CN112520070B - 深空探测器推力矢量实时修正方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深空探测器推力矢量实时修正方法和系统，包括：步骤1：通过加速度计实时测量探测器速度增量，并计算其在本体系下的速度增量；步骤2：计算本体系下的速度增量与目标速度增量的夹角；步骤3：判断夹角是否大于预设修正门限，若大于，则计算修正姿态四元数，否则保持修正姿态四元数为上一拍值；步骤4：实时计算修正后的目标姿态，并引入姿态闭环控制，实现因推力矢量偏差引起的速度方向误差的修正。本发明可用于深空探测器的变轨点火阶段的推力矢量自主修正，提高轨控时的速度增量控制精度，减少燃料消耗。

Description

深空探测器推力矢量实时修正方法和系统

技术领域

本发明涉及姿态动力学技术领域，具体地，涉及一种深空探测器推力矢量实时修正方法和系统。

背景技术

深空探测器为了实现脱离地球引力、进入巡航轨道或进入星地间转移轨道以及再入行星、绕飞行星等目标，需多次变轨以满足节约燃料、修正入轨精度等要求。同时，在再入大气、行星捕获等关键变轨环节中，通常仅有一次变轨机会，且需要较高的轨控精度以保障后续任务。在行星捕获阶段，探测器需点火减速，点火方向的偏差极有可能导致探测器无法形成环绕轨道，更严重则撞入行星任务失败。在再入阶段点火方向的偏差则会导致落点偏离预定位置，甚至无法进入大气。因此轨控阶段的控制精度是影响任务成败的重要环节。

影响轨控方向精度的主要因素来自推力器的偏差。通常推力器地面安装误差在0.2°左右，另外受深空复杂外热流环境影响，在轨飞行过程中推力器还会发生结构热变形，推力矢量的偏差情况更加恶劣。

专利文献CN106094529A(申请号：201610559700.3)公开了一种编队任务多脉冲控制条件下的推力器在轨自主标定方法，使用地面测定轨的方式，测出每次变轨轨控偏差，并用偏差量修正下一次变轨。多次迭代逐步实现高精度的轨道控制。该方法适用多频次、小推力的变轨修正，对于仅有一次机会的变轨则无法使用。

专利文献CN104090493A(申请号：CN201410344592.9)公开了一种基于加速度计的偏无拖曳卫星的干扰补偿控制方法，使用加速度计测量值补偿在轨卫星受到的干扰力和力矩，以保证卫星轨道的稳定，该方法多用于为科学仪器提供无干扰的空间试验平台，无法应用于高精度变轨过程。

唐歌实、陈莉丹、刘勇在“嫦娥一号卫星轨控标定方法与实现”(见《中国空间科学与技术》，2009年12月，第6期，页码1-6)中，提出了利用轨控前和轨控后的轨道数据，以及轨控过程中星敏姿态、加速度遥测对沉底发动机、主发动机、加速度计刻度系数进行标定，并将标定结果引入后续轨控任务，大大提高了控制精度。但该方法仍旧无法应用在仅一次变轨机会的场合，此外，若标定参数因空间外热流等因素发生变化，该方法将失效。

陈莉丹、李革非、谢剑锋等在“轨控标定方法研究及在交会对接中的应用”(见《载人航天》，2014年1月，第1期，页码16-20)中，采用了以轨道要素的控制结果作为标定依据，将光压、气动阻力等干扰力矩作为推力矢量偏差的一部分，以当圈标定结果作为下一次轨控的输入依据。该方法仅能适应具有高精度测定轨条件的航天器的轨道控制，无法应用在深空探测领域。

