[发明专利]一种基于配置矩阵的推力器配置方法

说明书

一种基于配置矩阵的推力器配置方法，包括(1)根据冗余度要求，确定推力器个数；(2)根据控制精度要求，确定推力器额定推力器；(3)构造满足力与力矩正交条件的六自由度推力器配置矩阵；(4)根据额定推力和推力器配置矩阵计算每台发动机的安装位置和安装倾角；(5)根据推力器个数、额定推力和安装信息，为航天器配置推力器，用于航天器的位置控制和姿态控制。该方法通过配置矩阵确定推力器安装指向，通过斜装充分利用每台推力器产生的推力和力矩，从而能大幅减少推力器的配置个数，提高推力器使用效率，节省燃料消耗。

技术领域

本发明涉及一种基于配置矩阵的推力器配置方法，适用于交会对接等需要同时进行相对位置和相对姿态控制的任务的推力器配置，属于航天器姿态轨道控制系统方案设计领域。

背景技术

交会对接等复杂任务精确控制的实现，需要以推力器为执行机构的控制系统。一般推力器相对航天器是固定安装的，所以单个推力器产生的力和力矩在本体系中的方向是固定的。航天器通过多个推力器作用的组合来实现任意的合控制力和合力矩。如何根据任务需求选择推力器的类型和数量，如何安排各推力器的位置布局并设计它们的安装倾角，这就是推力器的配置问题。

航天器推力器配置直接影响控制作用的实现和推进剂消耗量，因此其设计的好坏对整个控制系统的性能有很重要的影响。特别是对于诸如交会对接这类要求控制精度极高的复杂航天任务来说，地位尤为重要。

一直以来，航天器推力器的配置设计问题主要依靠设计师的经验，通过不断迭代调整最终确定出可行的配置。因此，最直接能想到的，也是现在工程中广泛采用的推力器配置布局，是沿主轴正交、对称和过质心的推力器配置方式，即在各控制量方向上分别安装一定数量的推力器。这种配置方法能满足传统卫星位置控制与姿态控制分别进行的任务需求，但对交会对接等需要同时进行相对位置和相对姿态控制的复杂航天任务来说，却存在如下问题：推力器的使用效率比较低，不经济；为保证系统冗余度，会造成推力器数量过多；对推力器的安装提出了较高的要求，而利用工程手段保证绝对的对称和过质心很困难。而位置和姿态同时控制并复用推力器的综合配置设计却是一个复杂的问题，尤其是考虑到某些关于推力器的实际工程约束，如控制力矩和控制力的正交性，力和力臂的幅值有限，安装位置和倾角要考虑避免羽流污染等情况。所以目前，从已公开发表的文献看，这方面的研究还非常欠缺，仅有一些初步的探讨。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供了一种能提高推力器使用效率，减少推力器配置个数的姿轨控推力器配置方法，包括推力器个数的确定，推力器额定推力的选择，推力器的安装布局设计方法等。

本发明的技术解决方案是：航天器本体系定义为：原点o为航天器的质心，ox轴沿航天器纵轴指向飞行方向，oy轴沿航天器的横向，垂直于纵轴，指向轨道角速度反方向，oz轴与ox、oy轴构成右手系。

航天器的轨道和姿态控制任务有六个自由度，分别为沿ox、oy和oz三轴方向的位置控制和以ox、oy、oz为轴的滚动、俯仰、偏航三个方向上的姿态控制。

一种基于配置矩阵的推力器配置方法，步骤如下：

(1)根据期望的推进系统的冗余度，确定航天器控制任务所需最少推力器个数；

(2)根据控制精度要求，确定推力器的额定推力；

(3)根据步骤(1)的推力器个数，构造满足力与力矩正交条件的六自由度推力器配置矩阵；

(4)用步骤(2)的推力器额定推力和步骤(3)的推力器配置矩阵，计算得到每台推力器的安装位置与安装倾角；

(5)根据步骤(1)～(4)得到的推力器个数、额定推力、每台推力器的安装位置及安装倾角，为航天器装配推力器，用于航天器的位置控制和姿态控制。

所述步骤(1)根据期望的推进系统的冗余度，确定航天器控制任务所需最少推力器个数的具体步骤如下：