本发明涉及一种基于地面流量测试数据确定在轨电推进流量方法及系统，属于气体流量测试技术领域。
背景技术：
随着航天技术的发展，航天器的构型日益复杂，电推进技术应用需求将会越来越多。电推进是一种新型航天动力系统，具有高比冲的突出优势，是现阶段国际上先进航天器的标志性技术之一。在国内，开发中的东方红三号b(dfh-3b)、东方红四号增强型(dfh-4e)、东方红五号(dfh-5)等公用平台，以及我军研究中的抗强干扰通信卫星、第二代电子侦察卫星等重要装备型号均需要使用电推进才能实现承载需求。电推进应用是一把双刃剑，优势显著，但技术复杂、应用风险高。“galaxy4r卫星、pas6b卫星、galaxy8i卫星、galaxy10r卫星先后由于离子电推进失效导致整星失效”。
(1)在轨流量确定通常只能通过气体状态方程的计算氙气瓶内的氙气变化量，再除以总的工作时间而得到。由于电推进单次工作氙气消耗量小，通过气体状态方程计算适用氙气多次大量消耗的情况，无法确定单次小量氙气量变化；(2)尽管流量控制方法通常基于对压力和温度的控制，但地面流量标定中无法全覆盖所有实际在轨压力、温度，同时在轨也无法确保压力、温度正好控制在试验的压力、温度点上，因此无法直接由地面测试数据获得在轨流量数据；(3)通过增加星上设备诸如流量计等获得流量数据的方法，会造成星上重量、供电、遥测等负担，影响整星的设计。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题为：克服电推进分系统在整星状态下的流量评估难题，，提供一种基于地面流量测试数据确定在轨电推进流量方法，利用现有整星遥测参数，有效的对整星真空环境或在轨空间环境下电推进微流量进行确定，(1)有效解决整星真空环境下以及在轨的微流量确定方法，具有较强的工程应用价值；(2)合理利用了地面测试数据，保障了工程评估的有效性；(3)充分利用了现有星上遥测参数，有效实现了微流量确定。
本发明解决的技术方案为：一种基于地面流量测试数据确定在轨电推进流量方法，步骤如下：
(1)通过地面流量标定系统的测试，得到地面流量标定系统的输出流量
(2)根据步骤(1)的测试结果，统计并拟合出地面流量标定系统的气体压力p1、温度t1和流量
(3)对整星在轨空间环境下，根据星上供气系统的遥测参数，包括压力p2和温度t2，通过步骤(2)拟合出的压力p1、温度t1和流量
方法流程示意可参见图1。
地面流量标定系统，包括：第一氙气瓶、减压装置、第一压力传感器、第一流量控制模块、流量计、真空装置；地面流量标定系统组成示意参加图2
用地面流量标定系统模拟给星上电推力器供气的电推进贮供子系统，第一氙气瓶通过减压装置输出设定压力的氙气，流经流量计后，输送至第一流量控制模块，压力传感器能够显示进入第一流量控制模块的气体压力p；第一流量控制模块通过控制自身温度t改变流通通道大小从而控制输出的氙气流量
星上电推进贮供子系统，包括：第二氙气瓶、压力调节模块、第二流量控制模块；压力调节模块内设有第二压力传感器；其组成示意如图3所示。通常由于为了保证地面和在轨的数据一致性，第一流量控制模块和第二流量控制模块为同一产品，完成地面试验后再装星使用。
压力调节模块能够调节第二氙气瓶输出的氙气压力(调至低压)，通过星上遥测可以获得压力调节模块调节自带的第二压力传感器输出的压力值p2；该压力值大小的氙气输送至第二流量控制模块，第二流量控制模块参考地面流量标定系统中标定结果，通过温度控制以实现第二流量控制模块输出的气体流量，得到温度t2与压力p2的遥测数值；根据温度t2与压力p2的遥测数值，利用地面流量标定系统得到的气体压力p、温度t和流量
