一種基于加速度計(jì)的偏無拖曳衛(wèi)星的干擾補(bǔ)償控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于加速度計(jì)的偏無拖曳衛(wèi)星的干擾補(bǔ)償控制方法，該方法首先將氣流產(chǎn)生的氣動(dòng)力從氣流坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到本體坐標(biāo)系下，在考慮攻角γ不考慮側(cè)滑角β的條件下，本體坐標(biāo)系的Y軸受到的氣動(dòng)力為0；然后將受力影響投影到第一軌道坐標(biāo)系下，則有本體坐標(biāo)系與第一軌道坐標(biāo)系間存在三個(gè)姿態(tài)角ψ,θ,，并對(duì)所述的姿態(tài)角應(yīng)用一個(gè)3×3矩陣來表示；為了滿足飛行器受到氣動(dòng)力在軌道坐標(biāo)系X軸的分量為0,應(yīng)用飛行器在X軸和Z軸上安裝的加速度計(jì)采集的X軸分量和Z軸分量，在推進(jìn)器所需補(bǔ)償?shù)牧閒補(bǔ)下，則需滿足從而反推出f補(bǔ)的值,至此，偏無拖曳控制完成。
【專利說明】一種基于加速度計(jì)的偏無拖曳衛(wèi)星的干擾補(bǔ)償控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本發(fā)明涉及一種對(duì)無拖曳衛(wèi)星進(jìn)行干擾補(bǔ)償?shù)姆椒?，更特別地說，是指一種補(bǔ)償 掉部分超低軌道衛(wèi)星所受到的非保守力的方法，是指一種區(qū)別于現(xiàn)有無拖曳控制方法即偏 無拖曳控制方法。 【背景技術(shù)】
[0002] 無拖曳衛(wèi)星最早來源于"Drag-Free Satellite" 一詞，為了補(bǔ)償在軌衛(wèi)星受到的 干擾力及力矩，使得衛(wèi)星在地球重力場(chǎng)的作用下運(yùn)行，即運(yùn)行在純重力軌道上，而對(duì)于低軌 衛(wèi)星而言，其受到的主要干擾為大氣阻力或力矩（Drag force torque)，因此國(guó)外學(xué)者將這 種通過控制器抵消大氣阻力或力矩的衛(wèi)星稱之為無拖曳衛(wèi)星（Drag-Free Satellite)，其 控制系統(tǒng)稱之為無拖曳控制系統(tǒng)（Drag-Free Control System)。
[0003] 無拖曳控制技術(shù)是獲取超低擾動(dòng)航天器平臺(tái)的重要途徑和關(guān)鍵技術(shù)之一。無拖曳 控制技術(shù)在空間引力實(shí)驗(yàn)、衛(wèi)星重力測(cè)量以及高精度對(duì)地觀測(cè)等重大項(xiàng)目的實(shí)施和開展中 得到了不斷發(fā)展、驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用。
[0004] 無拖曳衛(wèi)星主要由兩部分組成：外部的衛(wèi)星本體和內(nèi)腔中自由飛行的質(zhì)量塊。由 于質(zhì)量塊被衛(wèi)星本體屏蔽在內(nèi)腔中，其在軌運(yùn)動(dòng)只受地球引力的影響。然而外部的衛(wèi)星本 體會(huì)受到空間環(huán)境干擾的影響，主要是大氣阻力和太陽光壓等，為了補(bǔ)償非引力干擾的影 響，必須要避免衛(wèi)星本體和質(zhì)量塊相互碰撞，這是通過無拖曳控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。衛(wèi)星內(nèi)腔 壁上的位置敏感器能夠測(cè)量衛(wèi)星本體和質(zhì)量塊的相對(duì)位置，無拖曳控制系統(tǒng)根據(jù)此反饋信 號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使衛(wèi)星本體遠(yuǎn)離質(zhì)量塊。由于質(zhì)量塊是一個(gè)理想的穩(wěn)定參考源，因此通 過此控制系統(tǒng)的作用，使得衛(wèi)星本體跟蹤純重力軌道下的質(zhì)量塊，最終衛(wèi)星也能運(yùn)行在純 重力軌道下，即實(shí)現(xiàn)無拖曳運(yùn)行。
[0005] 2011年6月王玉爽的碩士論文，《無拖曳衛(wèi)星控制方法研究》，在1. 2. 3無拖曳衛(wèi)星 DFAC控制系統(tǒng)概述，中介紹了一種加速度計(jì)控制模式的無拖曳衛(wèi)星控制系統(tǒng)，如圖1所示。 在加速度計(jì)模式下，質(zhì)量塊懸浮控制器利用位置敏感器得到質(zhì)量塊相對(duì)于衛(wèi)星本體中心的 位置偏差，控制質(zhì)量塊跟蹤衛(wèi)星本體，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量塊質(zhì)心與衛(wèi)星本體中心的重合，所需的力便 成為衛(wèi)星本體所受干擾加速度的度量。
[0006] 將衛(wèi)星按照軌道高度來分類可以分成高軌衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星，其中，低軌 衛(wèi)星主要是指運(yùn)行在100?l〇〇〇km高度的衛(wèi)星，目前工程上實(shí)用的甚低地球軌道高度約為 200 ?400km〇
