CN117682109A - 一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法 - Google Patents

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CN117682109A CN202311288263.2A CN202311288263A CN117682109A CN 117682109 A CN117682109 A CN 117682109A CN 202311288263 A CN202311288263 A CN 202311288263A CN 117682109 A CN117682109 A CN 117682109A
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张肖
毕雨雯
龚程
于皓
王向
姜泽华
张钰轲
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Abstract

本发明涉及一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，所述推力器包含姿控推力器和轨控推力器，包含以下步骤：S1、基于陀螺测量信息进行姿控推力器自主诊断；S2、基于加速度计测量信息进行轨控推力器自主诊断；S3、基于推力器自主诊断结果进行推力器重构。本发明能够对飞行器的推力器是否有效进行程控诊断，并根据诊断结果进行推力器自主重构，从而使得飞行器在完成任务的同时保持在轨的安全性。

Description

一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法
技术领域
本发明涉及航天器制导与控制(GNC)系统控制技术领域，具体涉及一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法。
背景技术
推力器是飞行器执行任务需求最主要的机构，推力器中推进剂的剩余量决定了飞行器是否能完成任务。因此，为使得飞行器在自主可靠地完成任务的同时保持飞行器在轨的安全性，需要对推力器是否有效进行程控诊断，并根据诊断结果进行自主重构。
在飞行器质量特性、控制力矩、控制推力都已经确定的情况下，陀螺的测量信息和加速度计的测量信息能反映当前推力器是否工作正常。因此，在确定陀螺和加速度计有效的前提下，结合陀螺测量信息和姿控指令喷气，加速度计测量信息和推力器输出脉宽可反映出当前推力器是否工作正常。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，可以对推力器是否有效进行程控诊断，并根据诊断结果进行自主重构，从而使得飞行器在自主可靠地完成任务的同时保持飞行器在轨的安全性。
为实现上述目的，本发明提供一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，所述推力器包含姿控推力器和轨控推力器，包含以下步骤：
S1、基于陀螺测量信息进行姿控推力器自主诊断；
S2、基于加速度计测量信息进行轨控推力器自主诊断；
S3、基于推力器自主诊断结果进行推力器重构。
进一步的，所述S1中，包含以下步骤：
S11、判断姿陀螺是否有效；是，继续运行，转S12；否，转S2；
其中，判断陀螺是否有效的条件为：在通信有效时，三轴角速度前后周期差值的绝对值均小于设定的阈值，且至少有两套陀螺自测数据互判一致；其中，卫星的滚动轴、俯仰轴、偏航轴均配置有对应的陀螺表头，分别用于测量滚动轴、俯仰轴和偏航轴的角速度；
S12、三轴循环计算喷气积分量；
S13、三轴循环判断，基于各轴陀螺测量信息分别确定各轴姿控推力器是否有效标志；
其中，所述三轴循环表示在同一周期内对卫星按顺序进行滚动轴推力器判断、俯仰轴推力器判断、偏航轴推力器的判断。
进一步的，所述的S12中，若本周期存在额外干扰情况，清空当前周期三轴姿控喷气积分量和前一周期三轴姿控喷气积分量；若当前周期三轴姿控指令喷气与前一周期三轴姿控喷气积分量的极性发生变化，将当前周期三轴姿控喷气积分量清0；若当前周期三轴姿控指令喷气不小于最小姿控脉宽，将当前周期三轴姿控喷气积分量累加：
S_Prop(j)k＝S_Prop(j)k-1+T_ACP_out(j)k，
其中，k代表当前周期，k-1代表前一个周期，j分别对应为滚动轴、俯仰轴、偏航轴，T_ACP_out(j)k为当前周期三轴姿控指令喷气，S_Prop(j)k-1为前一周期三轴姿控喷气积分量，S_Prop(j)k为当前周期三轴姿控喷气积分量。
