專利名稱：一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型姿軌控推力器陣列推力器的布局方法。
背景技術(shù)：
隨著微型衛(wèi)星的發(fā)展及應(yīng)用，對其高精度的姿態(tài)和軌道控制也提出了挑戰(zhàn)，需要 執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量和體積小、集成度高、功耗低、可靠性高，能夠提供小而精確的沖量，而微型固 體推力器陣列，能夠滿足微型衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的要求。微型固體推力器陣列能集成高密度 的微型推力器，每個推力器單元產(chǎn)生微小的沖量，可以實現(xiàn)任意的點火組合方式，進(jìn)行變推 力控制，這種推力器的突出優(yōu)點就是可以應(yīng)用于公斤級的皮衛(wèi)星或納衛(wèi)星上，是一種新型 的衛(wèi)星控制動力裝置。隨著各國對微型推力器陣列的研究逐漸深入，迫切需要解決陣列的應(yīng)用問題，因 此對于大規(guī)模陣列的研究成為現(xiàn)在的研究重點。對于現(xiàn)在研究的陣列布局方式均為規(guī)整四 邊形的方式，此種陣列適用于姿態(tài)控制但是不適用于軌道控制，當(dāng)需要的點火推力器為奇 數(shù)個時，該種陣列無法滿足將作用力的中心與衛(wèi)星質(zhì)心重合的要求，因此需要進(jìn)行優(yōu)化推 力器布局，以適用于軌道控制。因此需要設(shè)計出既適用于姿態(tài)控制，又適用于軌道控制的推 力器布局方式。另外，對于基于微推力器陣列的推力器分配算法也是鮮有研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法，改善了現(xiàn)有推力器陣列的 不適用于軌道控制的問題。該推力器陣列的基本生成元為正六邊形，以圓周形式存在，具有中心對稱性具體 布局時，在基本生成元正六邊形的中心放置第一個推力器，基本生成元正六邊形的六個頂 點也均放置推力器，以此正六邊形的邊長為間隔，向外擴(kuò)展衍生出其它推力器位置，它們的 位置要保證所有推力器兩兩間隔為此邊長大小，衍生的推力器個數(shù)由所需陣列規(guī)模大小決 定。由此得到推力器特點是，每一個推力器都將分布在以基本生成元正六邊形的中心為圓 心的某個圓周上；各個圓周上均分布著6的倍數(shù)個推力器。在衛(wèi)星上，推力器陣列構(gòu)型可以采用正六面體的形式，在六個面上各布置一個推 力器陣列，兩兩相對，每一對陣列控制兩個自由度。當(dāng)推力器需要進(jìn)行姿態(tài)控制時，采用三軸解耦控制，三對陣列各自產(chǎn)生俯仰、偏 航、滾轉(zhuǎn)力矩。具體實現(xiàn)步驟是步驟一、獲取需要產(chǎn)生的力矩；步驟二、根據(jù)所需力矩以及所剩的推力器所能提供力矩的情況，進(jìn)行力矩分解，分 解成若干執(zhí)行步；步驟三、尋找最優(yōu)的決策序列，每個序列步驟按照成本最低、推力器個數(shù)最少的原 則進(jìn)行組合，保證各個子步所需推力器組成成本最小、數(shù)量最少；步驟四、將步驟三中解得的各個序列中的推力器坐標(biāo)存儲到控制模塊，由控制模塊來控制發(fā)送點火指令，并且在每一個推力器使用完后，將其成本值設(shè)為最大值。當(dāng)推力器需要進(jìn)行軌道控制時，三對陣列各自產(chǎn)生法向、徑向、軌道面法向推力。 具體實現(xiàn)步驟是步驟一、獲取需要產(chǎn)生的沖量數(shù)據(jù)；步驟二、按照同一個圓周上兩兩相隔60°的6個推力器分成一組，對于每一個圓 周上的推力器按此規(guī)則分成若干組；步驟三、將所需推力的實現(xiàn)分成若干序列，每個序列使中上述推力器分組中一組 推力器的若干個，每個序列步驟按照成本最小、使用組數(shù)最少的原則以及所選取的推力器 組合的合力必須在衛(wèi)星質(zhì)心上的使用組合原則對推力器進(jìn)行組合，；步驟四、將步驟三中每個序列解得到推力器坐標(biāo)儲存在控制模塊，由控制模塊控 制相關(guān)推力器點火；步驟五、在每一個推力器使用完后，將其成本值設(shè)為某固定值，該固定值大于所有 推力器組合成本值的最大值。