一種實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主控制系統(tǒng)，該自主控制系統(tǒng)由六個通道組成。該系統(tǒng)內(nèi)嵌在衛(wèi)星控制器中，在現(xiàn)有衛(wèi)星的管控系統(tǒng)下，能夠提前產(chǎn)生軌控指令，為發(fā)動機催化床加熱、姿態(tài)機動、地面校驗等提供準(zhǔn)備時間。該系統(tǒng)通過將通道控制指令集存儲于衛(wèi)星控制器的RAM中，其中被循環(huán)調(diào)用的通道控制指令集保存于動態(tài)數(shù)據(jù)流中，這就避免了對數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)查詢等星上資源的占用。本發(fā)明系統(tǒng)內(nèi)嵌在每個衛(wèi)星控制器中以相對獨立的子程序形式被加以調(diào)用，即管控系統(tǒng)在每個時刻輪詢自主軌控進程。本發(fā)明系統(tǒng)可作為現(xiàn)有星上管控系統(tǒng)的補充，而無需針對原有星上管控軟件系統(tǒng)重新設(shè)計。本發(fā)明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星的編隊構(gòu)型捕獲、構(gòu)型重構(gòu)、構(gòu)型維持等任務(wù)以及參與編隊中故障衛(wèi)星撤離功能。
【專利說明】一種實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在現(xiàn)有衛(wèi)星平臺技術(shù)和設(shè)備體制下的衛(wèi)星編隊飛行控制系統(tǒng)，更特別地說，是指為了在不改動現(xiàn)有星上管控軟件的情況下實現(xiàn)衛(wèi)星的編隊飛行，而設(shè)計的一種衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星飛行的水平速度叫第一宇宙速度，即環(huán)繞速度。衛(wèi)星只要獲得這一水平方向的速度后，不需要再加動力就可以環(huán)繞地球飛行。這時衛(wèi)星的飛行軌跡叫衛(wèi)星軌道。衛(wèi)星軌道參數(shù)是用來描述在太空中衛(wèi)星運行的位置、形狀和取向的各種參數(shù)。
[0003]中國專利申請?zhí)朇N201310036399.4，申請日2013年01月30日，發(fā)明名稱“一種衛(wèi)星軌道控制方法”。其中圖2公開了衛(wèi)星控制系統(tǒng)的組成示意圖。該專利針對軌道控制發(fā)動機工作時會產(chǎn)生較大干擾力矩，姿態(tài)控制發(fā)動機為欠驅(qū)動的情況且要求軌道調(diào)整量較大時，提出了一種基于姿態(tài)控制發(fā)動機和動量輪結(jié)合的衛(wèi)星軌道控制方法，可實現(xiàn)欠驅(qū)動情況下的快速軌道機動。
[0004]在2008年11月，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，工學(xué)碩士學(xué)位論文，李松青，《航天器控制系統(tǒng)通用仿真技術(shù)研究》一文中公開了，航天器軌道的制導(dǎo)與導(dǎo)航系統(tǒng)還是姿態(tài)的確定與控制系統(tǒng)，從部件的角度來看都可以分為敏感器(測量)、控制器(信息處理)、執(zhí)行機構(gòu)(改變航天器的運動狀態(tài))和作為控制對象的航天器本體四大部分；而航天器的運動總是離不開地球、太陽、月球、恒星、大氣等空間環(huán)境對它的影響，它們組成一個復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)。
[0005]2009年12月第I版《航天技術(shù)導(dǎo)論》楊炳淵編著，第155至159頁。航天器的姿態(tài)和軌道控制按控制力的來源可分為被動控制和主動控制兩大基本類型。主動控制方式主要應(yīng)用于3軸穩(wěn)定航天器的姿態(tài)控制，典型的控制系統(tǒng)如圖4 - 26所示。在計算機上事先存儲各階段計算任務(wù)所需的程序軟件，包括姿態(tài)確定和控制算法。計算機和敏感器、執(zhí)行機構(gòu)通過相應(yīng)的接口連接。
[0006]編隊捕獲是解決多航天器如何實現(xiàn)相對運動構(gòu)型的問題，這是保障航天器編隊正常在軌運行的第一步。構(gòu)型維持控制是所有航天器編隊控制中的基礎(chǔ)問題，這是因為，穩(wěn)定的構(gòu)型是航天器編隊得以順利完成任務(wù)的保證，另外，構(gòu)型維持控制是重構(gòu)控制的基礎(chǔ)，空間任務(wù)的變更要求航天器編隊變換相對運動構(gòu)型。
