一种考虑推力器弧段损失的电推进角动量卸载方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑推力器弧段损失的电推进角动量卸载方法，适用于锥形布局的地球同步轨道电推进卫星，通过调节电推力器的矢量调节机构产生动量矩，实现星上角动量交换执行机构的角动量卸载。首先，在给定任意卸载天数、对角线上电推力器任意位置保持点火组合(正常或故障模式)的情况下，建立了考虑弧段损失的电推进角动量卸载的一般化简化动力学模型；之后，给出了方法的成立条件和电推力器偏转角度的获取方法；最后，给出了在卸载角动量过载情况下的处理方式。本发明专利技术通过对动力学模型的适当简化，降低了卸载方法的计算量，并考虑了电推力器点火的弧段损失提高了角动量卸载精度，为实现电推力器的在轨角动量卸载提供了一种有效方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种考虑推力器弧段损失的电推进角动量卸载方法，主要在具有锥形布局的地球同步轨道电推进卫星上使用，用于星上角动量交换执行机构的电推进角动量卸载。
技术介绍
电推进是近年来通信卫星和深空探测器的发展趋势，能够显著降低航天任务期间的燃料消耗，提高航天器的寿命。对于环绕轨道卫星，电推力器的安装构型往往采用的是锥形布局方式，四台电推力器成对对称斜装在卫星上背地板四边。在此种推力器布局下，电推进角动量卸载需要与轨道保持控制点火同时进行，通过调节电推力器的矢量调节机构，使推力方向略微偏离质心用以产生动量矩，实现星上角动量交换执行机构的角动量卸载。现有的电推力器卸载基于传统的化学推进系统，当应用于电推进控制时，具有以下不足之处：①化学推进可利用两台推力器形成力偶，单独进行角动量卸载，电推力器在星上布置有限，无法形成力偶，需要在进行轨道控制的同时进行卸载；②用于位置保持的化学推力器进行卸载较为灵活，可随时进行，电推进卸载受到矢量调节机构寿命的约束，需要以几天-十几天为周期进行控制，每天有规律的数次点火；③化学推力器推力大小为几N-几十N，可以将控制力看成脉冲的形式，而电推力器推力大小仅为10-2～10-1N，当合并的轨控点火时间过长时，将控制力看成脉冲形式会降低卸载精度。因此，需要对电推进轨道保持下的角动量卸载方法进行重新设计，使其满足静止轨道电推进卫星的卸载需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种考虑推力器弧段损失的电推进角动量卸载方法，本方法在给定矢量调节机构变动频率、电推力器轨道保持控制点火位置和时长的基础上，通过对卸载动力学模型的适当简化，首先给出单台电推力器单日卸载量大小；之后，给出卸载矩阵并判断方法的成立条件，如有必要，对用于卸载的电推力器对进行判断；然后，给出了在卸载角动量过载情况下的处理方式；最后，给出由推力方向偏转量到电推力器偏转角度的转换公式。本专利技术包括如下技术方案：一种考虑推力器弧段损失的电推进角动量卸载方法，所述方法适用于锥形电推力器布局，四台电推力器成对对称斜装在卫星上背地板四边。每一对角线上的两台电推力器构成一对，共两对电推力器。α为安装在西北向(NW)的电推力器的推力方向矢量在卫星本体系x-z面投影与z轴夹角，θ为安装在西北向(NW)的电推力器的推力方向矢量在卫星本体系y-z面投影与y轴夹角。本方法在一个电推力器矢量调节机构变动周期开始时进行计算，步骤如下：(1)获取每个电推力器单日、单次角动量卸载量矩阵；(2)根据步骤(1)得到的卸载量矩阵，获取两个电推力器对在整个矢量调节机构变动周期内的最优角动量卸载矩阵和最优推力方向偏转量；(3)根据步骤(2)得到的最优角动量卸载矩阵判断电推力器对是否能够用于卸载；(4)选出最优卸载电推力器对；(5)判断待卸载角动量是否超出电推力器矢量调节机构卸载能力，若超出则进入步骤(6)，若满足卸载能力，则进入步骤(7)；(6)对过载的电推力器矢量调节机构偏转量进行缩减，进入步骤(7)；(7)由步骤(5)或步骤(6)获得的推力方向偏转量转化为电推力器偏转角度。