有益效果本發(fā)明設(shè)計了一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法，提高了陣列面積利用率， 并且能夠避免因算法產(chǎn)生推力偏心以及降低誤點火的概率；得出了陣列中推力器分布規(guī) 律，能夠快速找出各個推力器的坐標(biāo)位置。并且設(shè)計了基于微推力器陣列的姿態(tài)控制的推 力器分配過程，所用算法提高了陣列中推力器的利用率，并且準(zhǔn)確快速地搜索出可用推力 器。該發(fā)明還設(shè)計了微推力器陣列陣列的軌道控制的推力器分配過程，所用算法求解精確， 并實現(xiàn)了成本最小化，能夠有效避免過早結(jié)束陣列壽命，提高陣列的利用率。


圖1為本發(fā)明的推力器陣列分布2為本發(fā)明的微型固體推力器陣列安裝位置示意3為本發(fā)明的推力器陣列在坐標(biāo)軸上的分組示意4為本發(fā)明在姿態(tài)控制中的推力器分配算法流程5為本發(fā)明在軌道控制中的推力器分配算法流程圖
具體實施例方式下面給出該種推力器陣列在實現(xiàn)姿態(tài)控制和軌道控制時具體使用的數(shù)學(xué)模型和算法。該推進(jìn)器陣列示意圖如圖1所示。該推力器陣列的基本生成元為正六邊形，以圓 周形式存在，具有中心對稱性具體布局時，在基本生成元正六邊形的中心放置第一個推力 器，基本生成元正六邊形的六個頂點也均放置推力器，以此正六邊形的邊長為間隔，向外擴(kuò) 展衍生出其它推力器位置，它們的位置要保證所有推力器兩兩間隔為此邊長大小，衍生的 推力器個數(shù)由所需陣列規(guī)模大小決定。由此得到推力器特點是，每一個推力器都將分布在以 基本生成元正六邊形的中心為圓心的某個圓周上；各個圓周上均分布著6的倍數(shù)個推力器。通過旋轉(zhuǎn)得到陣列坐標(biāo)規(guī)律，即可得到所有圓周上推力器坐標(biāo)，如表1示例。
權(quán)利要求
一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法的基本生成元為正六邊形，以圓周形式存在，具有中心對稱性具體布局時，在基本生成元正六邊形的中心放置第一個推力器，基本生成元正六邊形的六個頂點也均放置推力器，以此正六邊形的邊長為間隔，向外擴(kuò)展衍生出其它推力器位置，它們的位置要保證所有推力器兩兩間隔為此邊長大小，衍生的推力器個數(shù)由所需陣列規(guī)模大小決定；
2.如權(quán)利要求1所述的一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法，其特征在于，每一個 推力器都將分布在以基本生成元正六邊形的中心為圓心的某個圓周上；各個圓周上均分布 著6的倍數(shù)個推力器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法，其特征在于，在衛(wèi)星 上，該推力器陣列構(gòu)型采用正六面體的形式，在六個面上各布置一個推力器陣列，兩兩相 對，每一對陣列控制兩個自由度；
4.如權(quán)利要求1或3所述的一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法，其特征在于，當(dāng)推 力器需要進(jìn)行姿態(tài)控制時，采用三軸解耦控制，三對陣列各自產(chǎn)生俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)力矩；具 體實現(xiàn)步驟是步驟一、獲取需要產(chǎn)生的力矩；步驟二、根據(jù)所需力矩以及所剩的推力器所能提供力矩的情況，進(jìn)行力矩分解，分解成 若干執(zhí)行步；步驟三、尋找最優(yōu)的決策序列，每個序列步驟按照成本最低、推力器個數(shù)最少的原則進(jìn) 行組合，保證各個子步所需推力器組成成本最小、數(shù)量最少；步驟四、將步驟三中解得的各個序列中的推力器坐標(biāo)存儲到控制模塊，由控制模塊來 控制發(fā)送點火指令，并且在每一個推力器使用完后，將其成本值設(shè)為最大值。
