一種同步軌道電推進位置保持與角動量卸載聯(lián)合控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種同步軌道衛(wèi)星電推進位置保持與動量輪卸載聯(lián)合控制方法，屬于 衛(wèi)星軌道姿態(tài)動力學與控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 地球同步軌道（GEO，GeosynchronousOrbit)是指衛(wèi)星運行時相對地球位置基本 不變，與地球自轉(zhuǎn)運動同步的衛(wèi)星軌道。實際上由于各種攝動因素的作用，同步軌道衛(wèi)星并 不能始終保證相對地球位置不變，需要不斷地施加控制力使衛(wèi)星相對地球位置保持在要求 的范圍內(nèi)。同步軌道衛(wèi)星的位置保持操作實際上是對衛(wèi)星傾角、偏心率和平經(jīng)度的控制。
[0003] 目前化學推進衛(wèi)星的位置保持是通過推力方向解耦的化學推力器根據(jù)需要分別 產(chǎn)生沿軌道徑向、切向、法向的速度增量對同步軌道衛(wèi)星的定點位置進行控制的。化學推進 衛(wèi)星的角動量卸載則是通過推力器組合使其對星體的推力相互抵消，只產(chǎn)生相應的卸載力 矩實現(xiàn)的。其位置保持與角動量卸載相互解耦。
[0004] 目前采用電推進技術(shù)的同步軌道衛(wèi)星，其電推力器布局一般使其推力在軌道徑 向、切向、法向的分量均不為零，即在南北、東西方向的位置保持控制上存在耦合；且其角動 量卸載也需要電推力器執(zhí)行，電推力器在產(chǎn)生繞星體質(zhì)心的力矩的同時必定會產(chǎn)生對星體 的推力從而引起軌道參數(shù)變化，即位置保持控制與角動量卸載存在耦合。解耦控制會使得 推進劑利用效率低，造成推進劑的浪費。
[0005] 北京理工大學CN104015938A號專利提供了一種電推進靜止軌道衛(wèi)星的位置保持 方法，該方法通過將一個位置保持周期劃分為若干個小控制周期，每個位置保持周期測軌 數(shù)據(jù)更新一次，根據(jù)測軌數(shù)據(jù)計算每個小控制周期的電推力器點火參數(shù)，實現(xiàn)東西、南北方 向位置保持的聯(lián)合控制，按照給定的位置保持周期重復執(zhí)行，達到了較高的位置保持精度 和較高的推進劑利用效率。但是該方法主要存在以下問題：
[0006] (1)未考慮位置保持控制參數(shù)（位置保持周期、控制周期等）與位置保持精度之間 的關(guān)系，在控制參數(shù)的選擇上存在盲目性。
[0007] (2)在每個位置保持周期內(nèi)，不同的控制周期的電推力器點火參數(shù)需要遞推計算 求得，使得各控制周期的點火參數(shù)并不相同，解算復雜。
[0008] (3)未考慮角動量卸載需求，未考慮電推力器執(zhí)行角動量卸載對位置保持的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服以上缺點，提供一種簡單易行的同步軌道電推進 位置保持與角動量卸載聯(lián)合控制方法，解決同步軌道電推進位置保持與角動量卸載問題， 并實現(xiàn)較高的推進劑利用效率。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種同步軌道電推進位置保持與角動量卸載聯(lián)合控制 方法，以星上測軌數(shù)據(jù)的更新周期為一個位置保持周期Ts，以全部電推力器各點火一次為 一個控制周期T。，一個位置保持周期包含若干個控制周期。首先在一個置保持周期開始之 前根據(jù)測軌數(shù)據(jù)確定一個位置保持周期所需的軌道要素控制量，將其平均分配到每個控制 周期，確定每個控制周期內(nèi)每臺電推力器的點火時長以及點火位置；其次在每個控制周期 開始之前，根據(jù)動量輪系的角動量卸載需求，調(diào)整該控制周期內(nèi)每臺電推力器的指向，以產(chǎn) 生相應的卸載力矩。按照位置保持周期重復執(zhí)行該策略，即可實現(xiàn)衛(wèi)星定點位置和輪系角 動量的控制。
[0011] 實現(xiàn)步驟如下：
[0012] 步驟一、確定位置保持周期Ts、控制周期T。和測軌時間T"
[0013] 控制周期T。為包含所有推力器各完成一次點火過程的總時間，可取1天或2天； 測軌時間由測定軌所需時間向上取整為整數(shù)個軌道周期得到；一個位置保持周期Ts應包 含一個測軌過程和若干個控制周期T
[0014] Ts=Tn+mTc
[0015] 其中m為正整數(shù)；
[0016] 步驟二、每個位置保持周期^開始之前，根據(jù)測軌得到的軌道數(shù)據(jù)計算每個控制 周期軌道要素控制量：傾角控制量矢量（△ix, △iy)、偏心率控制量矢量（△ex, △ey)和平經(jīng) 度漂移率控制量AD;
[0017] 步驟三、根據(jù)各軌道要素所需控制量確定每個控制周期的電推力器點火參數(shù)，點 火參數(shù)包括點火時長及點火位置；
[0018] 步驟四、每個控制周期T。開始之前，根據(jù)電推力器點火參數(shù)及角動量卸載量確定 電推力器轉(zhuǎn)動角度。