[0007]根據(jù)航天動力學(xué)分析可知，軌道變化的特征頻率為軌道角速度；而姿態(tài)控制的頻率很大程度取決于增益參數(shù)的設(shè)定(例如:磁力矩器容量、推力器脈寬等)；而從衛(wèi)星可靠性角度考慮，對于地球人造衛(wèi)星，軌道控制失敗僅影響衛(wèi)星的過頂計劃，而姿態(tài)控制失敗直接導(dǎo)致衛(wèi)星斷電、斷上下行鏈路，直接威脅衛(wèi)星生存。因此，姿態(tài)控制必須依靠反饋回路，將控制任務(wù)交由計算機完成，人力限于地域和成本等因素將無法實現(xiàn)；而軌道控制恰好相反，由于變化頻率較慢給予地面充足的時間制定控制任務(wù)。相對于姿控的快頻，軌控是慢頻。以往研究大多關(guān)注于編隊飛行控制器的設(shè)計過程和性能評估，由于缺乏對軌控的慢頻認(rèn)識，多數(shù)文獻(xiàn)將編隊飛行歸結(jié)為純粹的控制誤差抑制問題，進而設(shè)計出與姿態(tài)控制類似的閉環(huán)實時反饋控制。從硬件實現(xiàn)來看，姿態(tài)控制可依靠動量輪、磁力矩器等電氣設(shè)備提供連續(xù)控制量，將測量電信號直接轉(zhuǎn)換為執(zhí)行電信號；而在執(zhí)行一次軌控任務(wù)前，需要催化床加熱、姿態(tài)機動、地面校驗等一系列操作。
[0008]星上管控軟件負(fù)責(zé)星上各個分系統(tǒng)數(shù)據(jù)解碼分發(fā)和打包、計算任務(wù)分配以及數(shù)據(jù)庫管理等任務(wù)。編隊飛行軌道控制依靠星載處理器產(chǎn)生控制指令，勢必與星上管控軟件產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互；如果按照分系統(tǒng)軟件研制的傳統(tǒng)方式，需要針對星上管控軟件進行大規(guī)模改動，例如重新定義環(huán)境變量、增加數(shù)據(jù)庫訪問權(quán)限等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了在每個衛(wèi)星控制器中產(chǎn)生一定時間段的提前執(zhí)行指令，以預(yù)留姿控、熱控等準(zhǔn)備時間來完成一次軌控任務(wù)，本發(fā)明提供了一種衛(wèi)星自主控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過將控制指令集存儲于衛(wèi)星控制器的RAM中，其中被循環(huán)調(diào)用的通道控制指令集保存于動態(tài)數(shù)據(jù)流中，這就避免了對數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)查詢星上資源的占用。本發(fā)明系統(tǒng)內(nèi)嵌在每個衛(wèi)星控制器中，可作為現(xiàn)有星上管控系統(tǒng)的補充，而無需針對原有軟件系統(tǒng)重新設(shè)計。本發(fā)明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星的編隊構(gòu)型捕獲、構(gòu)型重構(gòu)、構(gòu)型維持等任務(wù)以及參與編隊中故障衛(wèi)星撤離功能。
[0010]本發(fā)明的一種實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先構(gòu)建六個通道，然后通過通道更新模塊和通道排序模塊進行處理，最后得到當(dāng)前執(zhí)行通道。
[0011]所述的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)包括有第一通道TD1、第二通道TD2、第三通道TD3、第四通道TD4、第五通道TD5、第六通道TD6、通道更新模塊和通道排序模塊。
[0012]第一通道TD1:是指將從星F與主星M的相對半長軸Λ a更改為正值的通道；
[0013]步驟101:依據(jù)當(dāng)前時刻T31J的從星F與主星M之間的相對距離Λ D31J計算估計時刻T估計的從星F與主星M之間的相對距離AD估計；
[0014]步驟102:依據(jù)當(dāng)前時刻T31J的主星M緯度幅角計算估計時刻T估計的主星M諱度幅角々估|十；
[0015]步驟103:依據(jù)當(dāng)前時刻T的相對半長軸Aa3ff計算估計時刻T估計的相對半長軸Δ a估計；
[0016]步驟104:將ADteit與最小設(shè)定距離Dniin作比，所述Dniin是指從星F與主星M之間的最小設(shè)定距離；
[0017]若Δ D Dmin,則第一通道不更新執(zhí)行時刻Gz)和速度脈沖量;
[0018]若ΛD估計≤Dmin，則:
[0019]Α)根據(jù).計算出主星M到達(dá)指定緯度幅角"二時所需要的到達(dá)時間:--，然后加上軌道預(yù)報時間Iss，加上當(dāng)前時刻Τ3|?，即得到第一通道執(zhí)行時刻，
tTDl -+ T預(yù)報+『當(dāng)前；
[0020]B)根據(jù)Λ &@+計算第一通道的速度脈沖量為1
[0021]第二通道TD2:是指將從星F與主星M的相對半長軸Λ a更改為負(fù)值的通道；
[0022]步驟201:依據(jù)當(dāng)前時刻T 的從星F與主星M之間的相對距離Λ D 計算估計時刻T估計的從星F與主星M之間的相對距離AD估計；
[0023]步驟202:依據(jù)當(dāng)前時刻T3li的主星M緯度幅角計算估計時刻的主星M緯
度幅角“估{十；
[0024]步驟203:依據(jù)當(dāng)前時刻T 的相對半長軸Λ a 計算估計時刻T 的相對半長
軸Δ a估計；
[0025]步驟204:將Λ Dteit與最大設(shè)定距離Dmax作比，所述Dmax是指從星F與主星M之間的最大設(shè)定距離；
[0026]若Δ D < Dmax,則第二通道不更新執(zhí)行時刻tTD.,和速度脈沖量vTD2，
[0027]若AD估計≥Dmax，則:
