一种控制霍尔电推进系统自生扭矩方向的方法及装置与流程

本申请涉及航天器推进技术领域，尤其涉及一种控制霍尔电推进系统自生扭矩方向的方法及装置。

背景技术：

霍尔推进系统被广泛应用于航天器轨道转移、南北位保、全电推进等任务。霍尔推力器作为霍尔电推进系统的核心单机，其工作推力特性决定了系统的推力输出特性。然而根据其工作原理，霍尔推力器工作时电离产生的离子在加速区空间正交电磁场的作用下，形成速度高达约20000m/s的等离子体射流，同时也会受到磁场作用，产生垂直于离子运动方向的洛伦兹力，使得离子运动轨迹发生偏转，而推力器也会受到方向的反作用力，参见图1。因此，大量离子束流的共同作用下，推力器会受到一个沿其轴线方向的自生扭矩，参见图2，由于自生扭矩的存在会对航天器角动量产生显著累积，对姿态控制产生不利影响。

目前，为了避免霍尔推进系统自生扭矩对航天器姿态的影响，通常采用航天器动量卸载装置吸收，但是，航天器动量卸载装置一般是针对非连续工作霍尔推动器产生的扭矩较小的情况。而在全电推进应用背景下，长时间连续工作的霍尔推力器其扭矩使得航天器角动量累积加快，增大姿轨控系统的负担，通过航天器动量卸载装置需要消耗额外消耗更多的动量卸载用推进剂来吸收，不仅增加了航天器动量卸载装置的负担，还可能会改变推力器的其他推力特性参数，降低了霍尔推力器的性能。

技术实现要素：

本申请解决的技术问题是：针对现有技术中霍尔推力器性能较差的问题，本申请提供了一种控制霍尔电推进系统自生扭矩方向的方法及装置，本申请实施例所提供的方案中，通过建立霍尔推力器励磁电流与扭矩之间的第三映射关系，并通过第三映射关系调用励磁电流实现控制霍尔推力器自生扭矩的方向，不仅实现对自生扭矩的抵消，降低该扭矩累积对航天器姿控干扰以及减轻了航天器动量卸载装置的负担，还避免在自生扭矩抵消过程中改变推力器的其他推力特性参数，进而提高了霍尔推力器的性能。

第一方面，本申请实施例提供一种控制霍尔电推进系统自生扭矩方向的方法，该方法包括：

构建霍尔推力器的磁场方向与扭矩方向的第一映射关系以及励磁电流方向与所述磁场方向的第二映射关系，其中，所述霍尔推力器包括多路励磁线圈；

根据所述每路励磁线圈预设的额定励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第一磁场分布参数，以及采用与所述额定励磁电流大小相同，方向相反的第一励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第二磁场分布参数；

确定在至少一个预设的测试点上所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数之和的第一绝对值，并判断每个所述测试点对应的所述第一绝对值是否均不大于预设阈值；

若不大于，则确定所述第一励磁电流为反向扭矩对应的额定励磁电流，根据所述第一映射关系以及所述第二映射关系建立所述额定励磁电流和所述第一励磁电流与所述扭矩之间的第三映射关系，并根据所述第三映射关系调用励磁电流，实现对扭矩方向的控制。

本申请实施例所提供的方案中，通过构建霍尔推力器的磁场方向与扭矩方向的第一映射关系以及励磁电流方向与所述磁场方向的第二映射关系，然后根据所述每路励磁线圈预设的额定励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第一磁场分布参数，以及采用与所述额定励磁电流大小相同，方向相反的第一励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第二磁场分布参数，再确定在至少一个预设的测试点上所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数之和，并判断每个所述测试点对应的所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数之和的最大绝对值是否不大于预设阈值，若不大于，则确定所述第一励磁电流为反向扭矩对应的额定励磁电流，根据所述第一映射关系以及所述第二映射关系建立所述额定励磁电流和所述第一励磁电流与所述扭矩之间的第三映射关系，最后若霍尔推力器工作时，根据所述第三映射关系调用励磁电流，实现对扭矩方向的控制。因此，本申请实施例所提供的方案中，通过建立霍尔推力器励磁电流与扭矩之间的第三映射关系，并通过第三映射关系调用励磁电流实现控制霍尔推力器自生扭矩的方向，不仅实现对自生扭矩的抵消，降低该扭矩累积对航天器姿控干扰以及减轻了航天器动量卸载装置的负担，还避免在自生扭矩抵消过程中改变推力器的其他推力特性参数，进而提高了霍尔推力器的性能。