步骤(1)通过地面流量标定系统的测试，得到地面流量标定系统的输出流量
(1.1)用第一氙气瓶模拟给电推力器供气的电推进贮供子系统，第一氙气瓶通过减压装置输出设定压力的氙气输送至第一流量控制模块，第一压力传感器能够显示进入第一流量控制模块的气体压力p；
(1.2)减压后的氙气，经过流量计后进入第一流量控制模块通过控制自身温度t从而控制输出的氙气流量
步骤(2)根据步骤(1)的测试结果，统计并拟合出地面流量标定系统的气体压力p、温度t和流量
(2.1)由流量计输出至真空装置，真空装置中的气体被抽出，从而获得一组气体压力p、温度t和流量
(2.2)扩展流量标定试验，即将压力p固定，以固定间隔δt调整温度t，得到多组气体压力p、温度t和流量
(2.3)以固定间隔δp调整压力p后，重复进行步骤(2.2)，得到一个气体压力p、温度t和流量
(2.4)用matlab将步骤(2.3)的流量
步骤(3)对整星在轨空间环境下，根据星上供气系统的遥测参数，包括压力p2和温度t2，结合步骤(2)拟合出的压力p1、温度t1和流量
(3.1)第二氙气瓶充压压力0.5～15mpa，压力调节模块调节第二氙气瓶输出的氙气压力至与p1值接近的低压，通过遥测获得压力调节模块调节第二氙气瓶输出的压力值p2，送至第二流量控制模块；
(3.2)第二流量控制模块根据步骤(2)地面流量标定所获得的温度t1，通过控制第二流量控制模块温度t2，使其接近温度t1，以实现控制第二流量控制模块输出的气体流量；而电推进点火期间，星上实际遥测得到压力p2和温度t2，其遥测参数曲线如图5、图6所示，压力p2和温度t2均随时间变化的，实际流量确定过程，可将点火期间内的压力p2和温度t2求平均再进行流量确定作为优选方案。
(3.3)根据压力p2和温度t2的遥测数值，利用地面流量标定系统得到的气体压力p、温度t和流量
一种基于地面流量测试数据确定在轨电推进流量的系统，包括：输出确定模块、统计和拟合模块、实际输出流量确定模块；
输出确定模块，通过地面流量标定系统的测试，确定地面流量标定系统的输出流量
统计和拟合模块，根据步骤(1)的测试结果，统计并拟合出地面流量标定系统的气体压力p1、温度t1和流量
实际输出流量确定模块，对整星在轨空间环境下，根据星上供气系统的遥测参数，包括压力p2和温度t2，通过步骤(2)拟合出的压力p1、温度t1和流量
地面流量标定系统，包括：第一氙气瓶、减压装置、第一压力传感器、第一流量控制模块、流量计、真空装置；
用地面流量标定系统模拟给星上电推力器供气的电推进贮供子系统，第一氙气瓶通过减压装置输出设定压力的氙气，流经流量计后，输送至第一流量控制模块，压力传感器能够显示第一氙气瓶输出的气体压力p；第一流量控制模块通过控制自身温度t改变流通通道大小从而控制输出的氙气流量
星上电推进贮供子系统，包括：第二氙气瓶、压力调节模块、第二流量控制模块；压力调节模块内设有第二压力传感器；
压力调节模块能够调节第二氙气瓶输出的氙气压力(调至低压)，通过星上遥测可以获得压力调节模块调节自带的第二压力传感器输出的压力值p2；该压力值大小的氙气输送至第二流量控制模块，第二流量控制模块参考地面流量标定系统中标定结果，通过温度控制以实现第二流量控制模块输出的气体流量，得到温度t2与压力p2的遥测数值；根据温度t2与压力p2的遥测数值，利用地面流量标定系统得到的气体压力p、温度t和流量
