收到点对点机动指令的时刻为100s，即t0＝100s，需要进行Φ_m＝10°的姿态机动，并在t_me＝150s之前机动到位。根据姿态机动参数，计算出机动并稳定所需最短时间dt_mnv0＝18s，任务预留的姿态机动时间dt_mnv1＝50s，得到姿态机动的时间可调整量t_a＝32s，具备姿态机动能力的调整的可行性。调整后卫星的最大姿态角加速度为0.0393°/s²，最大机动角速度为0.5°/s。根据调整后的姿态机动参数规划得到机动过程的轨迹曲线，如图2所示。作为对比，图3所示为不进行姿态机动参数调整时的机动轨迹曲线，轨迹对应的最大机动角加速度为0.9817°/s²，最大机动角速度为2.5°/s。可见，通过轨迹的智能调整，最大角加速度下降至调整前的4％，最大机动角速度下降至调整前的20％。

若需要进行Φ_m＝45°的姿态机动，其余参数不变，根据姿态机动参数，计算出机动并稳定所需最短时间dt_mnv0＝23s，任务预留的姿态机动时间dt_mnv1＝50s，得到姿态机动的时间可调整量t_a＝27s，具备姿态机动能力的调整的可行性。调整后卫星的最大姿态角速度为1.25°/s，角加速度为0.4909°/s²。根据调整后的姿态机动参数规划得到机动过程的轨迹曲线，如图4所示。作为对比，图5所示为不进行姿态机动参数调整时的机动轨迹曲线，轨迹对应的最大机动角速度为5°/s，角加速度为0.9817°/s²。可见，通过轨迹的智能调整，最大角加速度下降至调整前的50％，最大机动角速度下降至调整前的25％。

根据实施例的结果，机动过程中的最大角加速度和角速度均有较大比例的下降，可有效降低执行机构的力矩输出和执行机构在机动过程中受到的陀螺力矩，从而提升CMG的可靠性和在轨使用寿命。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)当卫星接收到地面站发送给卫星的点对点机动指令时，根据设置的卫星姿态机动的最大机动角速度

最短姿态机动加速时间t_acmin、卫星姿态机动到位后的稳定时间Δt_cv和目标姿态机动角度φ_m，确定卫星最快姿态机动到位并的稳定时间dt_mnv0；

2)根据卫星接收到地面站发送的点对点机动指令的时刻t0和所述卫星姿态机动到位的目标时刻t_me，确定机动预留机动时长dt_mnv1；

3)根据步骤1)确定的所述卫星最快姿态机动到位并的稳定时间dt_mnv0和步骤2)确定的所述机动预留机动时长dt_mnv1，判定卫星是否执行步骤1)所述点对点机动指令对应的姿态机动任务，若判定卫星不执行姿态机动任务，则结束卫星轨迹规划工作，不执行步骤1)所述点对点机动指令；若判定卫星执行姿态机动任务，则进入步骤4)；

4)根据设置的卫星姿态机动的最大机动角速度

最短姿态机动加速时间t_acmin，根据步骤1)确定的卫星最快姿态机动到位并的稳定时间dt_mnv0，以及根据步骤2)确定的任务预留机动时间dt_mnv1，调整本次机动的机动轨迹规划参数，获得调整后的本次机动的机动轨迹规划参数；所述机动轨迹规划参数包括：最大角加速度和最大角速度；

5)根据步骤4)获得调整后的本次机动的机动轨迹规划参数，进行卫星机动轨迹规划工作，确定卫星姿态机动时的目标姿态参数，所述目标姿态参数包括：角加速度a_r、目标姿态角速度

和目标姿态角度θ_r。

2.根据权利要求1所述的一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法，其特征在于，步骤1)所述点对点机动指令包括：目标姿态机动角度φ_m和卫星姿态机动到位的目标时刻t_me。

3.根据权利要求2所述的一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法，其特征在于，步骤1)所述稳定时间dt_mnv0的确定方法，具体为：

当

时，

当

时，dt_mnv0＝2·t_acmin+Δt_cv。

4.根据权利要求1～3之一所述的一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法，其特征在于，步骤3)所述判定卫星是否执行姿态机动任务的方法，具体为：

当dt_mnv1＜dt_mnv0时，则判定卫星不执行姿态机动任务；

当dt_mnv1≥dt_mnv0时，则判定卫星执行姿态机动任务；

其中，dt_mnv1为所述卫星接收到点对点机动指令的时刻t0与卫星姿态机动到位的目标时刻t_me之间的时间长度。

5.根据权利要求4所述的一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法，其特征在于，步骤4)所述确定本次机动时的机动轨迹规划参数的方法，具体为：

当时，本次机动的机动轨迹规划参数仅需要调整本次机动的最大角加速度a_max，具体为：

当

时，本次机动的机动轨迹规划参数需要调整本次机动的最大角加速度a_max和最大角速度

具体为：

其中，t_a＝dt_mnv1-dt_mnv0。

6.根据权利要求5所述的一种点对点姿态机动智能轨迹规划与调整方法，其特征在于，步骤5)所述确定卫星姿态机动时的目标姿态参数的方法，具体为：

51)当时，所述目标角加速度a_r、目标角速度

和目标角度θ_r，具体为：

511)计算调整后的轨迹的加速时间

512)当t_m≤t_acc时，目标姿态角加速度

目标姿态角速度目标姿态角度

其中，t_m等于当前时刻到t0的时间长度；

当t_acc＜t_m≤2·t_acc时，目标姿态角加速度目标姿态角速度

目标姿态角度

当t_m＞2·t_acc，目标姿态角加速度a_r＝0，目标姿态角速度

目标姿态角度θ_r＝Φ_m；

52)当

时，所述目标角加速度a_r、目标角速度(

和目标角度θ_r，具体为：

521)确定轨迹的加速时间t_acc＝t_acmin；

522)当t_m≤t_acc时，目标姿态角加速度

目标姿态角速度

目标姿态角度

523)当t_acc＜t_m≤t_acc+t_v时，目标姿态角加速度a_r＝0，目标姿态角速度

目标姿态角度

其中，轨迹匀速滑行段的时间所述轨迹匀速滑行段目标角速度

不变；

524)当t_acc+t_v＜t_m≤2·t_acc+t_v时，目标姿态角加速度

目标姿态角速度目标姿态角度

524)当t_m＞2·t_acc+t_v时，目标姿态角加速度a_r＝0，目标姿态角速度

目标姿态角度θ_r＝φ_m。

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