可选地，所述方法，还包括：

若大于所述预设阈值，则调整所述第一励磁电流的大小，并再次测量得到第三磁场分布参数，确定在所述至少一个测试点上所述第一磁场分布参数以及所述第三磁场分布参数之和第二绝对值，直到每个所述测试点对应的所述第二绝对值均不大于所述预设阈值为止。

可选地，所述第一励磁电流包括多组励磁电流；

调整所述第一励磁电流的大小，包括：等比例放大或缩小所述多路励磁线圈对应的励磁电流。

可选地，等比例放大或缩小所述多路励磁线圈对应的励磁电流，包括：

根据所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数确定放大或缩小参数；

根据所述放大或缩小参数对所述多路励磁线圈对应的励磁电流进行等比放大或缩小。

第二方面，本申请实施例提供了一种控制霍尔电推进系统自生扭矩方向的装置，该装置包括：

构建单元，用于构建霍尔推力器的磁场方向与扭矩方向的第一映射关系以及励磁电流方向与所述磁场方向的第二映射关系，其中，所述霍尔推力器包括多路励磁线圈；

测量单元，用于根据所述每路励磁线圈预设的额定励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第一磁场分布参数，以及采用与所述额定励磁电流大小相同，方向相反的第一励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第二磁场分布参数；

判断单元，用于确定在至少一个预设的测试点上所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数之和的第一绝对值，并判断每个所述测试点对应的所述第一绝对值是否均不大于预设阈值；

确定单元，用于若不大于，则确定所述第一励磁电流为反向扭矩对应的额定励磁电流，根据所述第一映射关系以及所述第二映射关系建立所述额定励磁电流和所述第一励磁电流与所述扭矩之间的第三映射关系，并根据所述第三映射关系调用励磁电流，实现对扭矩方向的控制。

可选地，所述装置，还包括：调整单元；所述调整单元，用于若大于所述预设阈值，则调整所述第一励磁电流的大小，并再次测量得到第三磁场分布参数，确定在所述至少一个测试点上所述第一磁场分布参数以及所述第三磁场分布参数之和第二绝对值，直到每个所述测试点对应的所述第二绝对值均不大于所述预设阈值为止。

可选地，所述第一励磁电流包括多组励磁电流；

所述调整单元，具体用于：等比例放大或缩小所述多路励磁线圈对应的励磁电流。

可选地，所述调整单元，具体用于：

根据所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数确定放大或缩小参数；

根据所述放大或缩小参数对所述多路励磁线圈对应的励磁电流进行等比放大或缩小。

第三方面，本申请提供一种计算机设备，该计算机设备，包括：

存储器，用于存储至少一个处理器所执行的指令；

处理器，用于执行存储器中存储的指令执行第一方面所述的方法。

第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面所述的方法。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的一种带电离子通过霍尔推力器正交电磁场所产生偏转的示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种霍尔推力器工作产生扭矩示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种控制霍尔电推进系统自生扭矩方向的方法的流程示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种霍尔推力器励磁方向、磁场方向与扭矩方向关系的示意图；

图5为本申请实施例所提供的一种霍尔推力器放电通道磁场测量示意图；

图6a为本申请实施例所提供的一种正反向励磁电流的示意图；

图6b为本申请实施例所提供的一种正反向励磁电流励磁得到的电磁强度之和的绝对值的示意图；

图7为本申请实施例所提供的一种控制霍尔电推进系统自生扭矩方向的装置的结构示意图；

图8为本申请实施例所提供的一种控制霍尔电推进系统自生扭矩方向的装置的结构示意图；

图9为本申请实施例所提供的一种计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种控制霍尔电推进系统自生扭矩方向的方法做进一步详细的说明，该方法具体实现方式可以包括以下步骤(方法流程如图3所示)：

步骤301，构建霍尔推力器的磁场方向与扭矩方向的第一映射关系以及励磁电流方向与所述磁场方向的第二映射关系，其中，所述霍尔推力器包括多路励磁线圈。

参见图4，在本申请实施例所提供的方案中，定义以扭矩沿轴向由放电通道指向出口方向为正方向，即图中+z方向，以扭矩沿轴向由出口方向指向放电通道为负方向，即图中-z方向；并定义能产生+z方向扭矩的径向磁场方向为正向磁场方向，其中，正向磁场方向为由推力器外壁面指向内壁面，以及定义产生-z方向扭矩的径向磁场方向为负向磁场方向，其中，负向磁场方向为由内壁面指向外壁面。

在本申请实施例所提供的方案中，在霍尔推力器中设置了多个励磁线圈，每个励磁线圈设置有额定励磁电流。对霍尔推力器中的励磁线圈通额定励磁电流，然后通过高斯探针测量放电通道中的磁场方向，定义以产生正向磁场方向的励磁电流方向为正向励磁电流；定义以产生负向磁场方向的励磁电流方向为负向励磁电流。