所述步骤(1)中获得每个电推力器单日、单次角动量卸载量矩阵和最优推力方向偏转量，具体方式如下：定义电推力器相对于本体坐标系的安装位置在三轴投影的绝对值大小为x、y、z，对于NW、NE、SW、SE四台电推力器安装位置坐标，可分别写为r1＝[-x-y-z]Tr2＝[x-y-z]Tr3＝[-xy-z]Tr4＝[xy-z]T定义电推力器指向偏离量为Δri＝[dxidyi0]T，设该量为小量，则四台电推力器的推力矢量Fi经适当简化后，定义为其中，i＝1～4，分别代表电推力器NW、NE、SW、SE，pi＝(ri+Δri)，F为单台电推力器推力大小。则单台电推力器单次点火所产生的动量矩为单台电推力器单次点火所产生的动量矩所对应的角动量卸载矩阵为式中，其中l1i和l2i分别为单台电推力器点火的起始赤经和结束赤经，ωE为卫星轨道角速度，F为单台电推力器推力大小。ri(1)、ri(2)、ri(3)分别为ri的第1、2、3个分量。所述步骤(2)中获得两个电推力器对的最优角动量卸载矩阵，具体方法如下：锥形电推力器布局下一般(但不仅限于)存在两个对角线上电推力器对，即NW和SE、NE和SW。因此，在电推力器对中，每台电推力器单次点火所产生的动量矩可扩展为：NW和SE动量矩矩阵A1、A4为NE和SW动量矩矩阵A2、A3为由此，对于求解推力器对NW和SE使达到极小的最优推力方向偏转量为对于求解推力器对NE和SW使达到极小的最优推力方向偏转量为可分别由以下七元一次方程组求解：NW和SE推力器对所对应的最优解CI·XI＝bNE和SW推力器对所对应的最优解CII·XII＝b其中，CI、CII为最优角动量卸载矩阵XI＝[λ1λ2λ3dx1dy1dx4dy4]TXII＝[λ1λ2λ3dx2dy2dx3dy3]Tb＝[0000MxMyMz]T其中，∑A1+∑A4为NW和SE组合在一个矢量调节机构调节周期内所有轨道周期，每次点火所产生的动量矩矩阵加合，λ1、λ2、λ3为协态变量，Mx、My、Mz为在一个矢量调节机构调节周期内的目标待卸载角动量。所述步骤(3)中判断电推力器卸载对是否能够用于卸载，具体方法如下：一对对角线上电推力器能够用于卸载的充分条件是：NW和SE：Rank((∑A1+∑A4)·(∑A1+∑A4)T)＝3NE和SW：Rank((∑A2+∑A3)·(∑A2+∑A3)T)＝3如果满足上述公式，则可用于卸载，如果不满足，则放弃相应推力器对。所述步骤(4)中选出最优卸载电推力器对，具体方法如下：如果：JI≤JII则：使用NW和SE进行卸载如果：JI＞JII则：使用NE和SW进行卸载所述步骤(5)中判断卸载角动量是否过载，方法如下：设电推力器矢量调节机构所能驱动的最大角度βMAX在各方向上相同，为βMAX＞0。其中，cM＝cosβMAX。如果：用于卸载电推力器对中的任意ki＜1则：卸载角度过载,过载缩减量k*＝ki如果：用于卸载电推力器对中所有ki≥1则：最终的用于卸载的推力器对中的电推力器矢量调节机构偏移量为dxi′＝dxidyi′＝dyi所述步骤(6)中对过载的电推力器偏转量进行缩减，缩减方法如下：对用于卸载电推力器对中的所有电推力器，最终的矢量调节机构偏移量为：dxi′＝k*·dxidyi′＝k*·dyi所述步骤(7)中获取由电推力器推力方向偏移量转换为电推力器偏转角度，具体方法如下：卸载电推力器对中任意用于卸载的电推力器的偏转角度由下列公式得出：Δαi＝αi-α′iΔθi＝θi-θ′i其中，α′i＝atan(|pi′(1)/pi′(3)|)，θ′i＝atan(|pi′(3)/pi′(2)|)。pi′＝(ri+Δri′)。Δri′＝[dxi′dyi′0]T。不用于卸载推力器对中的电推力器偏转角度皆为0。根据所得的偏转角度Δαi，Δθi，卫星即可利用电推力器完成星上角动量交换执行机构的角动量卸载。