一种姿轨控发动机的耦合方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种姿轨控发动机的耦合方法，特别是发动机配置使得径向位置控制 与俯仰姿态耦合，轨道面外位置控制与偏航姿态耦合的情况，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，属于航天器姿态轨道控制系统方案设计领域。
【背景技术】
[0002] 航天器发动机的使用策略，即发动机的控制指令分配算法，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。
[0003] 针对多执行器高冗余度系统的控制指令分配算法，在飞机、船舶、潜艇等领域内早 有相关研宄，有最小二乘法、伪逆法等。但这些领域中所考虑的执行机构多为双向执行器， 即可以产生正负双向的控制量，而航天器发动机的控制指令分配问题的特殊性就在于，作 为执行机构的发动机的单向性，即一个固定安装的发动机只能产生一个方向的控制量。目 前较为成熟的发动机控制质量分配算法主要有两种：①早期乃至现在仍在普遍使用的传统 指令分配算法实质上是一种查表法。它相当于将原来的多自由度控制分配问题分解为若干 个单自由度问题，逐一进行指令分配。这种方法要求在进行推力器配置设计时，使得各控制 量方向的推力/力矩可由专门的推力器（组）产生，他们之间是一一对应的关系。这样在 进行指令分配时，对于控制器给出的推力/力矩需求，即可使用所谓的"检索表"来查找要 用的推力器（组），并得到每台推力器的工作时间。这种方法有着较快的在线计算速度，但 是推进剂消耗较大且控制精度不搞。②早在1969年，就出现了发动机控制指令分配问题的 线性规划模型，使得该多自由度控制分配问题可以不用降维，直接通过已有的经典算法来 求解。线性规划法的优点在于它能求得指令分配问题的最优解，推进剂消耗小且控制精度 高，另外算法的通用性和鲁棒性均较强。但就目前的工程实际情况来说，这种算法会对CPU 造成较大的负担，尤其是在同时处理多个（大于20个）发动机时，无法满足实时性和在轨 计算量的的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供了一种既能减小推进 剂消耗又适于工程应用的姿轨控耦合发动机使用策略，包括通过发动机矢量夹角与控制指 令夹角的比较进行发动机选择，开机时长的计算以及超界情况下的开机时长处理方法。
[0005] 本发明的技术解决方案是：
[0006] -种姿轨控发动机的耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：首先交会对接涉及三 轴位置、姿态的六自由度控制任务的六维控制指令分配问题分解为最高为二自由度的子问 题，设该二自由度子问题中的两个自由度方向分别为F方向和M方向，其中，F和M方向为六 自由度方向中的两个不同方向，然后将该二自由度控制指令分配子问题按以下步骤处理；
[0007] 设用于该二自由度控制指令分配的η台发动机，编号为1~η ;其中，P为交会对接 任务总的发动机配置台数，且P彡η彡3, P彡12 ;
[0008] 1)计算发动机矢量夹角，具体为：
[0009] 设编号为i，i e {1，... η}，的发动机在F方向和M方向的分量记为TiF和T iM，则 每台发动机与F方向的夹角按下式计算：
[0010] 如果 TiF^： 0 且 T iM彡 0，Θ i= arctan(T iM/TiF)
[0011] 如果 TiF〈0 且 TiM彡 0，Θ i= π+arctan(T iM/TiF)
[0012] 如果 TiF〈0 且 TiM〈0，Θ i= π+arctan(T iM/TiF)
[0013] 如果 TiF彡 0 且 T iM〈0，Θ i= 2 π+arctan(T iM/TiF)
[0014] 从而得到n台发动机与F方向夹角Θ Θ n;
[0015] 2)选择开机发动机
[0016] 若控制器输出的控制量并非力和力矩的形式，而是开机时间的形式，则需将开机 时间按下式化为力或力矩的形式：
[0017]
[0018] 其中，a为控制器设计时设定的该方向上的控制能力标称值，Λ t为控制周期，式 中，等效控制量即为转化后的力和力矩；
[0019] 将力和力矩形式的等效六维控制指令向量u转变为二自由度子问题，即F和M方 向上的控制指令分量分别为％和u M，构成二维指令向量[uF uM]与F方向的夹角按下式计 算：
[0020] 如果 uF彡 0 且 uM彡 0，Θ U= arctan(uM/uF)
[0021] 如果 uF〈0 且 uM彡 0，Θ U= π+arctan(uM/uF)
[0022] 如果 uF〈0 且 uM〈0，Θ u= π+arctan(uM/uF)
[0023] 如果 uF彡 0 且 u Μ〈0，Θ u= 2 π+arctan(u M/uF)
[0024] 将步骤I)中Θ ^ Θ n按从小到大依次排列，并将θ ^ Θ ^ Θ 11逐一进行比较， 如果满足如下两个条件，则开机发动机编号为i和j ;
[0025] 条件 1 : Θ # Θ u〈 θ』α，j e {1，· · · n})
[0026] 条件2 :对于e {1，.』} ,k辛i且k辛j，θ,θ^θ」不成立；