进一步的，所述的S13中，包含以下步骤：
S131、在当前周期的三轴姿控喷气积分量为0时，记录该轴当前周期的角速度；
S132、若当前周期的三轴姿控喷气积分量的绝对值大于设定的阈值，计算当前周期的角速度变化量，并清空当前周期的三轴姿控喷气积分量，其中，角速度变化量为：
delt_wbi(j)＝GYRO_wbi(j)-GYRO_wbi_L(j)，
其中，delt_wbi(j)为当前周期的角速度变化量，GYRO_wbi(j)为当前周期的角速度，GYRO_wbi_L(j)为前一周期的角速度；
S133、若当前周期的角速度变化量的极性与三轴姿控喷气积分量的极性相反，或角速度变化量的绝对值小于0.5*Δω(j)，置该轴陀螺判姿控推力器无效标志；若当前周期的角速度变化量的极性与三轴姿控喷气积分量的极性相同，且角速度变化量的绝对值大于0.8*Δω(j)，置该轴陀螺判姿控推力器有效标志。
其中，所述S132中，所述阈值t(j)为三轴姿控喷气积分量的判断阈值：
其中，J(j)分别为三轴的主惯量，Δω(j)为三轴理论变化角速度阈值，T(j)为三轴的喷气控制力矩。
进一步的，所述的S2中，包含以下步骤：
S20、判断飞行器是否在轨道控制期间；是，继续运行，转S21；否，转S3；
S21、判断加速度计是否有效；是，继续运行，转S22；否，转S3。
其中，判断加速度计是否有效的条件为：在通信有效时，三轴加速度绝对值未超过设定阈值，且至少有两套加速度计组合自测数据互判一致；
其中，卫星的滚动轴、俯仰轴、偏航轴均配置有对应的加速度计表头，分别用于测量滚动轴、俯仰轴和偏航轴的加速度；
S22、基于轨控推力器输出的推力脉宽、以及卫星质量，计算轨控推力器的三轴理论加速度；
S23、确定用于判断轨控推力器的理论加速度阈值；
其中，当理论加速度绝对值大于设定的最小阈值时，基于加速度的实际测量值对轨控推力器进行判断；
S24、三轴循环判断，分别确定各轴加速度计是否判轨控推力器有效标志。
进一步的，所述的S22中，轨控推力器的三轴理论加速度为：
其中，为n个轨控推力器的推力，Tout1、Tout2、Toutn为n个轨控推力器一个控制周期的推力脉宽，m为卫星质量，T为控制周期。
进一步的，所述的S24中，当各轴加速度计的实测值在理论加速度的0.7～1.3倍之间，且各轴加速度计的实测值与理论加速度的差值小于设定阈值，置该轴加速度计判轨控推力器有效标志；否则，置该轴加速度计判轨控推力器无效标志。
进一步的，所述的S3中，基于推力器自主诊断结果进行推力器重构，包含两种重构策略：
S31、姿控推力器重构策略，若陀螺判断X轴、或Y轴、或Z轴的姿控推力器无效，则使用备份的姿控推力器替换无效的姿控推力器；
S32、轨控推力器重构策略，若加速度计判断X轴、或Y轴、或Z轴的轨控推力器无效，则使用备份的轨控推力器替换无效的轨控推力器。
综上所述，本发明所提供的一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，能够对飞行器的推力器是否有效进行程控诊断，并根据诊断结果进行推力器自主重构，从而使得飞行器在完成任务的同时保持在轨的安全性。
附图说明
图1为本发明中基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法流程图；
图2为本发明中基于陀螺测量的推力器自主诊断方法流程图；
图3为本发明中基于加速度计测量的推力器自主诊断方法流程图。
具体实施方式
以下结合图1～图3，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图1所示，该图为本发明一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法的流程图，其中，所述推力器包含姿控推力器和轨控推力器，因此所述推力器也称为姿轨控推力器。并且，在本实施例中，以卫星作为典型的飞行器的一种进行详细描述。该方法包含：
S1、基于陀螺测量信息进行姿控推力器自主诊断；
S2、基于加速度计测量信息进行轨控推力器自主诊断；
S3、基于推力器自主诊断结果进行推力器重构。
所述S1中，如图2所示，具体包含以下步骤：
S11、判断陀螺是否有效；是，继续运行，转S12；否，转S2。
其中，判断陀螺是否有效的条件为：在通信有效时，三轴角速度前后周期差值的绝对值均小于设定的阈值(该阈值具体取决于控制力矩和主轴惯量)，且至少有两套陀螺自测数据互判一致。