本发明提出的深空探测器推力矢量实时修正方法，采用加速度计实时测量轨控时速度增量与目标值的偏差，并实时修正轨控姿态，实现高精度的轨道控制。

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深空探测器推力矢量实时修正方法和系统。

根据本发明提供的深空探测器推力矢量实时修正方法，包括：

步骤1：通过加速度计实时测量探测器速度增量，并计算其在本体系下的速度增量；

步骤2：计算本体系下的速度增量与目标速度增量的夹角；

步骤3：判断夹角是否大于预设修正门限，若大于，则计算修正姿态四元数，否则保持修正姿态四元数为上一拍值；

步骤4：实时计算修正后的目标姿态，并引入姿态闭环控制，实现因推力矢量偏差引起的速度方向误差的修正。

优选的，探测器上安装有加速度计，在轨控阶段实时输出整器的速度增量投影在加速度计测量轴上的分量，并根据加速度计的安装矩阵解算出速度增量在本体系上的分量。

优选的，所述步骤2中，实测速度增量与目标速度增量的夹角Δθ计算公式为：

其中，

为目标速度增量在本体系下的投影；

为探测器速度增量在本体系下的投影。

优选的，所述步骤3中，根据探测器轨控阶段速度增量方向控制精度的要求，地面上注修正门限θ₀数值，若所得的夹角Δθ小于门限θ₀，计算公式为：

若所得的夹角Δθ大于门限θ₀，则更新修正姿态四元数Δq，计算公式为：

其中，e₁，e₂，e₃分别表示修正四元数的欧拉轴；k表示当前运行节拍计数；Δq(0)表示修正四元数的初始值。

优选的，修正后的目标姿态的计算公式为：

其中，q_bo为修正前目标姿态。

根据本发明提供的深空探测器推力矢量实时修正系统，包括：

模块M1：通过加速度计实时测量探测器速度增量，并计算其在本体系下的速度增量；

模块M2：计算本体系下的速度增量与目标速度增量的夹角；

模块M3：判断夹角是否大于预设修正门限，若大于，则计算修正姿态四元数，否则保持修正姿态四元数为上一拍值；

模块M4：实时计算修正后的目标姿态，并引入姿态闭环控制，实现因推力矢量偏差引起的速度方向误差的修正。

优选的，探测器上安装有加速度计，在轨控阶段实时输出整器的速度增量投影在加速度计测量轴上的分量，并根据加速度计的安装矩阵解算出速度增量在本体系上的分量。

优选的，所述模块M2中，实测速度增量与目标速度增量的夹角Δθ计算公式为：

其中，

为目标速度增量在本体系下的投影；

为探测器速度增量在本体系下的投影。

优选的，所述模块M3中，根据探测器轨控阶段速度增量方向控制精度的要求，地面上注修正门限θ₀，若所得的夹角Δθ小于门限θ₀，计算公式为：

若所得的夹角Δθ大于门限θ₀，则更新修正姿态四元数Δq，计算公式为：

其中，e₁，e₂，e₃分别表示修正四元数的欧拉轴；k表示当前运行节拍计数；Δq(0)表示修正四元数的初始值。

优选的，修正后的目标姿态的计算公式为：

其中，q_bo为修正前目标姿态。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提出的深空探测器推力矢量实时修正方法，采用加速度计实时测量轨控时速度增量与目标值的偏差，并实时修正轨控姿态，实现高精度的轨道控制；

2、本发明可用于深空探测器的变轨点火阶段的推力矢量自主修正，提高轨控时的速度增量控制精度，减少燃料消耗。

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是本发明推力矢量实时修正方法的流程图；

图2是本发明推力矢量修正原理示意图。

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。

实施例：

如图1所示，根据本发明提供的深空探测器推力矢量实时修正方法，具体实施方式如下：

1)使用加速度计实时测量并计算探测器速度增量在本体系下的投影；

加速度计用于测量作用在探测器上的非保守力引发的加速度，输出结果直接表征了探测器的速度增量，得到推力矢量在本体系上的投影

2)计算实测速度增量与目标速度增量的夹角；

目标速度增量

通过标称推力器安装方向得到，实测值与目标值夹角计算公式为：

该夹角即推力矢量方向偏差。

3)计算姿态修正四元数Δq；

姿态修正四元数初值为Δq(0)＝[1 0 0 0]，星上每个控制节拍内对该值进行计算。根据探测器轨控阶段速度增量方向控制精度的要求，确定修正门限θ₀，若推力矢量方向偏差Δθ小于该门限，姿态修正四元数保持上一拍值；若Δθ大于该门限，则更新姿态修正四元数，计算公式为：