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术的方法考虑了由电推力器开机时间过长带来的电推力器的弧段损失，提高了电推进卫星的卸载经度；(2)本专利技术对动力学模型进行了适当的简化，方法简本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑推力器弧段损失的电推进角动量卸载方法，其特征在于步骤如下：(1)获取每个电推力器单日、单次角动量卸载量矩阵；(2)根据步骤(1)得到的卸载量矩阵，获取两个电推力器对在整个矢量调节机构变动周期内的最优角动量卸载矩阵和最优推力方向偏转量；(3)根据步骤(2)得到的最优角动量卸载矩阵判断电推力器对是否能够用于卸载；(4)选出最优卸载电推力器对；(5)判断待卸载角动量是否超出电推力器矢量调节机构卸载能力，若超出则进入步骤(6)，若满足卸载能力，则进入步骤(7)；(6)对过载的电推力器矢量调节机构偏转量进行缩减，进入步骤(7)；(7)由步骤(5)或步骤(6)获得的推力方向偏转量转化为电推力器偏转角度。

【技术特征摘要】
1.一种考虑推力器弧段损失的电推进角动量卸载方法，其特征在于步骤如下：(1)获取每个电推力器单日、单次角动量卸载量矩阵；(2)根据步骤(1)得到的卸载量矩阵，获取两个电推力器对在整个矢量调节机构变动周期内的最优角动量卸载矩阵和最优推力方向偏转量；(3)根据步骤(2)得到的最优角动量卸载矩阵判断电推力器对是否能够用于卸载；(4)选出最优卸载电推力器对；(5)判断待卸载角动量是否超出电推力器矢量调节机构卸载能力，若超出则进入步骤(6)，若满足卸载能力，则进入步骤(7)；(6)对过载的电推力器矢量调节机构偏转量进行缩减，进入步骤(7)；(7)由步骤(5)或步骤(6)获得的推力方向偏转量转化为电推力器偏转角度。2.根据权利要求1所述的一种考虑推力器弧段损失的电推进角动量卸载方法，其特征在于：所述步骤(1)中获得每个电推力器单日、单次角动量卸载量矩阵和最优推力方向偏转量，具体方式如下：定义电推力器相对于本体坐标系的安装位置在三轴投影的绝对值大小为x、y、z，对于NW、NE、SW、SE四台电推力器安装位置坐标，可分别写为r1＝[-x-y-z]Tr2＝[x-y-z]Tr3＝[-xy-z]Tr4＝[xy-z]T定义电推力器指向偏离量为Δri＝[dxidyi0]T，设该量为小量，则四台电推力器的推力矢量Fi经适当简化后，定义为Fi=-pir·F]]>其中，i＝1～4，分别代表电推力器NW、NE、SW、SE，F为单台电推力器推力大小；则单台电推力器单次点火所产生的动量矩为Mi=a2i·ri(2)-a1i·ri(3)-a2i·ri(1)-a1i·ri(2)a1i·ri(1)-a2i·ri(3)a3i·ri(3)0·dxidyi]]>单台电推力器单次点火所产生的动量矩所对应的角动量卸载矩阵为a2i·ri(2)-a1i·ri(3)-a2i·ri(1)-a1i·ri(2)a1i·ri(1)-a2i·ri(3)a3i·ri(3)0]]>式中，其中l1i和l2i分别为单台电推力器点火的起始赤经和结束赤经，ωE为卫星轨道角速度，F为单台电推力器推力大小；ri(1)、ri(2)、ri(3)分别为ri的第1、2、3个分量。3.根据权利要求1所述的一种考虑推力器弧段损失的电推进角动量卸载方法，其特征在于：所述步骤(2)中获得两个电推力器对的最优角动量卸载矩阵，具体方法如下：锥形电推力器布局下一般(但不仅限于)存在两个对角线上电推力器对，即NW和SE、NE和SW；因此，在电推力器对中，每台电推力器单次点火所产生的动量矩可扩展为：NW和SE动量矩矩阵A1、A4为A1=a21·r1(2)-a11·r1(3)-a21·r1(1)00-a11·r1(2)a11·r1(1)-a21·r1(3)00a31·r1(3)000]]>A4=00a24·r4(2)-a14·r4(3)-a24·r4(1)00-a14·r4(2)a14·r4(1)-a24·r4(3)00a34·r4(3)0]]>NE和SW动量矩矩阵A2、A3为A2=a22·r2(2)-a12·r2(3)-a22·r2(1)00-a12...

【专利技术属性】
技术研发人员：马雪，石恒，胡少春，陈守磊，韩冬，汤亮，刘潇翔，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11