[發(fā)明專利]一種全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)姿軌控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710564131.6
• 申請(qǐng)日: 2017-07-12
• 公開（公告）號(hào): CN107487458B
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳云華;韓鋒;鄭墨泓;華冰;陳志明;張澤中;葛林林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): B64G1/28
• 分類號(hào): B64G1/28
• 代理公司: 32204 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 王安琪

本發(fā)明公開了一種全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)姿軌控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)，包括衛(wèi)星軌道控制系統(tǒng)、衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)、電推進(jìn)系統(tǒng)、控制力矩陀螺系統(tǒng)、反作用飛輪系統(tǒng)和衛(wèi)星測(cè)量與反饋系統(tǒng)。本發(fā)明針對(duì)GEO衛(wèi)星的工作特點(diǎn)，提出了采用控制力矩陀螺和反作用飛輪及電推進(jìn)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，旨在為GEO衛(wèi)星的軌道轉(zhuǎn)移、軌道保持、敏捷機(jī)動(dòng)提供技術(shù)保證；通過(guò)該系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)關(guān)于GEO衛(wèi)星以下目標(biāo)：減少發(fā)射和在軌質(zhì)量、降低發(fā)射成本、衛(wèi)星位置準(zhǔn)確保持、提高衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)敏捷性、延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命等。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)姿軌控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。

背景技術(shù)

衛(wèi)星質(zhì)量是影響航天任務(wù)的一大重點(diǎn)問(wèn)題。質(zhì)量的減小，不僅可以節(jié)約成本，而且能極大提高效率，解決因化學(xué)燃料無(wú)法在軌補(bǔ)給而影響衛(wèi)星壽命的問(wèn)題。波音公司于2015年發(fā)射了全球首顆全電推進(jìn)衛(wèi)星702SP，相對(duì)于同樣類型衛(wèi)星，其質(zhì)量減小了一半，近2000kg。研究表明電推進(jìn)系統(tǒng)比沖遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，工作效率極高。然而電推進(jìn)平臺(tái)的推力較小，會(huì)延長(zhǎng)GEO衛(wèi)星的進(jìn)入地球同步軌道的過(guò)程，毫無(wú)疑問(wèn)，期間的衛(wèi)星姿態(tài)對(duì)推力器的配合顯得尤為重要。與此同時(shí)，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入在軌服務(wù)階段時(shí)，姿態(tài)敏捷機(jī)動(dòng)、多目標(biāo)捕獲和快速精確跟蹤等任務(wù)需要較大的力矩，顯然電推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)法達(dá)要求的。

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，具有敏捷機(jī)動(dòng)能力的地球觀測(cè)衛(wèi)星已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)之一。未來(lái)的地球觀測(cè)衛(wèi)星，其姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力需要達(dá)到6deg/s，同時(shí)衛(wèi)星整體將快速的機(jī)動(dòng)，而不在是成像系統(tǒng)小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

在所有衛(wèi)星姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，反作用飛輪和磁力矩器等都無(wú)法滿足敏捷衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)需求。盡管以上兩者不消耗化學(xué)燃料，可以提高衛(wèi)星的壽命，然而其輸出力矩相對(duì)較小。而且，飛輪系統(tǒng)存在飽和和死區(qū)問(wèn)題，而地磁場(chǎng)隨著衛(wèi)星空間位置不斷變化，導(dǎo)致磁力矩器控制復(fù)雜。相對(duì)以上兩者，推力器(化學(xué)燃料推力器)和控制力矩陀螺可以提供較為理想的力矩，足以保證衛(wèi)星完成敏捷機(jī)動(dòng)任務(wù)。雖然如此推力器可以產(chǎn)生較大的力矩，然而其需要消耗大量的工質(zhì)，并且無(wú)法在軌補(bǔ)給，毫無(wú)疑問(wèn)，這將會(huì)大大縮減衛(wèi)星的壽命，同時(shí)無(wú)法滿足連續(xù)機(jī)動(dòng)的要求。控制力矩陀螺有著極高的力矩放大和動(dòng)量存儲(chǔ)能力，其輸出力矩大、壽命長(zhǎng)、節(jié)能高效。在大型衛(wèi)星和敏捷衛(wèi)星上，已得到廣發(fā)使用，如國(guó)際空間站、天宮一號(hào)和法國(guó)的Pléiades-HR敏捷衛(wèi)星。然而，控制力矩陀螺系統(tǒng)存在奇異問(wèn)題，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入奇異狀態(tài)時(shí)，則無(wú)法輸出期望力矩。針對(duì)這樣的問(wèn)題，一方面可以通過(guò)設(shè)計(jì)和研究奇異操縱策略應(yīng)對(duì)，另一方面也可采用基于控制力矩陀螺的混合執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行避免。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)姿軌控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)，能夠減少發(fā)射和在軌質(zhì)量，降低發(fā)射成本，衛(wèi)星位置準(zhǔn)確保持，提高衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)敏捷性，延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命等。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)姿軌控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)，包括：衛(wèi)星軌道控制系統(tǒng)、衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)、電推進(jìn)系統(tǒng)、控制力矩陀螺系統(tǒng)、反作用飛輪系統(tǒng)和衛(wèi)星測(cè)量與反饋系統(tǒng)；電推進(jìn)系統(tǒng)、控制力矩陀螺系統(tǒng)和反作用飛輪系統(tǒng)為衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它們?cè)谛l(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)和衛(wèi)星軌道控制系統(tǒng)的控制下執(zhí)行相應(yīng)的推力和力矩輸出指令；執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別由以下部分組成：4套電推進(jìn)器、4個(gè)控制力矩陀螺和2個(gè)反作用飛輪；其工作模式包含軌道轉(zhuǎn)移模式、GEO位置保持模式和姿態(tài)調(diào)整/機(jī)動(dòng)模式。

優(yōu)選的，電推進(jìn)系統(tǒng)包括4套電推進(jìn)器和相應(yīng)的4個(gè)推力器指向調(diào)整機(jī)構(gòu)；4套電推進(jìn)器安裝平面平行于參考坐標(biāo)系xoy平面，指向機(jī)構(gòu)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整每個(gè)推力器的推力的指向；在軌道轉(zhuǎn)移模式和姿態(tài)調(diào)整/機(jī)動(dòng)模式下，電推進(jìn)器羽流方向平行z軸；在GEO位置保持模式下，電推進(jìn)器羽流方向通過(guò)衛(wèi)星的質(zhì)心，呈四棱錐構(gòu)型。

優(yōu)選的，控制力矩陀螺系統(tǒng)采用4個(gè)相同的單框架控制力矩陀螺，其安裝平面為參考坐標(biāo)系xoy平面，其中各個(gè)框架軸方向向上，呈金字塔構(gòu)型，安裝傾角為β。

優(yōu)選的，2個(gè)反作用飛輪分別安裝在衛(wèi)星參考坐標(biāo)系x和y軸方向，飛輪轉(zhuǎn)軸沿坐標(biāo)軸方向。