[發(fā)明專利]深空探測器推力矢量實時修正方法和系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011418888.2
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112520070B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 信思博;張偉;朱新波;李綠萍;方寶東;王田野
• 申請（專利權(quán)）人: 上海衛(wèi)星工程研究所
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 代理公司: 上海段和段律師事務(wù)所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

本發(fā)明提供了一種深空探測器推力矢量實時修正方法和系統(tǒng)，包括：步驟1：通過加速度計實時測量探測器速度增量，并計算其在本體系下的速度增量；步驟2：計算本體系下的速度增量與目標(biāo)速度增量的夾角；步驟3：判斷夾角是否大于預(yù)設(shè)修正門限，若大于，則計算修正姿態(tài)四元數(shù)，否則保持修正姿態(tài)四元數(shù)為上一拍值；步驟4：實時計算修正后的目標(biāo)姿態(tài)，并引入姿態(tài)閉環(huán)控制，實現(xiàn)因推力矢量偏差引起的速度方向誤差的修正。本發(fā)明可用于深空探測器的變軌點火階段的推力矢量自主修正，提高軌控時的速度增量控制精度，減少燃料消耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及姿態(tài)動力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種深空探測器推力矢量實時修正方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

深空探測器為了實現(xiàn)脫離地球引力、進入巡航軌道或進入星地間轉(zhuǎn)移軌道以及再入行星、繞飛行星等目標(biāo)，需多次變軌以滿足節(jié)約燃料、修正入軌精度等要求。同時，在再入大氣、行星捕獲等關(guān)鍵變軌環(huán)節(jié)中，通常僅有一次變軌機會，且需要較高的軌控精度以保障后續(xù)任務(wù)。在行星捕獲階段，探測器需點火減速，點火方向的偏差極有可能導(dǎo)致探測器無法形成環(huán)繞軌道，更嚴(yán)重則撞入行星任務(wù)失敗。在再入階段點火方向的偏差則會導(dǎo)致落點偏離預(yù)定位置，甚至無法進入大氣。因此軌控階段的控制精度是影響任務(wù)成敗的重要環(huán)節(jié)。

影響軌控方向精度的主要因素來自推力器的偏差。通常推力器地面安裝誤差在0.2°左右，另外受深空復(fù)雜外熱流環(huán)境影響，在軌飛行過程中推力器還會發(fā)生結(jié)構(gòu)熱變形，推力矢量的偏差情況更加惡劣。

專利文獻(xiàn)CN106094529A(申請?zhí)枺?01610559700.3)公開了一種編隊任務(wù)多脈沖控制條件下的推力器在軌自主標(biāo)定方法，使用地面測定軌的方式，測出每次變軌軌控偏差，并用偏差量修正下一次變軌。多次迭代逐步實現(xiàn)高精度的軌道控制。該方法適用多頻次、小推力的變軌修正，對于僅有一次機會的變軌則無法使用。

專利文獻(xiàn)CN104090493A(申請?zhí)枺篊N201410344592.9)公開了一種基于加速度計的偏無拖曳衛(wèi)星的干擾補償控制方法，使用加速度計測量值補償在軌衛(wèi)星受到的干擾力和力矩，以保證衛(wèi)星軌道的穩(wěn)定，該方法多用于為科學(xué)儀器提供無干擾的空間試驗平臺，無法應(yīng)用于高精度變軌過程。

唐歌實、陳莉丹、劉勇在“嫦娥一號衛(wèi)星軌控標(biāo)定方法與實現(xiàn)”(見《中國空間科學(xué)與技術(shù)》，2009年12月，第6期，頁碼1-6)中，提出了利用軌控前和軌控后的軌道數(shù)據(jù)，以及軌控過程中星敏姿態(tài)、加速度遙測對沉底發(fā)動機、主發(fā)動機、加速度計刻度系數(shù)進行標(biāo)定，并將標(biāo)定結(jié)果引入后續(xù)軌控任務(wù)，大大提高了控制精度。但該方法仍舊無法應(yīng)用在僅一次變軌機會的場合，此外，若標(biāo)定參數(shù)因空間外熱流等因素發(fā)生變化，該方法將失效。

陳莉丹、李革非、謝劍鋒等在“軌控標(biāo)定方法研究及在交會對接中的應(yīng)用”(見《載人航天》，2014年1月，第1期，頁碼16-20)中，采用了以軌道要素的控制結(jié)果作為標(biāo)定依據(jù)，將光壓、氣動阻力等干擾力矩作為推力矢量偏差的一部分，以當(dāng)圈標(biāo)定結(jié)果作為下一次軌控的輸入依據(jù)。該方法僅能適應(yīng)具有高精度測定軌條件的航天器的軌道控制，無法應(yīng)用在深空探測領(lǐng)域。

本發(fā)明提出的深空探測器推力矢量實時修正方法，采用加速度計實時測量軌控時速度增量與目標(biāo)值的偏差，并實時修正軌控姿態(tài)，實現(xiàn)高精度的軌道控制。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種深空探測器推力矢量實時修正方法和系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的深空探測器推力矢量實時修正方法，包括：

步驟1：通過加速度計實時測量探測器速度增量，并計算其在本體系下的速度增量；

步驟2：計算本體系下的速度增量與目標(biāo)速度增量的夾角；

步驟3：判斷夾角是否大于預(yù)設(shè)修正門限，若大于，則計算修正姿態(tài)四元數(shù)，否則保持修正姿態(tài)四元數(shù)為上一拍值；