确定模块中通过地面流量标定系统的测试，得到地面流量标定系统的输出流量
先用第一氙气瓶模拟给电推力器供气的电推进贮供子系统，第一氙气瓶通过减压装置输出设定压力的氙气输送至第一流量控制模块，第一压力传感器能够显示氙气瓶输出的气体压力p；由减压装置减压后的氙气，经过流量计后进入第一流量控制模块通过控制自身的温度t从而控制输出的氙气流量
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明为确定整星真空环境测试或在轨空间环境下电推进微流量评估提供了方法，其研究成果可以应用于高轨通信卫星的电推进系统应用，为电推进设计及应用提供支持，作为在轨流量确定和比冲评估等提供解决途径。
(2)本发明提出了地面扩展流量标定方案，合理设计压力、温度、流量标定点，有效覆盖星上在轨正常情况下所涉及的压力、温度控制范围，使在轨流量确定有可靠的地面数据支撑，明显优于仅标称工作点流量标定方案，可在压力、温度控制偏差情况下，仍能有效结合地面测试数据确定在轨流量。
(3)本发明综合考虑了地面数据的有效性和星上压力、温度控制实际情况，对地面流量标定及扩展流量标定的数据，提出了数据拟合处理方案，有效获得了压力、温度与流量的函数关系，在有效进行在轨流量确定的前提下，减小了试验所需工作量。
(4)本发明针对在轨压力、温度变化情况，提出了电推进点火工作期间平均化处理结合地面数据拟合的函数关系，确定在轨电推进点火工作期间流量确定方案，在不增加星上资源的情况下，合理利用星上遥测数据，简化了在轨遥测变化处理过程，有效结合地面试验数据及拟合结果，提供了简便易行的在轨流量确定方法。
(5)本发明综合考虑了地面、在轨的空间环境和工作条件，通过地面模拟在轨状态及设备组成，通过地面试验方案的设计将多变量影响简化为单变量影响获得压力、温度和流量关系，并充分考虑星地差异，将试验和在轨应用紧密联系，实现了
附图说明
图1为基于地面流量测试数据评估在轨电推进流量方法实施流程图。
图2为地面流量标定系统组成示意图。
图3为星上电推进贮供子系统组成示意图。
图4为压力、温度、流量数据拟合函数关系三维示意图。
图5为电推进点火期间压力遥测曲线图。
图6为电推进点火期间温度遥测曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
电推进作为新型的推力方式，已逐渐成为卫星主流推进方式。星上电推进工作需要为电推力器提供供气和供电条件，而供气实现主要由星上贮供子系统完成。星上贮供子系统包含包括：第二氙气瓶、压力调节模块、第二流量控制模块。第二氙气瓶主要为星上贮存氙气装置，压力调节模块是将氙气瓶内的高压氙气进行压力调节至低压，第二流量控制模块则是通过自身温度控制从而实现流经氙气的流量控制。
本发明一种基于地面流量测试数据确定在轨电推进流量的系统，包括：输出确定模块、统计和拟合模块、实际输出流量确定模块；
输出确定模块，通过地面流量标定系统的测试，确定地面流量标定系统的输出流量
统计和拟合模块，根据步骤(1)的测试结果，统计并拟合出地面流量标定系统的气体压力p1、温度t1和流量
实际输出流量确定模块，对整星在轨空间环境下，根据星上供气系统的遥测参数，包括压力p2和温度t2，通过步骤(2)拟合出的压力p1、温度t1和流量
地面流量标定系统，包括：第一氙气瓶、减压装置、第一压力传感器、第一流量控制模块、流量计、真空装置；
用地面流量标定系统模拟给星上电推力器供气的电推进贮供子系统，第一氙气瓶通过减压装置输出设定压力的氙气，流经流量计后，输送至第一流量控制模块，压力传感器能够显示第一氙气瓶输出的气体压力p；第一流量控制模块通过控制自身温度t改变流通通道大小从而控制输出的氙气流量
