CN113885541A - 一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，包括：判断卫星工作模式的状态；若位于预置区间则进行帆板预置；若位于停控区间，则进行帆板停控；反之则搜索太阳转为太阳敏感器跟踪控制至本控制周期结束。本发明提出的方法具有较强的通用性，可以适用于具有磁洁净度要求的低/中/高轨卫星的帆板控制模式设计。
Description
技术领域
本发明属于卫星帆板控制技术领域，特别是一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法。
背景技术
传统的卫星帆板驱动机构控制方法是在卫星初始入轨时太阳帆板展开，并进行搜索、捕获和跟踪太阳。正常在轨飞行时，太阳帆板按照一定的转动速率匀速转动，持续跟踪太阳以保证能源。即：传统的帆板控制策略是以获取最大能源的帆板对日跟踪或偏置跟踪模式为主要实现方式，没有其他约束限制。
随着航天技术的不断发展进步，卫星载荷呈现多样化趋势，对卫星平台的要求也越来越高。例如，某些载荷对整星的磁洁净度有很高要求，这部分载荷在一定纬度范围内需要对地磁场进行测量，而帆板驱动机构在转动时产生的磁场会对该载荷产生影响，不利于载荷工作。因此，载荷工作模式对帆板控制带来了约束。
帆板控制对于整星能源安全和在轨载荷工作都具有至关重要的作用，既要保证在有限的非载荷工作区域进行能源的最大化补充，又要实现载荷工作区的帆板停转以消除驱动机构转动引入的空间磁环境污染。显然，卫星传统的帆板连续跟踪策略不适用对磁洁净度有要求的载荷，控制系统需要对传统的帆板控制策略进行调整和设计，以解决整星能源要求和磁洁净度之间的矛盾问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，解决了整星的能源要求和磁洁净度要求的矛盾。
本发明的技术解决方案是：
第一方面，一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，步骤如下：
1)判断卫星工作模式的状态：若当前正常飞行模式，则进入步骤2)；若当前处于任务模式或故障模式，则控制帆板平面法线指向太阳，待结束任务模式或故障模式后，进入步骤2)；
2)判断卫星当前的星下点纬度δ是否位于预置区间，若是，则控制帆板开始朝向特定角度转动，待卫星飞出预置区间后，进入步骤3)；反之，则直接进入步骤3)；
3)判断卫星的星下点纬度δ是否位于停转区间，若是，则控制帆板停止转动，待卫星飞出停转区间后，进入步骤4)；反之，则直接进入步骤4)；
4)控制帆板转动进行太阳搜索，直至帆板平面的法线指向太阳之后，保持帆板对太阳的跟踪控制；待本周期控制结束后，返回步骤1)。
可选地，步骤2)所述预置区间是指卫星在由南向北飞行并且卫星星下点纬度在南纬B到南纬A之间，或者卫星在由北向南飞行并且卫星星下点纬度在北纬B到北纬A之间；其中，A的取值范围为60°～70°；B的取值范围为70°～80°。
可选地，A＜B。
可选地，步骤2)所述特定角度ΔαF的确定方法，具体为：
ΔαF＝-αF-αFS-A×mδ1；
其中，αF为帆板驱动机构的输出转角，αFS为帆板理论目标转角，mδ1为自主调节系数。
可选地，步骤3)所述停转区间等于卫星的载荷工作区间。
可选地，所述步骤3)中的停转区间是指卫星星下点纬度在北纬A到南纬A度之间。
可选地，步骤2)所述特定角度使得卫星在停转区间内时帆板的能源供给最大。
第二方面，一种处理装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于从所述存储器调用并运行所述计算机程序，以执行第一方面所述的方法。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被执行时，实现第一方面所述的方法。
一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括指令，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面所述的方法。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明提出了帆板分区控制的思路，解决了能源与磁洁净度要求之间的矛盾。
2)本发明为保证赤道上方帆板对日精度，帆板提前预置并设计了可调节的预置角度修正量。
3)帆板预置模式时帆板控制角度由帆板角度传感器以及轨道数据计算得出，预置期间不使用模拟太阳敏感器数据，因此不受模拟太阳敏感器的视场限制，本发明解决了模拟太阳敏感器视场限制问题。
附图说明
图1为本发明一实施例中帆板分区控制；
图2为本发明帆板控制回路框图；
图3为本发明帆板机构分区控制逻辑图；
图4为本发明在轨帆板控制模式图；
图5为本发明在轨帆板转角与星下点纬度对应图；
图6为本发明在轨帆板驱动角速度与纬度关系曲线；
图7为本发明在轨帆板停转模式后方阵电流变化图。
具体实施方式
本发明针对磁洁净度有较高要求的卫星，这类卫星的特点是要求在载荷工作期间其他会对磁环境造成影响的单机尽可能停止工作，以保持整星的磁洁净度，保证载荷正常工作。
基于上述需求，本发明提出基于星下点纬度信息的帆板驱动机构分区控制方法，在磁洁净度要求约束下保证整星能源供给。针对任务要求，控制系统设计了帆板的1)捕获及跟踪控制、2)帆板预置、3)帆板停控的联合控制策略，三种控制方式可基于星下点纬度信息进行自主切换。
