[发明专利]一种地球静止轨道卫星电推力器故障模式推力分配方法

说明书

本发明属于航天器控制领域，涉及一种地球静止轨道卫星电推力器故障模式推力分配方法，首先确定推力分配输入条件，包括点火位置约束、点火速度增量约束以及轨道控制需求；其次对位置保持推力进行分配及优化，建立电推力器指向模型，选择推力器并定义点火参数，优化计算点火参数；最后计算角动量卸载偏转矢量。本发明针对传统确定性求解方式中燃料消耗较大的问题，建立非线性混合约束优化模型，以燃料最优为目标求解各推力器点火弧段时长、点火位置等关键参数，可实现满足工程约束下的燃料最优。

技术领域

本发明涉及一种地球静止轨道卫星电推力器故障模式推力分配方法，属于航天器控制领域。

背景技术

空间电推进技术是提高航天器能源利用效率和轨道控制性能的重要途径，近年来，随着在轨寿命、载荷/平台重量比等指标的提高，国内外高轨卫星呈现出大量采用电推进技术的趋势。作为我国下一代大容量/高性能地球静止轨道(简称GEO)通信卫星平台，基于电推进的东方红五号卫星平台(DFH-5平台)、全电推卫星平台(DFH-4SP)均已进入工程研制阶段。

与传统的化学推进方式相比，电推进卫星在控制需求上具有鲜明的特点。第一，轨道控制不同方向耦合、姿态与轨道控制耦合、多种误差源耦合等问题均十分突出；第二，需要卫星平台具有更强的自主导航、自主控制甚至一定程度的自主任务规划能力；第三，电推进控制能力有限，同时还需要满足推力器布局、推力器矢量调节范围、能源管理、飞行测控条件、星上计算能力等约束，在策略设计上方面需要进行综合优化。而在出现推力器故障的情况下，设计约束多、待控变量多、控制模型非线性等难题将更加突出，同时需要考虑节省燃料和减少开机次数，因此在策略设计中不但需要满足轨道控制及角动量卸载任务要求，还需要通过专门的技术措施以尽量提升策略的应用性能。由此可见，电推进卫星推力器故障条件下的位保及角动量卸载控制技术已成为一项重要的关键技术。

研究表明，对于DFH-5及DFH-4SP采用的四推力器锥形布局方式，在一台或处于对角线上的两台推力器同时发生故障时，可以通过调整控制策略来满足卫星控制要求。对此国内外提出了几种代表性的方法。其中，波音BSS-702平台的策略采用了增加点火位置的设计思路，按照轨控需求计算点火位置及点火时长，具有物理意义明确、适于工程实施的特点。但就其介绍来看，主要存在点火位置不确定、轨控约束考虑不充分以及燃料消耗较大的问题。而其他策略侧重于建立整体的轨道控制模型，然后使用数值优化方法求解控制参数，这类方法通常以燃料消耗最少为优化目标，将控制分配问题转换为非线性混合约束优化问题，然后采用序列二次规划等方法来求解，主要存在算法复杂、计算量大的问题，并且对优化无解的情况未提出有效的解决措施。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种地球静止轨道卫星电推力器故障模式推力分配方法，满足控制性能指标和燃料消耗、能源限制等工程约束。

本发明的技术方案是：一种地球静止轨道卫星电推力器故障模式推力分配方法，步骤如下：

1)确定推力分配输入条件

11)点火位置约束

根据轨道光照条件、星上能源条件、电推力器工作条件，确定点火赤经容许范围Lava；

12)点火速度增量约束

根据推力器开机时长的限制、星上能源供应的限制，确定每个轨道周期的点火总速度增量上限ΔVmax；

13)轨道控制需求

根据外部输入，确定本控制周期内的轨道控制需求，包括：