进一步，在定义扭矩、磁场以及励磁电流的正负方向之后，建立+z方向扭矩与正向磁场方向之间的映射关系，以及建立-z方向扭矩与负向磁场方向之间的映射关系，根据扭矩与磁场方向的映射关系得到所述第一映射关系；以及建立正向磁场方向与正向励磁电流之间的映射关系和负向磁场方向与负向励磁电流之间的映射关系，根据励磁电流与磁场方向的映射关系得到所述第二映射关系。

步骤302，根据所述每路励磁线圈预设的额定励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第一磁场分布参数，以及采用与所述额定励磁电流大小相同，方向相反的第一励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第二磁场分布参数。

在本申请实施例所提供的方案中，第一磁场分布参数以及第二磁场参数包括磁场强度以及磁场分布。确定霍尔推力器各路激励线圈的励磁电流，并记录各路励磁线圈额定励磁电流的大小和方向，例如，额定励磁电流为i1、i2、i3等，若额定励磁电流为正向励磁电流，则用正数表示，反之则用负数表示。

进一步，采用额定励磁电流大小及额定励磁电流方向对霍尔推力器进行励磁，同时通过高斯探针测量得到放电通道中心线上的径向磁感应强度分布。具体的，预先设置多个测点，然后通过高斯探针测量得到每个测点的磁感应强度，根据每个测点的磁感应强度得到放电通道中心线上的径向磁感应强度分布。

例如，图5所示，若以推力器的轴线方向为轴向，以推力器的半径方向为径向；轴向测量范围要求覆盖(zexit-0.6d，zexit+0.6d)区间，其中zexit为放电通道出口的轴向坐标，d为放电通道底部距离出口的长度，记录此时通道中心线上的最大磁感应强度绝对值为|bmax|。

进一步，参见图6a，采用额定励磁电流大小和与额定励磁电流方向相反的励磁电流对霍尔推力器进行励磁，记录此时各路励磁电流，例如。各路励磁电流记为i’1、i’2、i’3等，同时通过高斯探针测量得到放电通道中心线上的径向磁感应强度分布。具体的，在测量放电通道中心线上的径向磁感应强度分布时，还以推力器的轴线方向为轴向，以推力器的半径方向为径向；轴向测量范围要求覆盖(zexit-0.6d，zexit+0.6d)区间，记录此时通道中心线上的最大磁感应强度绝对值为|b’max|。

步骤303，确定在至少一个预设的测试点上所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数之和的第一绝对值，并判断每个所述测试点对应的所述第一绝对值是否均不大于预设阈值。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，在数据库中预先设置着磁场分布参数的阈值，例如，阈值为0.0002t。通过高斯探针测量每个测点的第一磁场分布参数以及第二磁场分布参数之后，将每个测点上两次测量结果相加得到两次测量结果之和的绝对值，参见图6b。

步骤304，若不大于，则确定所述第一励磁电流为反向扭矩对应的额定励磁电流，根据所述第一映射关系以及所述第二映射关系建立所述额定励磁电流和所述第一励磁电流与所述扭矩之间的第三映射关系，根据所述第三映射关系调用励磁电流，实现对扭矩方向的控制。

在本申请实施例所提供的方案中，若两次测量结果相加之和在任一测点上的绝对值最大值都不大于预设阈值，例如，两次测量结果相加之和在各测点上的绝对值最大值△|bmax|≤0.0002t，则确定采用的第一励磁电流可实现与额定励磁电流霍尔推力器磁场分布等大、反向的磁场分布，记录第一励磁电流为i’1、i’2、i’3，第一励磁电流为反向扭矩对应的额定电流。

例如，若额定励磁电流方向为正，记录额定励磁电流为i1、i2、i3，则装订i1、i2、i3等励磁电流对应推力器产生+z方向的扭矩，i’1、i’2、i’3等励磁电流对应推力器产生-z方向的扭矩；反之如额定励磁电流方向为负，则装订i1、i2、i3等励磁电流对应推力器产生-z方向的扭矩，i’1、i’2、i’3等励磁电流对应推力器产生+z方向的扭矩，进而得到励磁电流与扭矩之间的第三映射关系。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，在步骤303之后，还包括步骤305，若大于所述预设阈值，则调整所述第一励磁电流的大小，并再次测量得到第三磁场分布参数，确定在所述至少一个测试点上所述第一磁场分布参数以及所述第三磁场分布参数之和第二绝对值，直到每个所述测试点对应的所述第二绝对值均不大于所述预设阈值为止。