星上电推进贮供子系统，包括：第二氙气瓶、压力调节模块、第二流量控制模块；压力调节模块内设有第二压力传感器；
压力调节模块能够调节第二氙气瓶输出的氙气压力(调至低压)，通过星上遥测可以获得压力调节模块调节自带的第二压力传感器输出的压力值p2；该压力值大小的氙气输送至第二流量控制模块，第二流量控制模块参考地面流量标定系统中标定结果，通过温度控制以实现第二流量控制模块输出的气体流量，得到温度t2与压力p2的遥测数值；根据温度t2与压力p2的遥测数值，利用地面流量标定系统得到的气体压力p、温度t和流量
确定模块中通过地面流量标定系统的测试，得到地面流量标定系统的输出流量
先用第一氙气瓶模拟给电推力器供气的电推进贮供子系统，第一氙气瓶通过减压装置输出设定压力的氙气输送至第一流量控制模块，第一压力传感器能够显示氙气瓶输出的气体压力p；由减压装置减压后的氙气，经过流量计后进入第一流量控制模块通过控制自身的温度t从而控制输出的氙气流量
一种基于地面流量测试数据确定在轨电推进流量方法，步骤如下：
(1)通过地面流量标定系统的测试，得到地面流量标定系统的输出流量
(2)根据步骤(1)的测试结果，统计并拟合出地面流量标定系统的气体压力p1、温度t1和流量
(3)对整星在轨空间环境下，根据星上供气系统的遥测参数，包括压力p2和温度t2，通过步骤(2)拟合出的压力p1、温度t1和流量
一种基于地面流量标定系统，包括：第一氙气瓶、减压装置、第一压力传感器、第一流量控制模块、流量计、真空装置；地面流量标定系统组成示意参加图2
用地面流量标定系统模拟给星上电推力器供气的电推进贮供子系统，第一氙气瓶通过减压装置输出设定压力的氙气，流经流量计后，输送至第一流量控制模块，压力传感器能够显示进入第一流量控制模块的气体压力p；第一流量控制模块通过控制自身温度t改变流通通道大小从而控制输出的氙气流量
星上电推进贮供子系统，包括：第二氙气瓶、压力调节模块、第二流量控制模块；压力调节模块内设有第二压力传感器；其组成示意如图3所示。通常由于为了保证地面和在轨的数据一致性，第一流量控制模块和第二流量控制模块为同一产品，完成地面试验后再装星使用。
压力调节模块能够调节第二氙气瓶输出的氙气压力(调至低压)，通过星上遥测可以获得压力调节模块调节自带的第二压力传感器输出的压力值p2；该压力值大小的氙气输送至第二流量控制模块，第二流量控制模块参考地面流量标定系统中标定结果，通过温度控制以实现第二流量控制模块输出的气体流量，得到温度t2与压力p2的遥测数值；根据温度t2与压力p2的遥测数值，利用地面流量标定系统得到的气体压力p、温度t和流量
步骤(1)通过地面流量标定系统的测试，得到地面流量标定系统的输出流量
(1.1)用第一氙气瓶模拟给电推力器供气的电推进贮供子系统，第一氙气瓶通过减压装置输出设定压力的氙气输送至第一流量控制模块，第一压力传感器能够显示进入第一流量控制模块的气体压力p；
(1.2)减压后的氙气，经过流量计后进入第一流量控制模块通过控制自身温度t从而控制输出的氙气流量
步骤(2)根据步骤(1)的测试结果，统计并拟合出地面流量标定系统的气体压力p、温度t和流量
(2.1)由流量计输出至真空装置，真空装置中的气体被抽出，从而获得一组气体压力p、温度t和流量
(2.2)扩展流量标定试验，即将压力p固定，以固定间隔δt调整温度t，得到多组气体压力p、温度t和流量