进一步，所述三轴分别指卫星的滚动轴(X轴)、俯仰轴(Y轴)、偏航轴(Z轴)，每个轴均配置有对应的陀螺表头，分别用于测量滚动轴、俯仰轴和偏航轴的角速度。因此，所述三轴角速度前后周期差值具体是指：滚动轴陀螺表头测得的滚动角速度的前后周期差值、俯仰轴陀螺表头测得的俯仰角速度的前后周期差值、偏航轴陀螺表头测得的偏航角速度的前后周期差值。
S12、三轴循环计算喷气积分量。
若本周期存在额外干扰情况下(包括卫星分离、载荷施放、轨道控制等)，清空当前周期三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)k和前一周期三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)k-1，其中k代表当前周期，k-1代表前一个周期，j分别对应为滚动轴、俯仰轴、偏航轴；
若当前周期三轴姿控指令喷气T_ACP_out(j)k与前一周期三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)k-1的极性发生变化，将当前周期三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)k清0；
若当前周期三轴姿控指令喷气T_ACP_out(j)k不小于最小姿控脉宽，将当前周期三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)k累加，具体公式为：
S_Prop(j)k＝S_Prop(j)k-1+T_ACP_out(j)k
其中，T_ACP_out(j)k为当前周期三轴姿控指令喷气，S_Prop(j)k-1为前一周期三轴姿控喷气积分量，S_Prop(j)k为当前周期三轴姿控喷气积分量。
S13、三轴循环判断，基于各轴陀螺测量信息分别确定各轴姿控推力器是否有效标志；其中，所述三轴循环表示在同一周期内对卫星按顺序进行滚动轴推力器判断、俯仰轴推力器判断、偏航轴推力器的判断。
所述步骤S13中，对各轴陀螺具体包含以下步骤：
S131、在当前周期的三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)为0时，记录该轴当前周期的角速度GYRO_wbi(j)，其中，j依次为滚动轴、俯仰轴、偏航轴；
S132、若当前周期的三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)的绝对值大于设定的阈值t(j)，计算当前周期的角速度变化量delt_wbi(j)，并清空当前周期的三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)；其中角速度变化量的计算公式为：
delt_wbi(j)＝GYRO_wbi(j)-GYRO_wbi_L(j)
其中，GYRO_wbi(j)为当前周期的角速度，GYRO_wbi_L(j)为前一周期的角速度。
其中，阈值t(j)为设计的三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)的判断阈值，由下式进行计算：
其中，j依次代表滚动轴、俯仰轴、偏航轴；t(j)为喷气积分量理论判断阈值；J(j)分别为三轴的主惯量，由星上根据燃耗变化实时计算；Δω(j)为设计的三轴理论变化角速度阈值，单位为°/s，本实施例中设计为2°/s；T(j)为三轴的喷气控制力矩。
S133、若当前周期的角速度变化量delt_wbi(j)的极性与三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)的极性相反，或角速度变化量delt_wbi(j)的绝对值小于0.5*Δω(j)，置该轴陀螺判姿控推力器无效标志；
若当前周期的角速度变化量delt_wbi(j)的极性与三轴姿控喷气积分量S_Prop(j)的极性相同，且角速度变化量delt_wbi(j)的绝对值大于0.8*Δω(j)，置该轴陀螺判姿控推力器有效标志。
所述S2中，如图3所示，具体包含以下步骤：
S20、判断飞行器是否在轨道控制期间；是，继续运行，转S21；否，转S3。
S21、判断轨控推力器的加速度计是否有效；是，继续运行，转S22；否，转S3。
其中，判断轨控推力器的加速度计是否有效的条件为：在通信有效时，三轴加速度绝对值未超过设定阈值amax,j(该阈值具体取决于控制力和卫星质量)，且至少有两套加速度计组合自测数据互判一致。
进一步，卫星的滚动轴、俯仰轴、偏航轴均配置有对应的加速度计表头，分别用于测量滚动轴、俯仰轴和偏航轴的加速度。因此，所述三轴加速度具体是指：滚动轴加速度计表头测得的滚动加速度、俯仰轴加速度计表头测得的俯仰加速度、偏航轴加速度计表头测得的偏航加速度。
