一种基于单框架控制力矩陀螺的电推进装置推力反演方法 |
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申请号 | CN202311743379.0 | 申请日 | 2023-12-19 | 公开(公告)号 | CN117734969A | 公开(公告)日 | 2024-03-22 |
申请人 | 北京航空航天大学; | 发明人 | 孙亮; 牛晓洁; 黄海; 赵国伟; 赵泽林; 赵旭瑞; 康林; 刘宇; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及一种基于单 框架 控制 力 矩陀螺的电推进装置推力反演方法,涉及 航天器 电推进技术领域,本发明采用单框架控制力矩陀螺控制卫星 姿态 ,在卫星本体偏置安装电推进装置。建立采用单框架控制力矩陀螺作为姿态控制系统执行机构的卫星姿态动力学模型,根据电推进装置在轨点火中和点火前T秒内的卫星姿态动力学方程作差,得到电推进装置电推力矩的解析表达式。在此 基础 上,利用最小二乘法拟合点火前和点火中T秒内的遥测数据,求解电推力矩,通过 数据处理 和误差分析得到电推进装置的推力。本发明可在卫星姿态和轨道均保持稳定的情况下,精确测算电推进装置的推力数值,具有测算方法简单、测算时间短、测算 精度 高且工程易于实现的优点。 | ||||||
权利要求 | 1.一种基于单框架控制力矩陀螺的电推进装置推力反演方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤: |
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说明书全文 | 一种基于单框架控制力矩陀螺的电推进装置推力反演方法技术领域背景技术[0002] 随着微小卫星等航天器的快速发展,人们对空间探测任务的需求越来越多,这也对空间推进装置的要求越来越高。相比于化学推进,电推进技术是一种将电能高效转换为动能的先进航天动力技术,具有低功耗、高比冲、控制灵活等特点,可为航天器的姿态控制、轨道保持等提供动力。但由于电推进装置的推力较小,一般是毫牛级,对其进行高精度在轨测算一直是研究的重难点问题。目前普遍利用航天器轨道根数变化来测算电推进装置的推力大小,但存在测算方法较复杂、耗时较长、精度较低的缺点。同时,若在轨验证期间电推进装置无法长时间开机,则会出现由于推力较小而导致航天器轨道的变化很小的情况,推力测算无法保证精度要求。基于此本发明提出了一种基于单框架控制力矩陀螺的电推进装置推力反演方法。 发明内容[0003] 本发明为解决电推进装置的推力在轨测算精度不高的问题,在卫星姿态稳定的条件下提供一种基于单框架控制力矩陀螺的电推进装置推力反演方法。 [0004] 为实现上述目的,本发明提供如下技术方案: [0005] 一种基于单框架控制力矩陀螺的电推进装置推力反演方法,所述方法包括以下步骤: [0006] 步骤1:建立卫星本体坐标系和框架坐标系,卫星沿+X、+Y和+Z轴方向安装正交构型的单框架控制力矩陀螺控制卫星姿态,其中,在卫星本体上安装电推进装置,采用单框架控制力矩陀螺作为姿态控制系统执行机构; [0007] 步骤2:卫星姿态处于三轴稳定状态时,上行遥控指令控制电推进装置点火T秒,通过卫星携带的陀螺、转子和框架伺服系统,实时测量遥测数据,所述遥测数据包括卫星本体角速度、框架角速度、框架旋转角度和转子的转速; [0008] 步骤3:建立采用单框架控制力矩陀螺作为姿态控制系统执行机构的卫星姿态动力学模型,并在模型中引入框架的旋转角速度和框架旋转角度; [0009] 步骤4:利用电推进装置点火中T1秒内的卫星姿态动力学方程与点火前T0秒内的卫星姿态动力学方程作差,得到电推力矩的解析表达式; [0010] 步骤5:记录电推进装置点火前T0秒和点火中T1秒内的遥测数据,利用最小二乘法拟合数据,计算得到电推进装置产生的电推力矩; [0011] 步骤6:利用电推进装置产生的电推力矩计算推力; [0012] 步骤7:计算推力偏差,判断偏差范围,最终确定电推进装置产生的推力。 [0013] 作为本发明进一步的技术方案,步骤1中,电推进装置在卫星本体上偏置安装,推力不经过卫星质心;卫星正交安装三个单框架控制力矩陀螺作为卫星姿态控制系统的执行机构。 [0014] 作为本发明进一步的技术方案,步骤3中,建立采用单框架控制力矩陀螺作为姿态控制系统执行机构的卫星姿态动力学模型为: [0015]3×1 [0016] 其中,hb=[hbi]∈R 为卫星本体的角动量, 为卫星本体的角动量3×1 3×1 变化率,hw=[hwi]∈R 为单框架力矩陀螺的角动量,ωbi=[ωbi]∈R 为卫星本体坐标系 3×1 3×1 相对于地球惯性坐标系的角速度,ωri=[ωri]∈R 为框架角速度,ME=[MEi]∈R 为外部力矩; [0017] 根据卫星及动量轮惯性特性,卫星姿态动力学模型进一步写为: [0018] [0019] 其中,J=[Ji]∈R3×1为卫星本体转动惯量,J0=[J0i]∈R3×1为转子的转动惯量,为卫星本体坐标系相对于地球惯性坐标系的角速度变化率,ωf=[ωfi]∈3×1 R 为转子的角速度,θri为框架旋转角度,转子角动量与转速的关系为hω=kR,k为转子惯量特性系数,R=ωf/2π为转子的转速。 [0020] 作为本发明进一步的技术方案,步骤4中,电推进装置点火前T0秒内,卫星姿态动力学方程为: [0021] [0022] 其中, 表示电推进装置点火前T0秒内的卫星本体平均角速度,表示点火前T0秒内转子的平均角速度, 表示点火前T0 秒内的框架平均角速度,θri0为点火前T0秒内的框架旋转角度, 表示点火前T0秒内的转子平均转速, 表示点火前T0秒内的卫星本体角速度变化率,Md 3×1 =[Mdi]∈R 为空间环境的干扰力矩; [0023] 电推进装置点火中T1秒内,卫星姿态动力学方程为: [0024] [0025] 其中, 表示电推进装置点火中T1秒内的卫星本体平均角速度,表示点火中T1秒内的转子的平均角速度, 表示点火中 T1秒内的框架平均角速度,θri1为点火中T1秒内的框架旋转角度, 表示点火中T1秒内的转子平均转速, 表示点火中T1秒内的卫星本体角速度变化 3×1 率,Me=[Mei]∈R 表示电推进装置产生的力矩; [0026] 电推进装置点火中T1秒内与点火前T0内的卫星姿态动力学方程作差值,得到电推力矩解析表达式: [0027] [0028] 作为本发明进一步的技术方案,步骤5中,记录电推进装置点火前T0秒和点火中T1秒内的遥测数据,利用最小二乘方法拟合所述遥测数据,得到卫星本体平均角速度、角速度变化率、框架平均角速度、框架旋转角度和转子的平均转速,代入步骤4的电推力矩解析表达式计算电推进装置产生的电推力矩。 [0029] 作为本发明进一步的技术方案,步骤6中,电推进装置在X轴、Z轴方向对卫星产生电推力矩,利用X轴方向的电推力矩计算推力: 利用Z轴方向的电推力矩计算推力: [0030] 作为本发明进一步的技术方案,步骤7中,根据X轴Z轴两种方式计算推力的结果解算偏差: [0031] [0032] 若|D|≤5%则认为推力测算准确,得到电推进装置推力|F|=(|F1|+|F2|)/2;否则重新下达电推进装置开机点火指令,重复步骤3~步骤7再次进行推力测算。 [0033] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明相较于以往使用航天器轨道根数变化来测算电推进装置推力的方法,具有测算方法简单、测算时间短、测算精度高且工程易于操作实现等优点。此外,单框架控制力矩陀螺与传统飞轮和喷气推力器相比较,其速度稳定度和指向精度更高,且输出力矩平滑,因其可以采用体积较小的转子得到较大的输出力矩,也可对未来发展的超高比冲电推进装置的推力进行测算。附图说明 [0034] 图1为本发明实施例提供的卫星本体坐标系定义图。 [0035] 图2为本发明实施例提供的单框架控制力矩陀螺安装示意图。 [0036] 图3为本发明实施例提供的单框架控制力矩陀螺系统组成图。 [0037] 图4为本发明实施例提供的基于单框架控制力矩陀螺的电推进装置推力反演方法的流程图。 具体实施方式[0038] 下面结合附图对基于单框架控制力矩陀螺的电推进装置推力反演方法的具体实施方式进行详细描述,以下描述仅用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。 [0039] 本方法中卫星角速度由陀螺测量得到,转子可实时反馈自身转速,框架旋转角速度和旋转角度通过框架伺服系统给出,卫星在轨数据均通过地面站获得。电推进装置工作后卫星姿态发生变化,单框架控制力矩陀螺作为执行机构控制卫星姿态稳定。利用电推进装置产生的电推力矩计算推力,解算推力偏差,最终确定电推进装置产生的推力。 [0040] 实施例1 [0041] 请参阅图1至图4,本发明实施例提供了一种基于单框架控制力矩陀螺的电推进装置推力反演方法,所述方法包括以下步骤: [0042] 步骤1:建立卫星本体坐标系和框架坐标系,卫星沿+X、+Y和+Z轴方向安装正交构型的单框架控制力矩陀螺控制卫星姿态,其中,在卫星本体上安装电推进装置,采用单框架控制力矩陀螺作为姿态控制系统执行机构; [0043] 具体的,建立卫星本体坐标系OXYZ,其中原点O为卫星质心,+X轴指向卫星飞行方向,+Z轴指向地心,+Y轴满足右手定则且垂直于XOZ构成的平面指向太阳。电推进装置在卫星本体上偏置安装,推力不经过卫星质心;卫星正交安装三个单框架控制力矩陀螺作为卫星姿态控制系统的执行机构。电推进装置喷口位于‑Y轴指向的平面,安装位置坐标为(dxdydz),产生的推力沿+Y轴方向。建立框架坐标系Oxgygzg,其中原点为高速转子质心,zg轴沿框架轴方向,xg轴沿转子角动量轴方向,yg轴满足右手定则且垂直于xgOzg构成的平面。卫星沿+X、+Y和+Z轴方向安装正交构型的单框架控制力矩陀螺,用以控制卫星姿态; [0044] 步骤2:卫星姿态处于三轴稳定状态时,上行遥控指令控制电推进装置点火T秒,通过卫星携带的陀螺、转子和框架伺服系统,实时测量遥测数据,所述遥测数据包括卫星本体角速度、框架角速度、框架旋转角度和转子的转速; [0045] 具体的,卫星姿态处于三轴稳定状态时,通过地面站上行遥控指令,控制电推进装置点火T1秒。卫星携带的陀螺可实时测量当前卫星本体的角速度,并通过单框架控制力矩陀螺的框架伺服系统反馈给支撑转子的框架,即地面站可以接收电推进装置点火前T0秒和点火中T1秒内的卫星本体角速度、框架角速度、框架旋转角度和转子的转速等遥测数据。 [0046] 步骤3:建立采用单框架控制力矩陀螺作为姿态控制系统执行机构的卫星姿态动力学模型,并在模型中引入框架的旋转角速度和框架旋转角度; [0047] 具体的,建立采用单框架控制力矩陀螺作为姿态控制系统执行机构的卫星姿态动力学模型为: [0048]3×1 [0049] 其中,hb=[hbi]∈R 为卫星本体的角动量, 为卫星本体的角动量3×1 3×1 变化率,hw=[hwi]∈R 为单框架力矩陀螺的角动量,ωbi=[ωbi]∈R 为卫星本体坐标系 3×1 3×1 相对于地球惯性坐标系的角速度,ωri=[ωri]∈R 为框架角速度,ME=[MEi]∈R 为外部力矩。 [0050] 根据卫星及动量轮惯性特性,卫星姿态动力学模型进一步写为: [0051] [0052] 其中,J=[Ji]∈R3×1为卫星本体转动惯量,J0=[J0i]∈R3×1为转子的转动惯量,为卫星本体坐标系相对于地球惯性坐标系的角速度变化率,ωf=[ωfi]∈3×1 R 为转子的角速度,θri为框架旋转角度(假设框架旋转角度较小,不满足奇异性条件),转子角动量与转速的关系为hω=kR,k为转子惯量特性系数,其值由具体转子型号决定,R=ωf/2π为转子的转速。 [0053] 步骤4:利用电推进装置点火中T1秒内的卫星姿态动力学方程与点火前T0秒内的卫星姿态动力学方程作差,得到电推力矩的解析表达式; [0054] 具体的,电推进装置在轨验证点火时间较短,其点火前后卫星姿态保持三轴稳定状态,单框架控制力矩陀螺转子处于非饱和正常工作状态,则电推进装置点火前T0秒内,卫星姿态动力学方程为: [0055] [0056] 其中, 表示电推进装置点火前T0秒内的卫星本体平均角速度,表示点火前T0秒内转子的平均角速度, 表示点火前T0 秒内的框架平均角速度,θri0为点火前T0秒内的框架旋转角度, 表示点火前T0秒内的转子平均转速, 表示点火前T0秒内的卫星本体角速度变化率,Md 3×1 =[Mdi]∈R 为空间环境的干扰力矩。 [0057] 电推进装置点火中T1秒内,卫星姿态动力学方程为: [0058] [0059] 其中, 表示电推进装置点火中T1秒内的卫星本体平均角速度,表示点火中T1秒内的转子的平均角速度, 表示点火中T1 秒内的框架平均角速度,θri1为点火中T1秒内的框架旋转角度, 表示点火中T1秒内的转子平均转速, 表示点火中T1秒内的卫星本体角速度变化率,Me 3×1 =[Mei]∈R 表示电推进装置产生的力矩。 [0060] 电推进装置点火中T1秒内与点火前T0内的卫星姿态动力学方程作差值,得到电推力矩解析表达式: [0061] [0062] 步骤5:记录电推进装置点火前T0秒和点火中T1秒内的遥测数据,利用最小二乘法拟合数据,计算得到电推进装置产生的电推力矩; [0063] 具体的,记录电推进装置点火前T0秒和点火中T1秒内的遥测数据,利用最小二乘方法拟合所述遥测数据,得到卫星本体平均角速度、角速度变化率、框架平均角速度、框架旋转角度和转子的平均转速,代入步骤4的电推力矩解析表达式计算电推进装置产生的电推力矩; [0064] 步骤6:利用电推进装置产生的电推力矩计算推力; [0065] 具体的,电推进装置在X轴、Z轴方向对卫星产生电推力矩,利用X轴方向的电推力矩计算推力: [0066] [0067] 利用Z轴方向的电推力矩计算推力: [0068] [0069] 步骤7:计算推力偏差,判断偏差范围,最终确定电推进装置产生的推力。 [0070] 具体的,根据X轴Z轴两种方式计算推力的结果解算偏差: [0071] [0072] 若|D|≤5%则认为推力测算准确,得到电推进装置推力|F|=(|F1|+|F2|)/2;否则重新下达电推进装置开机点火指令,重复步骤3~步骤7再次进行推力测算。 |