姿軌一體衛(wèi)星的推力分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星的推力分配方法，具體講是一種姿軌一體衛(wèi)星的推力分配方 法，屬于衛(wèi)星控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 姿軌一體化控制是衛(wèi)星在軌運行過程中，同時考慮衛(wèi)星的軌道與姿態(tài)機動任務(wù)， 通過共用一套執(zhí)行機構(gòu)配置來實現(xiàn)軌道與姿態(tài)同時控制的一門控制技術(shù)。實行姿軌一體化 控制可最大程度地利用執(zhí)行機構(gòu)的機動能力，省去部分硬件資源，提高系統(tǒng)的功能密度，同 時還可提高燃料的利用效率，達到節(jié)省燃料、延長衛(wèi)星在軌使用壽命的目的。
[0003] 推力器作為一種常用的衛(wèi)星執(zhí)行機構(gòu)，當其作用于星體的力不通過星體質(zhì)心時， 便會同時對星體產(chǎn)生作用力矩，為姿軌一體化控制提供了可能。為實現(xiàn)以推力器為執(zhí)行機 構(gòu)的姿軌一體化控制，對推力器在星體上的安裝位置與安裝方向進行構(gòu)型設(shè)計后，以期在 滿足各種約束條件的同時實現(xiàn)一體化控制功能的最大化。推力器的配置確定了每個推力器 在衛(wèi)星本體系中所能產(chǎn)生的力及力矩的大小和方向，即一個推力矢量。由于衛(wèi)星一般通過 多個推力器作用的組合來產(chǎn)生所需的控制期望量，因此推力器的配置在很大程度上決定了 推力器系統(tǒng)的控制能力。
[0004] 目前結(jié)合實際問題提出了多種控制分配方法，主要分為非優(yōu)化分配法和優(yōu)化分配 法兩類，其中基于約束優(yōu)化的控制分配算法中的偽逆法因具有較高運算效率得到了廣泛使 用。但傳統(tǒng)的偽逆法無法保證在推力器受限的時候?qū)ν屏M行良好的配置，影響衛(wèi)星的控 制。因此，有人在此基礎(chǔ)上提出了基于鏈式分配的修正偽逆法、基于零空間的修正偽逆法 等。這些修正的偽逆法等改善了傳統(tǒng)偽逆法的受限問題，但現(xiàn)有的分配方法中均沒有針對 推力器的布局、各項特性指標進行總體的優(yōu)化，導(dǎo)致其推力分配誤差較大，影響推力器的控 制精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所有解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種推力分配誤差小、 控制精度高的姿軌一體衛(wèi)星的推力分配方法。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的姿軌一體衛(wèi)星的推力分配方法，包括以下 步驟：
[0007] 1)、在衛(wèi)星上安裝n個推力器，令C = [T ;U]，D = [A ;B]，建立推力分配模型：
[0008] C = DF
[0009] 式中，C為控制律給出的控制指令，T為推力在衛(wèi)星質(zhì)心處產(chǎn)生的作用力矩T = AF， 作用力為U = BF;A為所有推力器的單位矢量對衛(wèi)星的力矩矩陣，A=[diei d2e2 ... dnen]， [屯d2 ... dn]為n個推力器衛(wèi)星質(zhì)心的位置矢量矩陣，[ei e2 ... en]為n個推力器產(chǎn)生 的單位推力矩陣，D為推力配置矩陣；
[0010] 2)、初解步驟1)所述推力分配模型，得到F = DT(DDTrC，DT(DDTr為D的偽逆；
[0011] 3)、對步驟2)得到的初解按照推力正負進行分組：
[0013] 其中，F(xiàn)p。為初解正負分組后的新矩陣，F(xiàn) p。^為所有負解的子矩陣，F(xiàn) PCUK)S為所有正 解的子矩陣；
[0014] 將效率矩陣對應(yīng)分組：
[0016] Dneg為F p。neg對應(yīng)的效率矩陣子陣、D _為對應(yīng)F PCUK)S的效率矩陣子陣；
[0017] 將負值組的推力全部置零，得到：
[0018] Fpc neg= u f [0 …0]
[0019] 對分配后的期望量再次分配，得到修正后的分配值u2:
[0020] Md= D posu2
[0021] Md為控制律給出的初始期望量C經(jīng)分配后得到的期望量；
[0022] 4)、將步驟3)中DP()S分解為行秩不變的k個子矩陣，同時對u 2進行分解，重新求偽 逆，構(gòu)成以下方程組：
[0028] 針對每一組方程，求解對應(yīng)的
，F(xiàn)j是待求解變量，F(xiàn) j =
[Ul，u2]，j = 1，? ?，n、Cj,m為已知系數(shù)，代表第j臺推力器消耗的推進劑量、CD0P為燃料消耗 因子；
