[發(fā)明專利]一種靜止軌道電推進衛(wèi)星故障檢測方法及位置保持方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811059085.5
• 申請日: 2018-09-12
• 公開（公告）號: CN109063380B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張景瑞;李林澄;李延艷;趙書閣
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G06F18/2433
• 分類號: G06F18/2433;G06F17/11
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 毛燕

本發(fā)明屬于航天器軌道動力學(xué)與控制領(lǐng)域。本發(fā)明公開的一種靜止軌道電推進衛(wèi)星故障檢測方法，實現(xiàn)方法如下，建立靜止軌道衛(wèi)星受環(huán)境攝動下的瞬時軌道運動模型；建立平均軌道運動模型；建立受控制力作用下的軌道運動模型；推導(dǎo)受所有力作用下的軌道運動模型；設(shè)計故障檢測器，并驗證所設(shè)計故障檢測器的收斂性。本發(fā)明還公開的一種靜止軌道電推進衛(wèi)星故障模式的位置保持方法，在衛(wèi)星故障檢測方法基礎(chǔ)上，計算推力器故障導(dǎo)致的軌道漂移；設(shè)計控制律，通過控制律修正推力器故障導(dǎo)致的軌道漂移；離散控制律，獲得電推力器的開關(guān)序列；通過采用開關(guān)序列，實現(xiàn)靜止軌道電推進衛(wèi)星故障模式下的位置保持。本發(fā)明普遍適用于高軌及地球靜止軌道電推進衛(wèi)星。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種靜止軌道電推進衛(wèi)星故障檢測方法及位置保持方法,尤其涉及靜止軌道電推進衛(wèi)星的推力故障檢測、位置保持等重要技術(shù)，屬于航天器軌道動力學(xué)與控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)

靜止軌道(Geostationary Orbit,GEO)指軌道高度為35786km、傾角為零的特殊地球同步軌道。在靜止軌道上運行的航天器，通常為高成本、大功率、長壽命、高精度的大型復(fù)雜航天器，具有覆蓋面積大，且相對于地面靜止的特點，在通信、導(dǎo)航、預(yù)警、遙感、氣象、數(shù)據(jù)中繼等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，經(jīng)濟價值非常之高。

GEO衛(wèi)星的軌道運動主要受地球非球形攝動、日月引力攝動、太陽光壓攝動三種主要攝動的影響。在無控情況下，GEO衛(wèi)星會在攝動力作用下逐漸漂出定點窗口，一旦離開定點窗口，GEO衛(wèi)星就會失效成為空間碎片，不僅無法實現(xiàn)自身正常的通信導(dǎo)航等功能，還會危及附近經(jīng)度的其他衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星的位置保持技術(shù)是指在特定的時刻實施一定的軌道機動使衛(wèi)星保持在定點經(jīng)度附近的一類控制方法，該方法能夠有效抑制高軌攝動因素引起的漂移現(xiàn)象，提升GEO衛(wèi)星的在軌運行穩(wěn)定性。

目前GEO衛(wèi)星的位置保持方法，按推進能源的不同分為兩類，一類是基于化學(xué)推進的位置保持，另一類是基于電推進的位置保持。電推進系統(tǒng)最顯著的優(yōu)點是高比沖，即等量燃料產(chǎn)生的推力更大，能夠有效節(jié)省燃料，從而減少發(fā)射成本、增加有效載荷的質(zhì)量。因此，本發(fā)明針對的對象是搭載電推進系統(tǒng)的靜止軌道衛(wèi)星。

根據(jù)美國國家航空航天局(NASA)提供的電推力器測試報告，以及由佐治亞理工大學(xué)Saleh教授團隊提供的近15年電推進任務(wù)統(tǒng)計報告，電推進系統(tǒng)在衛(wèi)星在軌服務(wù)期間幾乎無法避免故障情況。推進系統(tǒng)的故障將直接導(dǎo)致航天器部分或完全失效，不僅無法完成既定空間任務(wù)，還會威脅到空間環(huán)境的安全。因此，故障檢測系統(tǒng)是保證衛(wèi)星正常在軌運行的必備環(huán)節(jié)。

故障模式下的位置保持策略包含兩個部分：第一，檢測推力器的故障狀態(tài)，跟蹤推力器輸出推力的變化；第二，關(guān)閉故障推力器，并消除推力器故障引起的軌道漂移。當前文獻僅針對完備模式下的位置保持策略或是僅針對故障狀態(tài)已知的位置保持策略進行了研究。文獻(M.Guelman,Geostationary satellites autonomous closed loop stationkeeping,Acta Astronautica,97,2014,pp.9–15.)研究了以當前時刻軌道信息為輸入的閉環(huán)位置保持策略，但前提是推力器正常工作。文獻(J.Zhang,S.Zhao,Z.Zhou,X.Li,OptimalStation Keeping for XIP Thrusters in Failure Mode under Eclipse Constraints,Journal of Aerospace Engineering,29(6),2016,pp.1-11.)研究了考慮日蝕情況下的最優(yōu)燃料位置保持策略，但假設(shè)推力器故障狀態(tài)已知。目前的位置保持策略沒有考慮推力器故障檢測環(huán)節(jié)，更缺乏一套具有故障檢測和漂移消除兩大功能的故障模式位置保持方案。因此本發(fā)明旨在提出一種靜止軌道電推進衛(wèi)星故障檢測方法及位置保持方法，該方法不僅能精確檢測推力器的故障狀態(tài)，而且在有效識別故障狀態(tài)之后，能夠快速消除由推力器故障引起的軌道漂移，從而實現(xiàn)故障模式下的位置保持。

發(fā)明內(nèi)容