其中，若卫星配置的各轴推力最大为Fmax,j，那么amax,j可以设计如下：
其中，k为余量设计，一般可设计为1.3倍，可根据实际情况调整；m为卫星的质量。
S22、基于轨控推力器输出的推力脉宽、以及卫星质量，计算轨控推力器的三轴理论加速度。
具体公式为：
其中，为n个轨控推力器的推力，Tout1、Tout2、Toutn为n个轨控推力器一个控制周期的推力脉宽，m为卫星质量，T为控制周期。
S23、确定用于判断轨控推力器的理论加速度阈值。
为了避免误判，当理论加速度绝对值大于设定的最小阈值amin时，基于加速度的实际测量值对轨控推力器进行判断。
其中，阈值amin可以根据加速度计的测量误差进行设计，假设测量误差为aerr，那么amin＝k*aerr，其中k为设计余量，在本实施例中设置为2，也可根据情况进行调整。
S24、三轴循环判断，分别确定各轴加速度计是否判轨控推力器有效标志。
当各轴加速度计的实测值在理论加速度的0.7～1.3倍之间，且各轴加速度计的实测值与理论加速度的差值小于设定阈值(本实施例中，该阈值取0.01m/s)，置该轴加速度计判轨控推力器有效标志；
否则，置该轴加速度计判轨控推力器无效标志。
所述S3中，基于推力器自主诊断结果进行推力器重构，分为姿控推力器重构和轨控推力器重构。
S31、姿控推力器重构策略，具体为：
X轴姿控推力器序列：Tuili_attx＝[xatt,p1 ... xatt,pn xatt,n1 ... xatt,nn]，
Y轴姿控推力器序列：Tuili_atty＝[yatt,p1 ... yatt,pn yatt,n1 ... yatt,nn]，
Z轴姿控推力器序列：Tuili_attz＝[zatt,p1 ... zatt,pn zatt,n1 ... zatt,nn]，
其中，X轴为滚动轴、Y轴为俯仰轴、Z轴为偏航轴；xatt,p1…xatt,pn为+X轴(X轴正向)的n个姿控推力器，xatt,n1…xatt,nn为-X轴(X轴负向)的n个姿控推力器；yatt,p1…yatt,pn为+Y轴的n个姿控推力器，yatt,n1…yatt,nn为-Y轴的n个姿控推力器；zatt,p1…zatt,pn为+Z轴的n个姿控推力器，zatt,n1…zatt,nn为-Z轴的n个姿控推力器。
其中，若陀螺判断X轴、或Y轴、或Z轴的姿控推力器无效，则使用备份的姿控推力器替换无效的姿控推力器。
S32、轨控推力器重构策略。
X轴轨控推力器序列：Tuili_orbx＝[xorb,p1 … xorb,pn xorb,n1 … xorb,nn]，
Y轴轨控推力器序列：Tuili_orby＝[yorb,p1 … yorb,pn yorb,n1 … yorb,nn]，
Z轴轨控推力器序列：Tuili_orbz＝[zorb,p1 … zorb,pn zorb,n1 … zorb,nn]，
其中，xorb,p1...xorb,pn为+X轴的n个轨控推力器，xorb,n1...xorb,nn为-X轴的n个轨控推力器；yorb,p1...yorb,pn为+Y轴的n个轨控推力器，yorb,n1...yorb,nn为-Y轴的n个轨控推力器；zorb,p1...zorb,pn为+Z轴的n个轨控推力器，zorb,n1...zorb,nn为-Z轴的n个轨控推力器。
其中，若加速度计判断X轴、或Y轴、或Z轴的轨控推力器无效，则使用备份的轨控推力器替换无效的轨控推力器。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，所述推力器包含姿控推力器和轨控推力器，其特征在于，包含以下步骤：
S1、基于陀螺测量信息进行姿控推力器自主诊断；
S2、基于加速度计测量信息进行轨控推力器自主诊断；
S3、基于推力器自主诊断结果进行推力器重构。
2.如权利要求1所述的一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，其特征在于，所述S1中，包含以下步骤：
S11、判断陀螺是否有效；是，继续运行，转S12；否，转S2；
判断陀螺是否有效的条件为：在通信有效时，三轴角速度前后周期差值的绝对值均小于设定的阈值，且至少有两套陀螺自测数据互判一致；其中，卫星的滚动轴、俯仰轴、偏航轴均配置有对应的陀螺表头，分别用于测量滚动轴、俯仰轴和偏航轴的角速度；
S12、三轴循环计算喷气积分量；
S13、三轴循环判断，基于各轴陀螺测量信息分别确定各轴姿控推力器是否有效标志；
其中，所述三轴循环表示在同一周期内对卫星按顺序进行滚动轴推力器判断、俯仰轴推力器判断、偏航轴推力器的判断。
3.如权利要求2所述的一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，其特征在于，所述的S12中，