(2.3)以固定间隔δp调整压力p后，重复进行步骤(2.2)，得到一个气体压力p、温度t和流量
表1扩展流量标定试验矩阵示例
(2.4)用matlab将步骤(2.3)的流量
步骤(3)对整星在轨空间环境下，根据星上供气系统的遥测参数，包括压力p2和温度t2，结合步骤(2)拟合出的压力p1、温度t1和流量
(3.1)第二氙气瓶充压压力0.5～15mpa，压力调节模块调节第二氙气瓶输出的氙气压力至与p1值接近的低压，通过遥测获得压力调节模块调节第二氙气瓶输出的压力值p2，送至第二流量控制模块；
(3.2)第二流量控制模块根据步骤(2)地面流量标定所获得的温度t1，通过控制第二流量控制模块温度t2，使其接近温度t1，以实现控制第二流量控制模块输出的气体流量；而电推进点火期间，星上实际遥测得到压力p2和温度t2，其遥测参数曲线如图5、图6所示，压力p2和温度t2均随时间变化的，实际流量确定过程，可将点火期间内的压力p2和温度t2求平均再进行流量确定作为优选方案。
(3.3)根据压力p2和温度t2的遥测数值，利用地面流量标定系统得到的气体压力p、温度t和流量
方法流程示意可参见图1，本发明提出了一种基于地面流量测试数据确定在轨电推进流量方法，步骤如下：
(1)通过地面流量标定系统的测试，得到地面流量标定系统的输出流量
地面流量标定系统，包括：第一氙气瓶、减压装置、第一压力传感器、第一流量控制模块、流量计、真空装置；地面流量标定系统组成示意参见图2。第一氙气瓶氙气贮存量需要满足流量标定及扩展流量标定试验所需氙气质量需求。
用地面流量标定系统模拟给星上电推力器供气的电推进贮供子系统，第一氙气瓶通过减压装置输出设定压力的氙气，流经流量计后，输送至第一流量控制模块，压力传感器能够显示第一氙气瓶输出的气体压力p；第一流量控制模块通过控制自身温度t改变流通通道大小从而控制输出的氙气流量
而地面流量标定中存在一个流量额定点，即电推力器要求的供气大小的中心值，如表2中0.23mpa、65℃对应的11.15mg/s的流量。
本发明结合在轨压力、温度控制情况以及数据处理需求，提出基于流量额定点的扩展流量标定方法。
(1.1)将压力p固定，以固定间隔δt(表2中选取δt＝10℃)调整温度t，得到多组气体压力p、温度t和流量
(1.2)以固定间隔δp(表2中选取δp＝0.01mpa)调整压力p后，重复进行步骤(1.1)，得到一个气体压力p、温度t和流量
整个扩展流量标定区间，压力基于额定点为中心扩展±10％，温度基于额定点为中心扩展±20℃。
表2扩展流量标定举例(流量单位mg/s)
(2)根据步骤(1)的测试结果，统计并拟合出地面流量标定系统的气体压力、温度和流量的函数关系；用matlab将步骤(2.3)的流量
(3)对整星在轨空间环境下，根据星上供气系统的遥测参数，包括压力p2和温度t2，通过步骤(2)拟合出的压力p1、温度t1和流量
星上在轨工作过程如下，电推力器点火工作期间，压力调节模块能够调节第二氙气瓶输出的氙气压力(调至低压)，通过星上遥测可以获得压力调节模块调节自带的第二压力传感器输出的压力值p2；该压力值大小的氙气输送至第二流量控制模块，第二流量控制模块参考地面流量标定系统中标定结果，通过温度控制以实现第二流量控制模块输出的气体流量，得到温度t2与压力p2的遥测数值；根据温度t2与压力p2的遥测数值，利用地面流量标定系统得到的气体压力p、温度t和流量
第二氙气瓶充压压力0.5～15mpa，压力调节模块调节第二氙气瓶输出的氙气压力至与p1值接近的低压，通过遥测获得压力调节模块调节第二氙气瓶输出的压力值p2，送至第二流量控制模块；