[0019] 重復步驟二到步驟四，在電推力器控制下衛(wèi)星將保持在定點位置附近，且每個控 制周期內(nèi)角動量能夠持續(xù)進行卸載，不存在角動量長期積累。
[0020] 所述步驟一中m由東西方向位置保持精度要求確定，東西方向位置保持精度aEW 由偏心率控制精度ed和平經(jīng)度控制精度λd決定，如下：
[0021] aEW= 2ed (Tn) +λd (Tn,m)
[0022] m由上式求根并向下取整得到。
[0023] 所述偏心率控制精度ed按下式計算：
[0024] ed=Δeneas+Δectrl+Δerand+Δepert
[0025] 其中Λe_s、Δectrl、Δerand、Δepert分別為偏心率測量誤差、偏心率控制誤差、不確 定誤差、偏心率漂移量；不確定誤差AeMnd包含了控制律中未予考慮的其他攝動項的影響， 主要是日周期項，該項約為〇. 9X10 4;偏心率漂移量ΔepCTt表示無控弧段偏心率自由攝動 所能達到的最大值，該項約為：
[0026]
[0027] 其中nsS太陽視運動角速率，Re= 0.OllCj/m為偏心率攝動圓半徑，(；為光壓系 數(shù)，S/m為衛(wèi)星面積質(zhì)量比。
[0028] 所述平經(jīng)度控制精度λd按下式計算：
[0029]
[0030] 其中λ_s、λ。&1分別為平經(jīng)度測量誤差、平經(jīng)度控制誤差；Δiε為一個控制周期 內(nèi)的傾角控制量，當控制周期Τ。取為1天，Δiε為〇. 0026°，當控制周期Τ。取為2天，Δiε 為0.0052° ;ωε為地球自轉(zhuǎn)角速率，J；為定點位置處平經(jīng)度漂移加速度；KT、KN分別為電推 力器推力在軌道切向、法向的投影系數(shù)，取正值。
[0031]所述步驟二中的傾角控制量（Δix,Δiy)按照如下控制律計算：
[0032]
[0033]其中為太陽平黃經(jīng)，t為距春分時間；AX= 0. 0235 °，Ay= 0. 0215 ° 分別為傾角矢量半年周期攝動項的幅值；為白道升交點黃經(jīng)，其變化可記為Ω^ = 12. 1Γ-0.052954T，其中T為相對儒略日，相對于1950年1月1日。
[0034] 所述步驟二中偏心率控制量（Δex,Δey)按照如下控制律計算：
[0035]
[0036]
[0037] 其中is= 23. 45°為黃赤交角，內(nèi)為太陽平黃經(jīng)，t為距春分點時間；Ιζ= 0. 011(；S/m為偏心率攝動圓半徑，(；為光壓系數(shù)，S/m為衛(wèi)星面積質(zhì)量比；ex。，ey。為偏心率 矢量測量值。
[0038] 所述步驟二中和平經(jīng)度漂移率控制量AD，一個位保周期內(nèi)m個控制周期分成兩 段，前m/2個控制周期產(chǎn)生相同的平經(jīng)度漂移率控制量△Di，后m/2個控制周期產(chǎn)生相同的 平經(jīng)度漂移率控制量AD2，按照如下步驟計算：
[0039] (1)計算平經(jīng)度控制目標。平經(jīng)度控制目標為在當前位保周期結(jié)束時平經(jīng)度和平 經(jīng)度漂移率控制到指定值（λ丨D〇可由下式計算：
[0040]
[0041 ]
[0042] 其中疋為定點位置處平經(jīng)度漂移加速度。
[0043] (2)求解如下無約束優(yōu)化問題：
[0044]
[0045] X= (ΔD!，ΔD2)τ
[0046] 其中λ。、％分別為平經(jīng)度、平經(jīng)度漂移率的測量值。求得一組最優(yōu)解 (ΛDuΔD2)τ作為平經(jīng)度漂移率的控制量。
[0047] 所述步驟三中電推力器點火參數(shù)計算過程如下：
[0048] (1)首先根據(jù)傾角控制量（Δix，Δiy)計算各電推力器點火弧段中點赤經(jīng)：
[0049]atan2(_Δiy，-Δix)
[0050]12= atan2 (-Δiy，- Δix)
[0051]13= atan2 (_Δi y，- Δix) + jt
[0052]14= atan2 (_Δi y，- Δix)+jt
[0053] (2)計算各電推力器所需產(chǎn)生的速度增量：
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0058] 其中KT、KR、KN分別為衛(wèi)星對地姿態(tài)下電推力器推力沿軌道切向、徑向、法向的投影 系數(shù)，均取正值。
[0059] (3)根據(jù)各電推力器所需產(chǎn)生的速度增量計算實際的電推力器點火時長：
[0060]
[0061] 其中為航天器重量，F(xiàn)p為電推力器推力。
[0062] (4)根據(jù)電推力器點火時長與電推力器點火弧段中點赤經(jīng)計算電推力器起始點火 時刻：
[0063]
[0064] 其中t。為過春分點時刻，ωe為地球自轉(zhuǎn)角速率。
[0065] 所述步驟四中根據(jù)電推力器點火參數(shù)及角動量卸載量確定電推力器轉(zhuǎn)動角度，計 算過程如下：
[0066] (1)求解如下二次規(guī)劃問題：
[0067] minj=XTX
[0068] s.t.ΔHc=ΑΧ
[0069] Χ=(Δθ1;Δθ2,Δθ3,Δθ4,Δα1;Δα2,Δα3,Δα4)τ
[0070] 其中AeR3XS，Α的第k列為：
[0071]