若本周期存在额外干扰情况，清空当前周期三轴姿控喷气积分量和前一周期三轴姿控喷气积分量；
若当前周期三轴姿控指令喷气与前一周期三轴姿控喷气积分量的极性发生变化，将当前周期三轴姿控喷气积分量清0；
若当前周期三轴姿控指令喷气不小于最小姿控脉宽，将当前周期三轴姿控喷气积分量累加：
S_Prop(j)k＝S_Prop(j)k-1+T_ACP_out(j)k，
其中，k代表当前周期，k-1代表前一个周期，j分别对应为滚动轴、俯仰轴、偏航轴，T_ACP_out(j)k为当前周期三轴姿控指令喷气，S_Prop(j)k-1为前一周期三轴姿控喷气积分量，S_Prop(j)k为当前周期三轴姿控喷气积分量。
4.如权利要求3所述的一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，其特征在于，所述的S13中，包含以下步骤：
S131、在当前周期的三轴姿控喷气积分量为0时，记录该轴当前周期的角速度；
S132、若当前周期的三轴姿控喷气积分量的绝对值大于设定的阈值t(j)，计算当前周期的角速度变化量，并清空当前周期的三轴姿控喷气积分量，其中，角速度变化量为：
delt_wbi(j)＝GYRO_wbi(j)-GYRO_wbi_L(j)，
其中，delt_wbi(j)为当前周期的角速度变化量，GYRO_wbi(j)为当前周期的角速度，GYRO_wbi_L(j)为前一周期的角速度；
S133、若当前周期的角速度变化量的极性与三轴姿控喷气积分量的极性相反，或角速度变化量的绝对值小于0.5*Δω(j)，置该轴陀螺判姿控推力器无效标志；若当前周期的角速度变化量的极性与三轴姿控喷气积分量的极性相同，且角速度变化量的绝对值大于0.8*Δω(j)，置该轴陀螺判姿控推力器有效标志。
5.如权利要求4所述的一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，其特征在于，所述S132中，所述阈值t(j)为三轴姿控喷气积分量的判断阈值：
其中，j分别对应为滚动轴、俯仰轴、偏航轴，J(j)分别为三轴的主惯量，Δω(j)为三轴理论变化角速度阈值，T(j)为三轴的喷气控制力矩。
6.如权利要求1所述的一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，其特征在于，所述的S2中，包含以下步骤：
S20、判断飞行器是否在轨道控制期间；是，继续运行，转S21；否，转S3；
S21、判断加速度计是否有效；是，继续运行，转S22；否，转S3；
判断加速度计是否有效的条件为：在通信有效时，三轴加速度绝对值未超过设定阈值，且至少有两套加速度计组合自测数据互判一致；其中，卫星的滚动轴、俯仰轴、偏航轴均配置有对应的加速度计表头，分别用于测量滚动轴、俯仰轴和偏航轴的加速度；
S22、基于轨控推力器输出的推力脉宽、以及卫星质量，计算轨控推力器的三轴理论加速度
S23、确定用于判断轨控推力器的理论加速度阈值；
当理论加速度绝对值大于设定的最小阈值时，基于加速度的实际测量值对轨控推力器进行判断；
S24、三轴循环判断，分别确定各轴加速度是否判轨控推力器有效标志。
7.如权利要求6所述的一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，其特征在于，所述的S22中，轨控推力器的三轴理论加速度为：
其中，为n个轨控推力器的推力，Tout1、Tout2、Toutn为n个轨控推力器一个控制周期的推力脉宽，m为卫星质量，T为控制周期。
8.如权利要求6所述的一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，其特征在于，所述的S24中，当各轴加速度计的实测值在理论加速度的0.7～1.3倍之间，且各轴加速度计的实测值与理论加速度的差值小于设定阈值，置该轴加速度计判轨控推力器有效标志；否则，置该轴加速度计判轨控推力器无效标志。
9.如权利要求1所述的一种基于陀螺和加速度计的推力器在轨自主诊断方法，其特征在于，所述的S3中，基于推力器自主诊断结果进行推力器重构，包含两种重构策略：
S31、姿控推力器重构策略，若陀螺判断X轴、或Y轴、或Z轴的姿控推力器无效，则使用备份的姿控推力器替换无效的姿控推力器；
S32、轨控推力器重构策略，若加速度计判断X轴、或Y轴、或Z轴的轨控推力器无效，则使用备份的轨控推力器替换无效的轨控推力器。
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