[0007] 大氣密度隨著軌道高度降低而增加：160km高度以上，高度降低1km，則大氣密度 增加約2倍；160km高度以下，高度降低lkm，則大氣密度增加約106倍；且160km高度以下 空氣熱效應(yīng)明顯增加。由于大氣阻力較大，在無維持控制情況下衛(wèi)星壽命一般不超過30 天。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 為了使無拖曳衛(wèi)星控制系統(tǒng)在超低軌道下受到的干擾達(dá)到最小，本發(fā)明在原有無 拖曳控制技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一種新的控制技術(shù)，即偏無拖曳衛(wèi)星控制。為了實(shí)現(xiàn)偏無拖曳 控制，本發(fā)明設(shè)計(jì)了在超低軌道的補(bǔ)償非保守力時(shí)，只補(bǔ)償?shù)魵鈩?dòng)力在軌道坐標(biāo)系下的X 軸的分量，保留Z軸和Y軸的氣動(dòng)力，并將Z軸和Y軸的氣動(dòng)力作為升側(cè)力，即Z軸和Y軸 的氣動(dòng)力成為一種類似引力的攝動(dòng)，此時(shí)可以保證超低軌道的穩(wěn)定的高度范圍；最后加入 控制攻角的飛行來改變飛行器近地點(diǎn)幅角變化規(guī)律，使得地面測(cè)控系統(tǒng)很難預(yù)計(jì)偏無拖曳 衛(wèi)星的飛行軌跡。
[0009] 在本發(fā)明中，一種基于加速度計(jì)的偏無拖曳衛(wèi)星的干擾補(bǔ)償控制方法包括有下列 步驟：
[〇〇1〇] 第一步驟：獲取飛行器在氣流坐標(biāo)系S-xayazaT受到的氣動(dòng)力了;./Γ]，其中 ./：=0;在考慮攻角α (即Y)不考慮側(cè)滑角β的條件下，利用第一轉(zhuǎn)換矩陣ua將所述 的Uu;/：U u]轉(zhuǎn)換為在本體坐標(biāo)系s-xbybzb下表達(dá)，記為本體一氣動(dòng)力[乂，即 [?K] = ' W]，其中./> ο I
[0011] 在本發(fā)明中，第一轉(zhuǎn)換矩陣Lba采用α與β的3X3矩陣來表示，記為
[0012]
【權(quán)利要求】
1. 一種基于加速度計(jì)的偏無拖曳衛(wèi)星的干擾補(bǔ)償控制方法，其特征在于干擾補(bǔ)償控制 有下列步驟： 第一步驟：獲取飛行器在氣流坐標(biāo)系S-XayazaT受到的氣動(dòng)力其 中/7=0;在考慮攻角α不考慮側(cè)滑角β的條件下，利用第一轉(zhuǎn)換矩陣Lba將所述的 [./7;/,";./：]轉(zhuǎn)換為在本體坐標(biāo)系S-x bybzb下表達(dá)，記為本體一氣動(dòng)力即 [fXfXf：} = Lu = 〇 ； ,/Γ為在氣流坐標(biāo)系S-xayaza下X軸受到的氣動(dòng)力； //為在氣流坐標(biāo)系S-xayaza下Y軸受到的氣動(dòng)力； Γ為在氣流坐標(biāo)系S-xayaza下Z軸受到的氣動(dòng)力； ,/7為在本體坐標(biāo)系S_xbybzb下X軸受到的氣動(dòng)力； ./T為在本體坐標(biāo)系S_xbybzb下Y軸受到的氣動(dòng)力； 為在本體坐標(biāo)系S_xbybzb下Z軸受到的氣動(dòng)力； 所述第一轉(zhuǎn)換矩陣Lba采用α與β的3X3矩陣來表示，記為
第二步驟：利用第五轉(zhuǎn)換矩陣Ub將所述本體一氣動(dòng)力轉(zhuǎn)換為在第一軌道 坐標(biāo)系 ο-χ^ζ。下表達(dá)，記為即= 本體坐標(biāo)系S_xbybzb與第一軌道坐標(biāo)系O-xjj。之間存在三個(gè)姿態(tài)角Ψ, Θ, f? ;Ψ表 示俯仰角，Θ表示滾轉(zhuǎn)角，^表示偏航角； 所述第五轉(zhuǎn)換矩陣L&采用姿態(tài)角的一個(gè)3 X 3矩陣來表示，記為
簡(jiǎn)化為 /Γ為在第一軌道坐標(biāo)系〇1。7。2。下X軸的氣動(dòng)力分量； 為在第一軌道坐標(biāo)系〇1。7。2。下Υ軸的氣動(dòng)力分量； ./Γ為在第一軌道坐標(biāo)系〇_Χ(^ζ。下Ζ軸的氣動(dòng)力分量； 第三步驟：偏無拖曳實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)為飛行器受到氣動(dòng)力在第一軌道坐標(biāo)系〇_Χ(^ζ。上的 χ 軸的分量 r 為 ο，即 < (/:a +/;:> =卜 推進(jìn)器補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償力； 第四步驟：當(dāng)J?和/Σ6由安裝在X軸和Z軸方向的加速度計(jì)測(cè)量得出，在滿足
?，補(bǔ)償在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的推進(jìn)器的補(bǔ)償力為ftt，.
| 實(shí)現(xiàn)了偏無拖曳控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加速度計(jì)的偏無拖曳衛(wèi)星的干擾補(bǔ)償控制方法， 其特征在于：在加速度計(jì)控制模式的無拖曳衛(wèi)星控制系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)推力分量為（1% = LioLob[f ；0 ；0] 〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加速度計(jì)的偏無拖曳衛(wèi)星的干擾補(bǔ)償控制方法，其 特征在于：所述的基于加速度計(jì)的偏無拖曳衛(wèi)星的干擾補(bǔ)償控制能夠適用于低軌衛(wèi)星。
【文檔編號(hào)】G05D1/10GK104090493SQ201410344592
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】徐 明, 汪作鵬, 魏延, 黃黎, 徐世杰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)