[0028]A )根據(jù)C計算出主星M到達(dá)指定緯度幅角^時所需要的到達(dá)時間，然后加上軌道預(yù)報時間Iss，加上當(dāng)前時刻Τ3|?，即得到第二通道執(zhí)行時刻匕D2，
【權(quán)利要求】
1.一種實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)，該衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)內(nèi)嵌在星載計算機或者姿軌控計算機內(nèi)，其特征在于:所述的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)包括有第一通道TD1、第二通道TD2、第三通道TD3、第四通道TD4、第五通道TD5、第六通道TD6、通道更新模塊和通道排序模塊； 第一通道TD1:是指將從星F與主星M的相對半長軸Λ a更改為正值的通道； 步驟101:依據(jù)當(dāng)前時刻T3ff的從星F與主星M之間的相對距離AD31J計算估計時刻T估計的從星F與主星M之間的相對距離Λ D估計； 步驟102:依據(jù)當(dāng)前時刻T3li的主星M緯度幅角計算估計時刻Ttei+的主星M緯度幅角 <計； 步驟103:依據(jù)當(dāng)前時刻T31J的相對半長軸Aa3lJ計算估計時刻Iftit的相對半長軸Aa估計5 步驟104:將ADtei+與最小設(shè)定距離Dmin作比，所述Dmin是指從星F與主星M之間的最小設(shè)定距離； 若ΔD估計> Dmin，則第一通道不更新執(zhí)行時刻Ga和速度脈沖量νrΑ ； 若 ΔD估計≤Dmin，則: A)根據(jù)W“計算出主星M到達(dá)指定緯度幅角時所需要的到達(dá)時間，然后加上軌道預(yù)報時間Ths，加上當(dāng)前時刻Τ3|?，即得到第一通道執(zhí)行時刻Ga，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)，其特征在于:每一通道具有獨立的功能模式，每個模式的優(yōu)先級是不同的；第一通道TD1和第二通道TD2為互異通道指令，即兩者不可能同時出現(xiàn)且執(zhí)行間隔至少大于軌道預(yù)報時間Twr ;第三通道TD3和第四通道TD4為孿生通道指令且執(zhí)行間隔為半個軌道周期；第五通道TD5和第六通道TD6亦為互異通道指令。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)，其特征在于:衛(wèi)星在實現(xiàn)編隊飛行捕獲時，對從星F與主星M的軌道根數(shù)進行軌道預(yù)報時間Twr的設(shè)置，直接調(diào)用6個通道實現(xiàn)飛行任務(wù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)，其特征在于:衛(wèi)星在實現(xiàn)編隊飛行維持時，對從星F與主星M的軌道根數(shù)進行軌道預(yù)報時間Twr的設(shè)置，直接調(diào)用6個通道實現(xiàn)飛行任務(wù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)，其特征在于:衛(wèi)星在實現(xiàn)編隊飛行重構(gòu)時，首先對各個通道進行速度脈沖量做清零操作；對從星F與主星M的軌道根數(shù)進行軌道預(yù)報時間Twr的設(shè)置，然后調(diào)用6個通道實現(xiàn)飛行任務(wù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)，其特征在于:衛(wèi)星在實現(xiàn)編隊飛行撤離時，首先對各個通道進行速度脈沖量做清零操作；對從星F與主星M的軌道根數(shù)進行軌道預(yù)報時間Twr的設(shè)置，然后調(diào)用第一通道實現(xiàn)飛行任務(wù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的自主軌道控制系統(tǒng)是在Matlab R2008a 一 Simulink基礎(chǔ)平臺上開發(fā)得到。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的自主軌道控制系統(tǒng)通過將通道控制指令集C75 = Ib5lSAjninI存儲于星載計算機或者姿軌控計算機的RAM中，其中被循環(huán)調(diào)用的通道控制指令保存于動態(tài)數(shù)據(jù)流中，這就避免了對數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)查詢星上資源的占用。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)分布式編隊飛行的衛(wèi)星自主軌道控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的自主軌道控制系統(tǒng)是通過軟件實現(xiàn)以作為現(xiàn)有星上管控系統(tǒng)的補充，而無需重新設(shè)計管控軟件架構(gòu)。
【文檔編號】G05D1/08GK103676955SQ201310706689
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】徐 明, 禹凱, 劉勝利, 楊志, 張昂, 李霖, 徐世杰 申請人:北京航空航天大學(xué), 航天東方紅衛(wèi)星有限公司