[0027] 3)发动机开机时长计算
[0028] 设步骤2)中选出的开机发动机i和j在F方向和M方向的分量分别记为TiF、T iM和Tff、则发动机i和j的开机时长计算公式如下：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] 其中，<和< 为这两个发动机的开机时长虚拟值；
[0033] 如果计算结果满足< S 1且< < I , i，j e {1，. . . n}，则转步骤5)，否则转步骤4);
[0034] 4)开机时长超界处理
[0035] 对于?,' > [的情况，称为开机时长超界，这种情况下的处理方法如下：
[0036] ②有1台发动机的开机时长大于1
[0037] 优先满足某一方向的控制需求，即如果1 ,则优先满足M或F方向控制需求的 发动机开机时间计算公式如下
[0038] t: =1 ,
[0039] t]={ux -Tjx)ITjx
[0040] 式中：下角标中X为M或F ;优先满足M方向时，式中X为Μ;优先满足F方向时， 式中X为F ;
[0041] 经上述处理后，若仍存在开机时长大于1的发动机，则将其开机时长直接赋值为 1 ；
[0042] ②若2台发动机开机时长皆大于1，则直接将2台发动机赋值为1 ;
[0043] 5)计算发动机i和j的开机时长真实值
[0044] 在一个控制周期内，发动机i和j开机的真实时长由下面的公式给出：
[0045] t, = X At /, =t]xAt I I JJ
[0046] 其中，Λ t为控制周期；其中&为发动机i的开机时长，h为发动机j的开机时 长；
[0047] 6)根据&和t j，对超出控制周期的开机时长限幅，赋值为控制周期，对其它n-2台 发动机的开机时长赋值为0,完成控制指令分配。
[0048] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0049] (1)本发明提出一种姿轨控耦合的发动机使用策略，相比于工程中常用的传统解 耦查表法，控制指令分配问题的求解从单自由度提高到二自由度，能同时考虑轨道和姿态 控制的需求，故能提高发动机使用效率，减少干扰力和力矩的产生，从而达到提高控制精度 和稳定度，并减小推进剂消耗的效果。
[0050] (2)本发明的发动机使用策略，相比于理论分析中常用的规划寻优算法，控制指令 分配问题的求解从六自由度降低到二自由度，省去了在线迭代寻优的过程，计算速度快，符 合目前星载计算机的计算处理水平，是适合工程化的优化算法。
[0051] (3)本发明所提出的发动机使用策略，作为神舟八号、九号、十号飞船交会对接发 动机使用策略的核心算法，已经过在轨飞行验证，大大减小了推进剂消耗并提高了控制精 度。
【附图说明】
[0052] 图1为本发明二自由度发动机使用策略的流程框图；
【具体实施方式】
[0053] 航天器本体系定义为：原点〇为航天器的质心，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轴与〇x、〇y轴构成右手系。
[0054] 交会对接等复杂控制任务，需要同时进行位置、姿态的六自由度控制。这六个自由 度分别为沿ox、〇y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。
[0055] 在发动机配置满足任务控制能力要求的前提下，本发明的姿轨耦合发动机使用策 略是将原六自由度控制分配任务分解为若干最高自由度为二的子任务，然后分别求解控制 指令分配子问题。
[0056] 将交会对接六自由度控制指令分配问题降维变为多个单自由度和二自由度子问 题。单自由度子问题按传统查表法求解，对可能同时涉及轨道和姿态控制的二自由度子问 题，首先通过计算各发动机推力矢量与轴向的夹角来划分区域，然后根据控制器给出的二 自由度控制量的与轴向的夹角判断该控制量所属区域，从而选出开机的发动机，然后根据 开机发动机在这两个自由度方向上的分量大小计算它们的开机时长比例，并进行超界情况 的处理，最后根据控制周期得到真实的发动机开机时长。
[0057] 下面对【具体实施方式】进行阐述。
[0058] (1)六自由度问题的降维
[0059] 设航天器配置了 p (p多12)个发动机。根据发动机在各控制方向上的分量的耦合 情况，将原六自由度控制指令分配问题进行分解，分解为若干个二自由度问题和单自由度 问题，并列出每个子问题进行控制指令分配所对应的全部发动机。具体步骤如下：
[0060] 1)列出每台发动机在六个自由度方向上所能产生的力和力矩分量。
[0061] 2)将在某两个方向上分量较为突出，而在其他方向上分量很小的发动机挑出，将 具有两个相同方向分量的发动机分为一组，这两个方向即构成一个二自由度子问题。若不 存在这样的发动机，则该发动机配置不适用于本专利所述发动机使用策略。
[0062] 3)设该二自由度方向分别为F方向和M方向，F方向和M方向即为上述六自由度 方向中两个不同的方向。用于该二自由度控制指令分配的发动机有η个（p多η多3)。将 这η台发动机在F方向和M方向所能产生的力或力矩分量写为如下矩阵形式：
[0063]
[0064] 其中，TiF表示第i台发动机在F方向上的产生的力/力矩分量，T iM表示第i台发 动机在M方向上产生的力/力矩分量，i e {1，... η}。