[0029]5)、選取步驟4)中J最小的一組進行執(zhí)行。
[0030] 本發(fā)明的有益效果在于：基于偽逆法、鏈式分配的修正偽逆法，通過推力器性能指 標對推力進行進一步優(yōu)化，得到基于推力器構(gòu)形和控制精度的推力二次分配方法，該分配 方法能夠在推力器配置的負載范圍內(nèi)有效地完成衛(wèi)星一體化控制任務(wù)，同時有效地節(jié)省燃 料，減小推力構(gòu)型帶來的推力分配誤差，提高推力器的控制精度。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明推力分配方法的技術(shù)方案圖；
[0032] 圖2為姿軌一體衛(wèi)星推力器配置構(gòu)型示意圖；
[0033] 圖3為優(yōu)化前后推力器所需提供推力對比圖；
[0034]圖4為優(yōu)化前后⑶0P對比圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0036] 在推力器的選擇過程中，一般要考慮推力最省，推力構(gòu)形引起的控制誤差最小。為 反應(yīng)推力器相對幾何關(guān)系影響的控制誤差與期望控制量之間的比例系數(shù)，定義燃料消耗因 子CD0P如下：
[0037] CD0P=tr[DDt]
[0038] 燃料消耗因子⑶0P越小，推力構(gòu)形引起的控制誤差越小。當推力器布局一定時， 隨著參與分配的發(fā)動機數(shù)目的增加，構(gòu)型燃料消耗因子CD0P也在相應(yīng)的增加，分配誤差在 增大。因此，從減小分配誤差的角度考慮，參與分配的發(fā)動機數(shù)目應(yīng)該盡可能得少。
[0039] 本發(fā)明的分配過程就是根據(jù)推力器配置，求解指令分配，令以下設(shè)計的指標最小 作為最優(yōu)解：
[0041] s.t. 0^Fj^Ffflax
[0042] 其中，F(xiàn)#待求解變量；Cj，m已知系數(shù)，代表第j臺推力器消耗的推進劑量；模型中 的約束表示推力器只能產(chǎn)生單向推力，并且有上限。
[0043] 如圖1所示，本發(fā)明首先在衛(wèi)星上安裝N個推力器后，建立推力分配的數(shù)學(xué)模型， 利用分配算法得到姿軌一體衛(wèi)星分配方法得到最優(yōu)推力分配方案。以傳統(tǒng)的偽逆法為基礎(chǔ) 得到初始解，即初始推力分配的方案；在初解的基礎(chǔ)上進行分組，得到基于鏈式分配的修正 偽逆法的推力分配方案，解決了推力解受限的問題，確保解F> 0 ;最后，設(shè)計推力分配優(yōu)化 指標，結(jié)合推力器的構(gòu)型、控制精度、燃料消耗等指標進行總體的算法優(yōu)化，得到優(yōu)化后推 力分配方案，所得解F> 0且唯一。其具體步驟為：
[0044] 步驟一，建立衛(wèi)星推力分配數(shù)學(xué)模型。
[0045] 推力器在衛(wèi)星上安裝布局確定后，假設(shè)設(shè)有n個推力器，它們相對衛(wèi)星質(zhì)心的位 置矢量矩陣為[屯d2 ...dn]，推力器產(chǎn)生的單位推力矩陣為[eie2 ...en]，所有推力器組 成的推力陣列為F=防F2…Fn]T。
[0046] 推力在衛(wèi)星質(zhì)心處產(chǎn)生的作用力矩可表示為T=AF，作用力可表示為U=BF。其 中A為所有推力器的單位矢量對衛(wèi)星的力矩矩陣A= [dieid2e2 ...dnen]，B為所有推力 器的單位矢量對衛(wèi)星的力矩陣B=[eie2 ...en]。令C= [T;U]，D= [A;B]，則推力分配 數(shù)學(xué)模型可描述為：
[0047] C=DF
[0048] D為推力配置矩陣，由推力器安裝布局決定，也叫推力效率矩陣；C為初始期望控 制量，包含m個方向上的力矩期控制望量和力期望控制量。
[0049] 在期望控制量C確定后，推力器的指令分配問題一般描述為求解合適的F問題。對 于解F
[0050] 0 <F彡F隨
[0051] F_為推力器能夠產(chǎn)生的最大推力。
[0052] 由控制律給出期望控制量C后，采用推力分配算法將控制量分配到每個推力器 上，推力分配算法決定了分配的合理性和優(yōu)越性。因此推力分配算法是研宄的關(guān)鍵所在。
[0053] 步驟二，應(yīng)用傳統(tǒng)偽逆法初解步驟一衛(wèi)星推力分配數(shù)學(xué)模型，得到推力分配的初 步方案。
[0054] 偽逆法中考慮泛函：
[0056] 求得的F應(yīng)該滿足其所有元素的平方和最小，同時產(chǎn)生的推力必須滿足軌道和姿 態(tài)的控制要求，即滿足約束條件：
[0057] C = DF
[0058] 利用拉格朗日乘子法求解，令乘子為人=[入i人2…人n] T，定義標量函數(shù) H(F，A)，引出新的泛函：<