5.如權(quán)利要求1或3所述的一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法，其特征在于，當(dāng)推 力器需要進(jìn)行軌道控制時，三對陣列各自產(chǎn)生法向、徑向、軌道面法向推力；具體實現(xiàn)步驟 是步驟一、獲取需要產(chǎn)生的沖量數(shù)據(jù)；步驟二、按照同一個圓周上兩兩相隔60°的6個推力器分成一組，對于每一個圓周上 的推力器按此規(guī)則分成若干組；步驟三、將所需推力的實現(xiàn)分成若干序列，每個序列使中上述推力器分組中一組推力 器的若干個，每個序列步驟按照成本最小、使用組數(shù)最少的原則以及所選取的推力器組合 的合力必須在衛(wèi)星質(zhì)心上的使用組合原則對推力器進(jìn)行組合；步驟四、將步驟三中每個序列解得到推力器坐標(biāo)儲存在控制模塊，由控制模塊控制相 關(guān)推力器點火；步驟五、在每一個推力器使用完后，將其成本值設(shè)為某固定值，該固定值大于所有推力 器組合成本值的最大值。
6.如權(quán)利要求1或3或4所述的一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法，其特征在于， 在姿態(tài)控制時，此種推力器布局方式在選擇到滿足所需沖量大小的推力器組合的同時，保 證了所選推力器組合的合力在衛(wèi)星質(zhì)心上。
7.如權(quán)利要求1或3或4所述的一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法，其特征在于， 當(dāng)推力器需要進(jìn)行姿態(tài)控制時，將點火問題轉(zhuǎn)化為整數(shù)規(guī)劃中的0-1規(guī)劃問題；其描述如下目標(biāo)函數(shù)
8.如權(quán)利要求1或3或4所述的一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法，在姿態(tài)控制 時推力器的分配算法決定了推力器在使用時，以行為單位，逐行使用。
9.如權(quán)利要求1或3或5所述的一種微型姿軌控推力器陣列的布局方法，其特征在于， 當(dāng)推力器需要進(jìn)行軌道控制時，將點火問題轉(zhuǎn)化為整數(shù)規(guī)劃中的0-1規(guī)劃問題；其描述如 下目標(biāo)函數(shù)
10.如權(quán)利要求1或3或9所述的一種微姿軌控推力器陣列的布局方法，Umax為一常數(shù)， 它的值大于所有推力器組合成本的最大值，即將使用過的推力器的成本值設(shè)定為最大值， 保證下次使用時不會選擇到它。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型姿軌控推力器陣列推力器的布局方法；為了改善現(xiàn)有推進(jìn)器陣列的不適用于軌道控制的問題，提出一種基于正六邊形的推進(jìn)器陣列，并且根據(jù)其要實現(xiàn)的功能姿態(tài)控制和軌道控制，分別設(shè)計了基于微推力器陣列的推力器分配的算法，該陣列能夠避免因算法產(chǎn)生推力偏心，并且利用陣列中推力器的分布規(guī)律及相關(guān)的控制算法，能夠快速準(zhǔn)確找出所需的各個推力器的坐標(biāo)位置，提高了陣列中推力器的利用率，能夠有效避免過早結(jié)束陣列壽命。
文檔編號B64G1/40GK101941529SQ20101027632
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者劉旭輝, 方蜀州, 李洪美, 李騰, 王玉林 申請人:北京理工大學(xué)