[發明專利]一種火星探測環繞器分離安全自主推力系統及方法

有效

• 申請號: 202010136362.9
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111319799B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發明（設計）人: 馮建軍;劉斌;吳夢旋;李立斌;朱慶華;蔡雄
• 申請（專利權）人: 上海航天控制技術研究所
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24;B64G1/26;B64G1/40
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 徐曉艷

1.一種火星探測環繞器分離安全自主推力系統，其特征在于包括大推力系統、小推力系統、非推力方向小推力系統；其中：

大推力系統包括4臺大推力器，安裝在垂直于火星探測環繞器本體系X軸的平面上，其中，兩臺沿Z軸相對于Y軸對稱安裝，另外兩臺沿Y軸相對于Z軸對稱安裝，四臺大推力器的推力方向均為火星探測環繞器本體系X軸正方向；

推力方向小推力系統包括4臺小推力器，與大推力系統布局相同，安裝在垂直于火星探測環繞器本體系X軸的平面上，其中，兩臺沿Z軸相對于Y軸對稱安裝，另外兩臺沿Y軸相對于Z軸對稱安裝，四臺小推力器的推力方向均為火星探測環繞器本體系X軸正方向；

非推力方向小推力系統包括2臺小推力器，兩臺小推力器相對于Y軸方向或者Z軸方向對稱安裝，兩臺小推力器的推力方向位于火星探測環繞器本體系YOZ平面上，與火星探測環繞器推力方向垂直；

小推力器最小推力能夠抵消大推力器工作時的干擾力矩；

當推力方向小推力系統出現故障導致姿態失穩時，從第一噴氣模式切換成第二噴氣模式進行姿軌聯合控制，所述第二噴氣模式的具體實現為：

按照推力方向小推力系統中4臺小推力器的布局，根據目標點火姿態和火星探測環繞器實時姿態，采用PID控制或者開關線控制方法，計算得到實現火星探測環繞器本體坐標系Y軸和Z軸姿態控制所需要的每臺小推力器的噴氣脈寬，作為每臺小推力器所在位置的基準噴氣脈寬；

大推力系統根據外部輸入的點火時刻和點火時長，控制每臺大推力器采用滿噴氣脈寬減去與該臺大推力器位于同一坐標軸上坐標原點對側小推力器所在位置的基準噴氣脈寬所得到的噴氣脈寬進行工作，實施姿態和軌道聯合控制；推力方向小推力系統中的小推力器系統噴氣輸出為0，不參與姿態和軌道聯合控制；

非推力方向小推力系統，控制沿火星探測環繞器X軸方向姿態控制，根據火星探測環繞器的實時姿態與目標姿態的偏差，采用PID控制或者開關線控制方法，計算得到小推力器的噴氣脈寬，根據噴氣脈寬控制每臺小推力器進行工作，實施沿火星探測環繞器X軸方向姿態控制；

當大推力系統出現故障導致姿態失穩時，從第一噴氣模式切換成第三噴氣模式進行姿軌聯合控制，所述第三噴氣模式的具體實現為：

按照推力方向小推力系統4臺小推力器的布局，根據目標點火姿態和火星探測環繞器實時姿態，采用PID控制或者開關線控制方法，計算得到實現火星探測環繞器本體坐標系Y軸和Z軸姿態控制所需要的每臺小推力器的噴氣脈寬，作為每臺小推力器所在位置的基準噴氣脈寬；

推力方向小推力系統，則根據外部輸入的點火時刻和點火時長，控制每臺小推力器采用滿噴氣脈寬減去與該臺小推力器位于同一坐標軸上坐標原點對側小推力器所在位置的基準噴氣脈寬所得到的噴氣脈寬進行工作，實施姿態和軌道聯合控制；大推力系統中的大推力器系統噴氣輸出為0，不參與姿態和軌道聯合控制；

非推力方向小推力系統，控制沿火星探測環繞器本體坐標系X軸的姿態，根據火星探測環繞器的實時姿態與目標姿態的偏差，采用PID控制或者開關線控制方法，計算得到小推力器的噴氣脈寬，根據噴氣脈寬控制每臺非推力方向小推力系統中的小推力器進行工作，實施姿態控制。

2.根據權利要求1所述的一種火星探測環繞器分離安全自主推力系統，其特征在于：默認采用第一噴氣模式進行姿軌聯合控制，所述第一噴氣模式的具體實現為：

大推力系統，根據外部輸入的點火時刻和點火時長，控制4臺大推力器同時采用滿噴氣模式進行工作，實施軌道控制；

推力方向小推力系統，用于控制火星探測環繞器本體坐標系Y軸和Z軸方向的姿態，根據目標點火姿態和火星探測環繞器實時姿態，采用PID控制或者開關線控制方法，計算得到每個小推力器的噴氣脈寬，根據噴氣脈寬控制每臺小推力器進行工作，實施姿態控制；

非推力方向小推力系統，用于控制火星探測環繞器本體坐標系X軸方向的姿態，根據火星探測環繞器的實時姿態與目標姿態的偏差，采用PID控制或者開關線控制方法，計算得到小推力器的噴氣脈寬，根據噴氣脈寬控制每臺小推力器進行工作，實施姿態控制。

3.根據權利要求1所述的一種火星探測環繞器分離安全自主推力系統，其特征在于采用加速度計判斷大推力系統是否出現故障，具體判斷方法是：

加速度計數據有效時，連續一定時間內推力方向加速度計數據小于理論加速度的一定比值，則置大推力器故障標志；加速度計數據無效時，不進行軌控推力器故障診斷。