4)计算修正后的目标姿态并引入姿态控制；

利用上一步得到的姿态修正四元数实时更新当前的轨控姿态，计算公式为：

将修正后的轨控目标姿态引入姿控系统进行闭环控制，实时补偿推力矢量偏差带来的轨控误差，如图2，为本发明推力矢量修正原理示意图。

根据本发明提供的深空探测器推力矢量实时修正系统，包括：

模块M1：通过加速度计实时测量探测器速度增量，并计算其在本体系下的速度增量；

模块M2：计算本体系下的速度增量与目标速度增量的夹角；

模块M3：判断夹角是否大于预设修正门限，若大于，则计算修正姿态四元数，否则保持修正姿态四元数为上一拍值；

模块M4：实时计算修正后的目标姿态，并引入姿态闭环控制，实现因推力矢量偏差引起的速度方向误差的修正。

优选的，探测器上安装有加速度计，在轨控阶段实时输出整器的速度增量投影在加速度计测量轴上的分量，并根据加速度计的安装矩阵解算出速度增量在本体系上的分量。

优选的，所述模块M2中，实测速度增量与目标速度增量的夹角Δθ计算公式为：

其中，

为目标速度增量在本体系下的投影；

为探测器速度增量在本体系下的投影。

优选的，所述模块M3中，根据探测器轨控阶段速度增量方向控制精度的要求，地面上注修正门限θ₀，若所得的夹角Δθ小于门限θ₀，计算公式为：

若所得的夹角Δθ大于门限θ₀，则更新修正姿态四元数Δq，计算公式为：

其中，e₁，e₂，e₃分别表示修正四元数的欧拉轴；k表示当前运行节拍计数；Δq(0)表示修正四元数的初始值。

优选的，修正后的目标姿态的计算公式为：

其中，q_bo为修正前目标姿态。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

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 (10)

1.一种深空探测器推力矢量实时修正方法，其特征在于，包括：

步骤1：通过加速度计实时测量探测器速度增量，并计算其在本体系下的速度增量；

步骤2：计算本体系下的速度增量与目标速度增量的夹角；

步骤3：判断夹角是否大于预设修正门限，若大于，则计算修正姿态四元数，否则保持修正姿态四元数为上一拍值；

步骤4：实时计算修正后的目标姿态，并引入姿态闭环控制，实现因推力矢量偏差引起的速度方向误差的修正。

2.根据权利要求1所述的深空探测器推力矢量实时修正方法，其特征在于，探测器上安装有加速度计，在轨控阶段实时输出整器的速度增量投影在加速度计测量轴上的分量，并根据加速度计的安装矩阵解算出速度增量在本体系上的分量。

3.根据权利要求1所述的深空探测器推力矢量实时修正方法，其特征在于，所述步骤2中，本体系下的速度增量与目标速度增量的夹角Δθ计算公式为：

其中，

为目标速度增量在本体系下的投影；

为探测器速度增量在本体系下的投影。

4.根据权利要求3所述的深空探测器推力矢量实时修正方法，其特征在于，所述步骤3中，根据探测器轨控阶段速度增量方向控制精度的要求，地面上注修正门限θ₀数值，若所得的夹角Δθ小于门限θ₀，计算公式为：

若所得的夹角Δθ大于门限θ₀，则更新修正姿态四元数Δq，计算公式为：

其中，e₁，e₂，e₃分别表示修正四元数的欧拉轴；k表示当前运行节拍计数；Δq(0)表示修正四元数的初始值。

5.根据权利要求4所述的深空探测器推力矢量实时修正方法，其特征在于，修正后的目标姿态的计算公式为：

其中，q_bo为修正前目标姿态。

6.一种深空探测器推力矢量实时修正系统，其特征在于，包括：

模块M1：通过加速度计实时测量探测器速度增量，并计算其在本体系下的速度增量；

模块M2：计算本体系下的速度增量与目标速度增量的夹角；

模块M3：判断夹角是否大于预设修正门限，若大于，则计算修正姿态四元数，否则保持修正姿态四元数为上一拍值；

模块M4：实时计算修正后的目标姿态，并引入姿态闭环控制，实现因推力矢量偏差引起的速度方向误差的修正。

7.根据权利要求6所述的深空探测器推力矢量实时修正系统，其特征在于，探测器上安装有加速度计，在轨控阶段实时输出整器的速度增量投影在加速度计测量轴上的分量，并根据加速度计的安装矩阵解算出速度增量在本体系上的分量。

8.根据权利要求6所述的深空探测器推力矢量实时修正系统，其特征在于，所述模块M2中，本体系下的速度增量与目标速度增量的夹角Δθ计算公式为：

其中，

为目标速度增量在本体系下的投影；

为探测器速度增量在本体系下的投影。

9.根据权利要求8所述的深空探测器推力矢量实时修正系统，其特征在于，所述模块M3中，根据探测器轨控阶段速度增量方向控制精度的要求，地面上注修正门限θ₀数值，若所得的夹角Δθ小于门限θ₀，计算公式为：

若所得的夹角Δθ大于门限θ₀，则更新修正姿态四元数Δq，计算公式为：

其中，e₁，e₂，e₃分别表示修正四元数的欧拉轴；k表示当前运行节拍计数；Δq(0)表示修正四元数的初始值。

10.根据权利要求9所述的深空探测器推力矢量实时修正系统，其特征在于，修正后的目标姿态的计算公式为：

其中，q_bo为修正前目标姿态。

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