第二流量控制模块根据步骤(2)地面流量标定所获得的温度t1，通过控制第二流量控制模块温度t2，使其接近温度t1，以实现控制第二流量控制模块输出的气体流量；而电推进点火期间，星上实际遥测得到压力p2和温度t2，其遥测参数曲线如图5、图6所示，压力p2和温度t2均随时间变化的，实际流量确定过程，可将点火期间内的压力p2和温度t2求平均再进行流量确定作为优选方案。图5为某次点火期间压力随时间变化曲线图，图6为某次点火期间温度随时间变化曲线图，图5和图6中的横坐标时间均为从某月26日16点39分至某月26日18点44分，
根据压力p2和温度t2的遥测数值，利用地面流量标定系统得到的气体压力p、温度t和流量
整个方法流程示意可参见图1。
工程实际应用过程中，第一压力传感器精度优于0.001mpa，流量计精度优于0.001mg/s，温度传感器优于0.1℃，第二压力传感器精度优于0.001mpa，本发明的方法通过整星真空环境下的地面点火试验得以检验，实际流量确定精度优于5％。
可以从表2看出，流量与压力相关性较大，每0.01mpa的压力变化带来的流量变化4.45％～5.45％，而每10℃的温度变化带来的流量变化1.39％～1.85％。尽管地面标定存在对流换热，实际在轨真空环境无对流换热，从而导致第一流量控制模块地面温度和第二流量控制模块在轨温度会存在模块内部温度梯度的差异，但仿真分析表明地面和在轨温度梯度差异有限(模块内部外部温差低于10℃)，且测试数据表明温度本身对流量影响相对压力带来的流量影响较小。因此在轨使用温度遥测参数确定流量，相对同样压力温度的地面流量标定结果偏差不超过2％。
本发明创新点在于提出一种基于地面流量校准和测量试验数据统计，拟合出压力、温度与流量的关系，利用星上压力、温度遥测评估整星真空环境下或在轨空间环境的流量测量方法。电推进的供气系统一般是通过压力控制和温度控制来实现微流量的控制，而最终的供气流量与控制后的压力以及温度密切相关。电推进在研制过程中，其流量标定是通过对第一流量控制模块的地面测试实现的。而流量模块标定过程中，是在一定的输入压力情况下，以及对流量控制器的温度控制加以控制，获得流量标定数据。根据地面测试，可以获得压力、温度与流量的相关数据。统计数据，并对压力、温度与流量的关系进行拟合。实际在轨空间环境下，与地面试验情况接近。但整星工作环境下，第二流量控制模块入口压力是在一定范围内受控，并不是与地面试验一致的稳定数值。同样，流量控制器温度也是是在一定范围内受控。通过星上实际工作压力和温度，结合地面拟合关系，可以把压力、温度带来的流量变化量进行计算。从而得到实际在轨流量。
本发明对在轨电推进流量确定带来巨大优势，本发明有效的解决了单次电推进点火流量确定问题；在轨流量确定通常只能通过气体状态方程的计算氙气瓶内的氙气变化量，再除以总的工作时间而得到。由于电推进单次工作氙气消耗量小，通过气体状态方程计算适用氙气多次大量消耗的情况，无法确定单次小量氙气量变化；扩展流量标定的设计提高了流量确定的精度和有效性，有机地把将地面试验和在轨应用结合在一起。流量控制方法通常基于对压力和温度的控制，但地面流量标定中无法全覆盖所有实际在轨压力、温度，同时在轨也无法确保压力、温度正好控制在试验的压力、温度点上，因此无法直接由地面测试数据获得在轨流量数据；有效的利用了星上现有测量设备，避免了通过增加星上设备诸如流量计等获得流量数据的方法可能造成星上重量、供电、遥测等负担和可能带来的对卫星设计影响。