在一种可能实现的方式中，所述第一励磁电流包括多组励磁电流；

调整所述第一励磁电流的大小，包括：等比例放大或缩小所述多路励磁线圈对应的励磁电流。

在一种可能实现的方式中，等比例放大或缩小所述多路励磁线圈对应的励磁电流，包括：

根据所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数确定放大或缩小参数；

根据所述放大或缩小参数对所述多路励磁线圈对应的励磁电流进行等比放大或缩小。

例如，两次测量结果相加之和在各测点上的绝对值最大值△|bmax|＞0.0002t，则将所述第一励磁电流中各励磁电流大小进行等比例微调，将第一励磁电流中各励磁电流i’1、i’2、i’3等的大小等比例调解至等，方向不变，并再次通过高斯探针测量得到放电通道中心线上的径向磁感应强度分布，与额定工况磁感应强度分布进行对比，直到测量结果相加之和在各测点上的绝对值最大值△|bmax|≤0.0002t，记录此时调节后的各励磁线圈的励磁电流i’1、i’2、i’3为反向扭矩对应的额定电流。

本申请实施例所提供的方案中，通过构建霍尔推力器的磁场方向与扭矩方向的第一映射关系以及励磁电流方向与所述磁场方向的第二映射关系，然后根据所述每路励磁线圈预设的额定励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第一磁场分布参数，以及采用与所述额定励磁电流大小相同，方向相反的第一励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第二磁场分布参数，再确定在至少一个预设的测试点上所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数之和，并判断每个所述测试点对应的所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数之和的最大绝对值是否不大于预设阈值，若不大于，则确定所述第一励磁电流为反向扭矩对应的额定励磁电流，根据所述第一映射关系以及所述第二映射关系建立所述额定励磁电流和所述第一励磁电流与所述扭矩之间的第三映射关系，最后若霍尔推力器工作时，根据所述第三映射关系调用励磁电流，实现对扭矩方向的控制。因此，本申请实施例所提供的方案中，通过建立霍尔推力器励磁电流与扭矩之间的第三映射关系，并通过第三映射关系调用励磁电流实现控制霍尔推力器自生扭矩的方向，不仅实现对自生扭矩的抵消，降低该扭矩累积对航天器姿控干扰以及减轻了航天器动量卸载装置的负担，还避免在自生扭矩抵消过程中改变推力器的其他推力特性参数，进而提高了霍尔推力器的性能。

基于与图3所示方法相同的发明构思，本申请实施例提供了一种控制霍尔电推进系统自生扭矩方向的装置，参见图7，该装置包括：

构建单元701，用于构建霍尔推力器的磁场方向与扭矩方向的第一映射关系以及励磁电流方向与所述磁场方向的第二映射关系，其中，所述霍尔推力器包括多路励磁线圈；

测量单元702，用于根据所述每路励磁线圈预设的额定励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第一磁场分布参数，以及采用与所述额定励磁电流大小相同，方向相反的第一励磁电流对所述霍尔推力器进行励磁，测量得到第二磁场分布参数；

判断单元703，用于确定在至少一个预设的测试点上所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数之和的第一绝对值，并判断每个所述测试点对应的所述第一绝对值是否均不大于预设阈值；

确定单元704，用于若不大于，则确定所述第一励磁电流为反向扭矩对应的额定励磁电流，根据所述第一映射关系以及所述第二映射关系建立所述额定励磁电流和所述第一励磁电流与所述扭矩之间的第三映射关系，并根据所述第三映射关系调用励磁电流，实现对扭矩方向的控制。

可选地，参见图8，所述装置，还包括：调整单元705；所述调整单元705，用于若大于所述预设阈值，则调整所述第一励磁电流的大小，并再次测量得到第三磁场分布参数，确定在所述至少一个测试点上所述第一磁场分布参数以及所述第三磁场分布参数之和第二绝对值，直到每个所述测试点对应的所述第二绝对值均不大于所述预设阈值为止。

可选地，所述第一励磁电流包括多组励磁电流；

所述调整单元705，具体用于：等比例放大或缩小所述多路励磁线圈对应的励磁电流。

可选地，所述调整单元705，具体用于：

根据所述第一磁场分布参数以及所述第二磁场分布参数确定放大或缩小参数；

根据所述放大或缩小参数对所述多路励磁线圈对应的励磁电流进行等比放大或缩小。

参见图9，本申请提供一种计算机设备，该计算机设备，包括：

存储器901，用于存储至少一个处理器所执行的指令；

处理器902，用于执行存储器中存储的指令执行图3所述的方法。

本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图3所述的方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。