專利名稱：一種欠驅(qū)動(dòng)的衛(wèi)星消旋控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星姿態(tài)控制方法。
背景技術(shù)：
消旋控制一般用于自旋穩(wěn)定衛(wèi)星，許多衛(wèi)星都采用自旋穩(wěn)定方式來穩(wěn)定姿態(tài)，其自旋軸與軌道平面垂直，這種姿態(tài)穩(wěn)定方式的優(yōu)點(diǎn)是簡單且抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)衛(wèi)星受到恒定干擾力矩作用時(shí)，其自旋軸以等速漂移，而不是加速漂移。自旋穩(wěn)定是利用衛(wèi)星繞自旋軸旋轉(zhuǎn)時(shí)具有的定軸性使自旋軸在無外力矩作用時(shí)在慣性空間保持方向不變的姿態(tài)穩(wěn)定方式，當(dāng)有外力作用時(shí)，自旋衛(wèi)星角動(dòng)量矢量的方向?qū)⒁阅骋唤撬俣冗M(jìn)動(dòng)，當(dāng)瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸與自旋軸不重合時(shí)，自旋衛(wèi)星會(huì)出現(xiàn)章動(dòng)，為了保持自旋軸的定軸性，便需通過消耗衛(wèi)星自身能量或者采用章動(dòng)阻尼器把章動(dòng)衰減掉。從動(dòng)力學(xué)分析，內(nèi)部有能量耗散的自旋衛(wèi)星只有繞其最大慣量軸自旋才是穩(wěn)定的，但是該情況下阻尼慢而且要求衛(wèi)星為軸對稱短粗形，因此自旋衛(wèi)星通常需要采用主動(dòng)控制系統(tǒng)來調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和自旋速度，以抵消干擾力矩影響或使自旋軸進(jìn)動(dòng)到預(yù)定姿態(tài)，另外還需對章動(dòng)進(jìn)行阻尼，消除衛(wèi)星自旋軸的章動(dòng)。特殊情況下，消旋控制也用于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的搶救過程。衛(wèi)星一般設(shè)計(jì)有噴氣推進(jìn)控制系統(tǒng)，軸向發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生自旋平面內(nèi)的力矩，用于自旋軸進(jìn)動(dòng)即角動(dòng)量方向控制；切向發(fā)動(dòng)機(jī)用于控制轉(zhuǎn)速即角動(dòng)量大小(如啟旋、消旋、轉(zhuǎn)速保持等)；徑向發(fā)動(dòng)機(jī)用于變軌。自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的自旋軸和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置一般具有嚴(yán)格的幾何關(guān)系，因此自旋衛(wèi)星設(shè)計(jì)不僅要考慮構(gòu)型，而且要沿軸向、切向和徑向等三個(gè)方向配置噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果總是存在有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)僅在消旋方向有力矩，則屬于全驅(qū)動(dòng)消旋控制，否則屬于欠驅(qū)動(dòng)消旋控制，即所有的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，不存在僅在消旋方向上有噴氣力矩的發(fā)動(dòng)機(jī)，或者說所有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)僅在消旋方向存在大小不等的力矩分量。衛(wèi)星在消旋控制過程中，如果衛(wèi)星噴氣控制屬于欠驅(qū)動(dòng)控制，若仍采用全驅(qū)動(dòng)消旋控制的方法則無法達(dá)到控制目的，甚至危及衛(wèi)星安全。國內(nèi)外文獻(xiàn)主要針對全驅(qū)動(dòng)消旋控制進(jìn)行了一系列研究，雖然國內(nèi)外有在軌衛(wèi)星故障和搶救的報(bào)道，但均沒有涉及欠驅(qū)動(dòng)的噴氣消旋控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種針對噴氣控制力矩與進(jìn)動(dòng)方向不一致的欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的消旋控制方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種欠驅(qū)動(dòng)的衛(wèi)星消旋控制方法，步驟如下:( I)利用姿態(tài)敏感器確定欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的初始自旋軸方位，并根據(jù)目標(biāo)自旋軸方位確定消旋控制的方向和大小ΛΗ;(2)確定各噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的噴氣控制力矩與消旋控制方向的幾何關(guān)系，選取噴氣控制力矩在消旋控制方向上分量最大的噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)作為消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)；