一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，步骤如下：
1)判断卫星工作模式workmode的状态：若workmode是正常飞行模式，则进入步骤2)。否则，若workmode处于任务模式或故障模式，则控制帆板平面法线指向太阳，待结束任务模式或故障模式后，进入步骤2)；
2)判断卫星当前的星下点纬度δ是否位于预置区间，若是，则控制帆板开始朝向特定角度转动，所述特定角度使得卫星在停转区间内时帆板的能源供给最大，即控制帆板使其在较短的时间内转动到某个角度值，该角度值使帆板在步骤3)停转区间时能获取最大程度的能源供给。待卫星飞出预置区间后，进入步骤3)；反之，则直接进入步骤3)；
步骤2)所述预置区间是指卫星在由南向北飞行并且卫星星下点纬度在南纬B到南纬A之间，或者卫星在由北向南飞行并且卫星星下点纬度在北纬B到北纬A之间；其中，A的取值范围为60°～70°，根据载荷工作区间来决定；B取值为70°～80°，A＜B。
步骤2)所述特定角度ΔαF的确定方法，具体为：
ΔαF＝-αF-αFS-A×mδ1；
其中，αF为帆板驱动机构的输出转角，αFS为帆板理论目标转角，mδ1为自主调节系数。
3)判断卫星的星下点纬度δ是否位于停转区间，若是，则控制帆板停止转动，待卫星飞出停转区间后，进入步骤4)；反之，则直接进入步骤4)；
所述步骤3)中的停转区间是指卫星星下点纬度在北纬A到南纬A度之间。一般来讲，可将载荷工作区间取为停转区间。
步骤2)和3)中的A和B的取值是相互关联的，例如，若载荷工作区间为南纬65°到北纬65°之间，则A取值65°，B取值需要大于65°，例如B可取75°。则预置区间为卫星由南向北飞行时南纬75°到南纬65°之间，或者卫星由北向南飞行时北纬75°到北纬65°之间；停转区间为卫星星下点纬度在北纬65°到南纬65°之间。
4)控制帆板转动进行太阳搜索，直至帆板平面的法线指向太阳之后，保持帆板对太阳的跟踪控制；待本周期控制结束后本发明实施例中控制周期为250ms，返回步骤1)。
以上步骤在每个控制周期内循环进行。
所述步骤1)中卫星的工作模式是卫星当前工作状态的体现，本发明仅在正常飞行模式时使用。
本发明设计了一种全新的帆板驱动机构控制策略，基于星下点纬度信息进行分区控制，将卫星星下点飞行纬度划分为三个区域，采取不同的控制策略：
下面对该分区联合控制策略进行阐述。
1)帆板的捕获与跟踪控制
在卫星星下点向南飞出南纬65°以外，或者向北飞出北纬65°以外的区域时，载荷停止测量工作，此时控制帆板为最大角速度进行太阳的搜索，以尽快捕获太阳实现电池阵的对日跟踪，最大程度获取能源补给。该策略继承成熟的帆板获取与跟踪控制方法，使用安装在帆板电池阵上的模拟太阳敏感器输出作为控制系统测量信息。以飞过南极为例，从北向南飞出南纬65°开始至南向北飞入南纬75°为止，该纬度弧度约为(85-65)+(85-75)＝30°，其中85°为飞行轨道的南纬极限值。
2)帆板的预置控制
在卫星星下点向南飞入北纬75°～65°之间，或者向北飞入南纬75°～65°之间时，控制系统对帆板进行预置控制，即加速控制帆板，使其在(75-65)/0.063≈160s(0.063为飞行轨道角速度值)的时间内，设定在“最佳位置”，该“最佳位置”是指在进入南纬65°至北纬65°之间、载荷启动工作后，处于停控模式的太阳电池阵能获取最大程度的能源供给。值得注意的是，“最佳位置”点还与轨道季节特性有关。
由于帆板预置时需要帆板转过很大的角度，超过一般会超出模拟太阳敏感器20°的视场，因此预置模式时帆板角度数据由帆板转角传感器以及轨道数据计算得出。
帆板预置控制时的框图与常规帆板控制逻辑一致，即如图2所示。
其中，B是帆板驱动器，理想模型为1/s，C定义如下：
不同之处在于需要在当前帆板实际转角误差上加上一个预置角度，具体为：
ΔαF＝-αF-αFS-65×mδ1
其中，mδ1为自主调节系数，该系数是轨道数据的函数，其设置的目的如前所述，是为了将与季节相关的预置角度调节到“最佳位置”。
由于预置模式只能基于帆板转角αF进行在线设计，因此，本预置策略仅在帆板零位信号正常也即帆板转角数据可信的条件下有效。一旦出现帆板零位信号异常，控制系统则将自主退出分区控制方法。
3)帆板的停控
在卫星星下点处于南纬65度至北纬65度之间时，帆板控制模式为停转模式。此时载荷启动在轨测量任务，帆板停转可为其提供良好的空间磁环境。
由于此时帆板太阳电池阵处于“最佳位置”，因此，处于停转的帆板电池阵仍能获取一定量的能源补给。该区域的能源补给与“帆板的捕获与跟踪控制”区域的能源补给共同维持整星每轨所需能源消耗。
(2)实现逻辑
提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法的具体实现逻辑如图3所示。
(3)在轨情况
卫星入轨后，在第32圈时帆板开始运行南北纬65度内停转模式，以下是在轨控制情况曲线。
图4是在轨帆板控制模式，可见，在每个轨道周期内，帆板控制模式经历了如下变化：帆板控制模式字1(根据驱动机构转角输出控制帆板转动，即帆板预置)→5(停转)→1(根据驱动机构转角输出控制帆板转动，捕获)→0(跟踪)→1(根据驱动机构转角输出控制帆板转动，即帆板预置)→5(停转)→1(根据驱动机构转角输出控制帆板转动，捕获)，依次变化并循环往复。