(3)將消旋控制量Λ H分成η次進(jìn)行調(diào)整，每一次調(diào)整的大小為ΛΗη，η為正整數(shù)，如果η不小于2，則前后兩次調(diào)整的時(shí)間間隔為整數(shù)倍個(gè)衛(wèi)星自旋周期Ts ;調(diào)整方法為:對于前k次調(diào)整，每一次都采用消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行整個(gè)自旋周期全部噴氣的方式進(jìn)行消旋控制；對于后n-k次調(diào)整，每一次從調(diào)整所在的衛(wèi)星自旋周期的起始時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，在每隔TS/2N時(shí)刻使用所述的消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴一個(gè)持續(xù)時(shí)間為Atn的脈沖，Atn=AHn/(Tjet.cosa.2n)，Tjet.cosa為消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的噴氣控制力矩在消旋控制方向上的分量，N為正整數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明方法首先確定消旋控制的方向和大小，然后確定消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)，最后將消旋控制量分成η次進(jìn)行調(diào)整，每次調(diào)整時(shí)均在特定時(shí)刻使用消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，調(diào)整方法簡便，并且使用“整數(shù)倍個(gè)自旋周期全噴氣”方式或“對稱點(diǎn)噴”方式的消旋策略，可以最大限度的減小章動(dòng)的產(chǎn)生。本發(fā)明方法不僅適用于地面開環(huán)控制，也適用于星上自主閉環(huán)控制；不僅適用于全驅(qū)動(dòng)控制方式，也適用于欠驅(qū)動(dòng)控制方式；不僅適用于自旋穩(wěn)定衛(wèi)星，也適用于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星搶救期間的消旋控制。


圖1為本發(fā)明實(shí)施流程圖；圖2為本發(fā)明自旋軸和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置的典型幾何關(guān)系示意圖；圖3為本發(fā)明自旋軸、消旋方向和噴氣控制力矩幾何關(guān)系示意圖；圖4為本發(fā)明消旋控制“對稱點(diǎn)噴”方式噴氣相位示意圖。
具體實(shí)施例方式下面就結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步介紹。本發(fā)明針對 噴氣控制力矩與消旋方向不一致的欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星，提供了一種工程可操作性強(qiáng)的、適用于消旋控制的方法，流程如圖1所示，主要步驟如下:(I)確定欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星自旋軸和消旋控制的方位和大小衛(wèi)星消旋控制前要分析衛(wèi)星初始自旋軸的方位和大小，自旋軸的方位和大小是根據(jù)姿態(tài)敏感器確定的，如太陽敏感器，確定方法一般采用幾何法或代數(shù)法。根據(jù)初始自旋軸和目標(biāo)自旋軸的大小即可確定衛(wèi)星的消旋控制方向和大小。具體確定方法可參考《屠善澄，衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制[Μ]，宇航出版社，2001》。(2)確定各噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)和消旋控制方向的幾何關(guān)系如果發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和消旋方向一致，或者即便有分量但分量可以使用其它發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的全部力矩來控制，則屬于全驅(qū)動(dòng)控制，該情況可以采用常規(guī)策略進(jìn)行控制。如果發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和消旋方向不一致，而且干擾力矩分量沒有其它方向的發(fā)動(dòng)機(jī)來控制，則屬于欠驅(qū)動(dòng)控制。兩者一般根據(jù)姿態(tài)遙測數(shù)據(jù)確定，主要分析控制力矩和陀螺測量的響應(yīng)是否一致，即是否滿足=Tn /./, (i=x，y,z)^f|Jj由某方向陀螺計(jì)算的角速度、Tcd為由噴氣推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力矩、Ji為衛(wèi)星慣量，X，I, Z分別為切向軸、徑向軸和自旋軸。如果發(fā)動(dòng)機(jī)僅在消旋方向滿足上述關(guān)系式，則屬于全驅(qū)動(dòng)消旋控制，否則屬于欠驅(qū)動(dòng)消旋控制。在欠驅(qū)動(dòng)消旋控制的情況下，需要分析可以用來進(jìn)行消旋控制的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩大小和方向，及其和消旋方向的幾何關(guān)系。(3)確定進(jìn)行消旋控制的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)通過上述分析，選取進(jìn)行消旋控制的發(fā)動(dòng)機(jī)，如果屬于全驅(qū)動(dòng)控制，則選取發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣控制力矩方向與消旋控制方向完全一致的發(fā)動(dòng)機(jī)作為消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)即可，這種方式屬于常規(guī)方式。而對于欠驅(qū)動(dòng)控制的情況，則需要選取消旋控制分量大的發(fā)動(dòng)機(jī)，即選取噴氣控制力矩在消旋控制方向上分量最大的噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)作為消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)。(4)欠驅(qū)動(dòng)消旋控制對于全驅(qū)動(dòng)消旋控制，可以采用常規(guī)策略進(jìn)行控制。對于噴氣控制力矩與消旋方向不一致的欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星，需要利用力矩分量進(jìn)行消旋控制。為了減小產(chǎn)生的章動(dòng)，本發(fā)明方法設(shè)計(jì)“整數(shù)倍個(gè)自旋周期全噴氣”方式或“對稱點(diǎn)噴”方式的消旋策略，一次消旋完成后，應(yīng)使星體自然阻尼一段時(shí)間(一般取I個(gè)自旋周期)，衰減本次控制的章動(dòng)角度，之后才可以進(jìn)行下次的消旋控制。該方式可以星上自主閉環(huán)控制也可以采用地面指令控制的開環(huán)模式。如圖3所示，假設(shè)自旋軸H方向和噴氣控制力矩Tjrt方向的夾角為α，則噴氣控制力矩Tjert與H平行的分量大小為Tjrtjlire=Tjert.cos α、與H垂直的分量大小為Tjrt—Hiia=Tjet.sina。由此可見，如果整個(gè)自旋周期均噴氣或采用對稱點(diǎn)噴方式，則Tjetjlire將累積而T#Hei會(huì)抵消。發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣At時(shí)間，則噴氣控制產(chǎn)生的自旋軸角動(dòng)量變化為AH=Tjet.At.cosa。由此可見，如果采用“整數(shù)倍個(gè)自旋周期全噴氣”方式或“對稱點(diǎn)噴”方式的消旋策略，則AH=Tjet.At.cosa，此時(shí)引起的章動(dòng)角也很小，當(dāng)衛(wèi)星有較好的章動(dòng)阻尼時(shí)，經(jīng)過適當(dāng)次數(shù)的噴氣，總可以把衛(wèi)星自旋軸消旋控制到期望大小。“整數(shù)倍個(gè)自旋周期全噴氣”方式不難實(shí)現(xiàn)，即噴氣時(shí)間為m*Ts，其中Ts為衛(wèi)星自旋周期，m為整數(shù)個(gè)數(shù)?！皩ΨQ點(diǎn)噴”方式則是在一個(gè)周期內(nèi)噴氣2~欠，其中N為整數(shù)，從調(diào)整所在的衛(wèi)星自旋周期的起始時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，在每隔Ts/2n時(shí)刻使用所述的消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴一個(gè)持續(xù)時(shí)間為Atn的脈沖，Λ tn= Λ Hn/(Tjet.cosa.2ν)，Λ Hn為消旋角動(dòng)量，Tjet.cosa為消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的噴氣控制力矩在消旋控制方向上的分量。為了提高效率，一般在消旋初期采用“整數(shù)倍個(gè)自旋周期全噴氣”方式，在消旋末期(接近目標(biāo)自旋軸時(shí))則采用“對稱點(diǎn)噴”方式。以利用數(shù)字太陽敏感器信息進(jìn)行星上自主的消旋控制為例，消旋控制的基本策略如下:a.根據(jù)數(shù)字太陽敏感器的測量數(shù)據(jù)確定衛(wèi)星的自旋軸和自旋周期Ts。b.在消旋初期采用“整數(shù)倍個(gè)自旋周期全噴氣”方式，在tzO時(shí)刻開始進(jìn)行消旋控制，發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣時(shí)間為m*Ts。