在轨帆板转角与星下点纬度之间的关系见图5和图6。图5可见帆板转角随纬度周期性变化，在65°～75°范围内转角值维持不变。图6可见在南北纬65度区间范围内帆板的角速度为0，在此区间外半圈内有两个“凸起”，一个对应帆板捕获，另一个对应角度预置。在轨帆板控制运行结果与设计相符。
图7给出了方阵电流随星下点纬度变化的曲线。图中内圈曲线为在轨联合放电控制线，方阵电流(外圈曲线)大于内圈曲线即能够保证在轨道圈内不发生联合供电现象，能够有效保证蓄电池组寿命。
综上所述：在轨帆板控制与设计预期相符，并且设计的帆板策略能够满足整星能源要求。
实施例
1)向南飞出南纬65°以外，或者向北飞出北纬65°以外的区域，是帆板的对日搜索与跟踪区域，旨在进行能源最大补给；
2)向南飞入北纬75°～65°之间，或者向北飞入南纬75°～65°之间，是帆板的加速预置区域，进行帆板停控前的预置控制；
3)在南纬65°至北纬65°之间，是载荷工作区域，该区域内帆板处于停控模式，以保证整星磁环境的洁净度。具体如图1所示。
载荷工作期间，卫星每轨飞行时帆板控制将在重复执行上述的步骤。除此之外，考虑到在停控区(即载荷工作区域)帆板停控状态下与太阳光线的夹角变化关系，巧妙地利用预置区域将帆板电池阵预置到“最佳位置”，使以最佳位置停控的电池阵，在卫星飞过南纬65°至北纬65°之间时再次获得更多的能源补充。经分析，该最佳位置为卫星飞过赤道时，太阳电池阵法线大约处于赤道平面内。
本发明提出了基于星下点纬度的帆板驱动机构分区控制方法，在帆板驱动机构工作模式、模拟太阳敏感器视场等多方面条件限制下，不同控制模式切换，合理控制帆板转动，最终达到同时满足整星能源要求和磁洁净度要求的目的。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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 (10)
1.一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，其特征在于，步骤如下：
1)判断卫星工作模式的状态：若当前正常飞行模式，则进入步骤2)；若当前处于任务模式或故障模式，则控制帆板平面法线指向太阳，待结束任务模式或故障模式后，进入步骤2)；
2)判断卫星当前的星下点纬度δ是否位于预置区间，若是，则控制帆板开始朝向特定角度转动，待卫星飞出预置区间后，进入步骤3)；反之，则直接进入步骤3)；
3)判断卫星的星下点纬度δ是否位于停转区间，若是，则控制帆板停止转动，待卫星飞出停转区间后，进入步骤4)；反之，则直接进入步骤4)；
4)控制帆板转动进行太阳搜索，直至帆板平面的法线指向太阳之后，保持帆板对太阳的跟踪控制；待本周期控制结束后，返回步骤1)。
2.根据权利要求1所述的一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，其特征在于，步骤2)所述预置区间是指卫星在由南向北飞行并且卫星星下点纬度在南纬B到南纬A之间，或者卫星在由北向南飞行并且卫星星下点纬度在北纬B到北纬A之间；其中，A的取值范围为60°～70°；B的取值范围为70°～80°。
3.根据权利要求2所述的一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，其特征在于，A＜B。
4.根据权利要求2所述的一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，其特征在于，步骤2)所述特定角度ΔαF的确定方法，具体为：
ΔαF＝-αF-αFS-A×mδ1；
其中，αF为帆板驱动机构的输出转角，αFS为帆板理论目标转角，mδ1为自主调节系数。
5.根据权利要求2所述的一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，其特征在于，步骤3)所述停转区间等于卫星的载荷工作区间。
6.根据权利要求5所述的一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，其特征在于，所述步骤3)中的停转区间是指卫星星下点纬度在北纬A到南纬A度之间。
7.根据权利要求6所述的一种提升磁洁净度的帆板驱动机构分区控制方法，其特征在于，步骤2)所述特定角度使得卫星在停转区间内时帆板的能源供给最大。
8.一种处理装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于从所述存储器调用并运行所述计算机程序，以执行权利要求1至7中任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被执行时，实现权利要求1至7中任一项所述的方法。
10.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括指令，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1至7中任一项所述的方法。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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