控后進(jìn)行衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測。間隔I個(gè)周期再進(jìn)行下一次噴氣控制。c.在消旋末期采用“對稱點(diǎn)噴”方式，在tzO+k*Ts/2N時(shí)刻進(jìn)行消旋控制，k表示一個(gè)自旋周期內(nèi)的噴氣次序(k=0，l，…，2N-1)，每次噴氣時(shí)間為Λ tN= Λ Hn/(Tjet.cosa.2Ν)，Λ HnS消旋角動(dòng)量。d.利用遙測數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星自轉(zhuǎn)軸與太陽矢量的夾角和衛(wèi)星自轉(zhuǎn)周期。數(shù)字太陽敏感器的測量輸出連續(xù)兩次過O的時(shí)間， 即經(jīng)過了一個(gè)自旋周期Ts，噴氣基準(zhǔn)時(shí)刻tzO可由數(shù)字太陽敏感器過O時(shí)規(guī)定。N由噴氣控制次數(shù)確定，章動(dòng)衰減快，N可取大些。圖4為一個(gè)自旋周期進(jìn)行四次消旋控制的“對稱點(diǎn)噴”方式示意圖，陰影區(qū)域表示噴氣弧段，此時(shí)進(jìn)行消旋控制。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種欠驅(qū)動(dòng)的衛(wèi)星消旋控制方法，其特征在于步驟如下: (1)利用姿態(tài)敏感器確定欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的初始自旋軸方位，并根據(jù)目標(biāo)自旋軸方位確定消旋控制的方向和大小ΛΗ; (2)確定各噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的噴氣控制力矩與消旋控制方向的幾何關(guān)系，選取噴氣控制力矩在消旋控制方向上分量最大的噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)作為消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)； (3)將消旋控制量ΛH分成η次進(jìn)行調(diào)整，每一次調(diào)整的大小為ΛΗη，η為正整數(shù)，如果η不小于2，則前后兩次調(diào)整的時(shí)間間隔為整數(shù)倍個(gè)衛(wèi)星自旋周期Ts ;調(diào)整方法為:對于前k次調(diào)整，每一次都采用消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行整個(gè)自旋周期全部噴氣的方式進(jìn)行消旋控制；對于后n-k次調(diào)整，每一次從調(diào)整所在的衛(wèi)星自旋周期的起始時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，在每隔TS/2N時(shí)刻使用所述的消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴一個(gè)持續(xù)時(shí)間為Atn的脈沖，Atn=AHn/(Tjet.cosa.2n)，Tjet.cos α為消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的噴氣控制力矩在消旋控制方向上的分量，N為正整數(shù)。
全文摘要
一種欠驅(qū)動(dòng)的衛(wèi)星消旋控制方法，步驟為(1)利用姿態(tài)敏感器確定欠驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星的初始自旋軸方位，并根據(jù)目標(biāo)自旋軸方位確定消旋控制的方向和大??；(2)確定各噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的噴氣控制力矩和消旋控制方向的幾何關(guān)系，并選取噴氣控制力矩在消旋控制方向上分量最大的噴氣控制發(fā)動(dòng)機(jī)作為消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)；(3)在消旋初期采用“整數(shù)倍個(gè)自旋周期全噴氣”方式，在消旋末期則采用“對稱點(diǎn)噴”方式，使用消旋控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行消旋控制，一次消旋完成后，應(yīng)使星體自然阻尼一段時(shí)間，之后再進(jìn)行下次的消旋控制，直至衛(wèi)星的自旋軸到達(dá)目標(biāo)自旋軸。本發(fā)明采用的消旋控制策略操作簡便，同時(shí)可以減小消旋控制所產(chǎn)生的章動(dòng)。
文檔編號(hào)B64G1/26GK103072701SQ20131003628
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者王新民, 徐福祥, 張篤周, 馬世俊, 張俊玲, 陳義慶, 席敦義, 劉杰, 雷擁軍, 王勝剛, 袁軍 申請人:北京控制工程研究所