一种边界触发常值推力下的摆角控制方法和系统与流程

1.本发明属于控制技术领域，尤其涉及一种边界触发常值推力下的摆角控制方法和系统。


背景技术：

2.绳系卫星系统中系绳的存在能够天然维持双星的相对距离，因此常被用于有编队需求的任务，如深空探测、轨道维持等。由于系绳为柔性连接，在轨道动力学及系绳张力的共同作用下，绳系系统通常带有面内及面外摆角，类似单摆运动。当面内摆角超过一定范围时，一方面会激发面外摆角，另一方面也对系绳稳定性造成威胁。因此需要对绳系系统摆角进行控制，以保证系统稳定，同时保证绳系系统两端卫星的姿态稳定和指向。
3.目前文献所能查到的摆角控制通常采用张力控制与系绳长度控制的联合控制，且未考虑推力方向与组合体飞行方向不一致时对系绳长度的影响。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种边界触发常值推力下的摆角控制方法和系统，从避免系绳松弛的角度设计基于推力的摆角控制方案，这种设计保证了仅在触发边界值的情况下进行摆角控制，避免了频繁摆角控制引入的轨道影响；此外，结合当前摆角的相位，选择抬升轨道方向进行摆角控制，从而避免了推力对组合体轨道的不利影响。
5.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种边界触发常值推力下的摆角控制方法，包括：
6.获取摆角控制精度要求及摆角数组；
7.根据摆角控制精度要求，确定摆角控制实施阈值；
8.根据摆角数组，得到摆角变化趋势函数；
9.根据摆角变化趋势函数、摆角控制实施阈值和当前摆角值，对绳系卫星系统进行边界触发常值推力下的摆角控制。
10.在上述边界触发常值推力下的摆角控制方法中，
11.摆角控制精度要求为：其中，表示实际摆角，表示任务指标允许的最大摆角；
12.摆角控制实施阈值为其中，a表示预设安全裕度，a<0.5；
13.摆角变化趋势函数为二元函数；其中，摆角变化趋势函数取值为1时，表示摆角变化趋势为摆角增大；摆角变化趋势函数取值为
‑
1时，表示摆角变化趋势为摆角减小。
14.在上述边界触发常值推力下的摆角控制方法中，根据摆角变化趋势函数、摆角控制实施阈值和当前摆角值，对绳系卫星系统进行边界触发常值推力下的摆角控制，包括：
15.根据摆角变化趋势函数，确定摆角变化趋势；
16.确定当前摆角的摆角值和相位；
17.以摆角变化趋势、当前摆角的摆角值和当前摆角的相位作为控制边界；
18.当满足预设条件时，采用常值推力对摆角进行控制，直至摆角变化趋势函数取值为
‑
1时，停止对摆角进行控制；否则，保持常值推力为零，不对摆角进行控制。
19.在上述边界触发常值推力下的摆角控制方法中，预设条件如下：摆角变化趋势函数取值为1、当前摆角的相位为正、且当前摆角的摆角值超过
20.在上述边界触发常值推力下的摆角控制方法中，摆角的相位定义与子星相对母星x方向的符号一致，以保证常值推力的方向有利于绳系系统稳定，不会导致系绳长度缩短或回弹。
21.在上述边界触发常值推力下的摆角控制方法中，在采用常值推力对摆角进行控制之前，还包括：调整子星和母星的姿态，使常值推力的方向沿绳系卫星摆动方向，不会引入额外的面外分量。
22.在上述边界触发常值推力下的摆角控制方法中，摆角数组记作表示如下：
[0023][0024]
其中，n表示数组维数，h表示采样步长，表示inh+h时刻对应的摆角值。
[0025]
在上述边界触发常值推力下的摆角控制方法中，根据摆角数组，得到摆角变化趋势函数，包括：
[0026]
根据摆角数组，得到第i+1个数组和第i个数组的差数组
[0027][0028]
根据差数组得到符号数组
[0029][0030]
其中，sgn(
·
)表示符号函数；
[0031]
构建得到摆角变化趋势函数：
[0032][0033]
其中，
[0034]
在上述边界触发常值推力下的摆角控制方法中，该边界触发常值推力下的摆角控制方法作用于绳系卫星系统；
[0035]
绳系卫星系统，包括：子星、母星和系绳；其中，子星和母星通过系绳连接；当子星在母星上方时，绳系卫星为母星；当母星在子星上方时，绳系卫星为子星；
[0036]
系绳的摆动角度记作摆角；
[0037]
常值推力作用在绳系卫星上，实现对摆角的控制。
[0038]
相应的，本发明还公开了一种边界触发常值推力下的摆角控制系统，包括：
[0039]
获取模块，用于获取摆角控制精度要求及摆角数组；
[0040]
确定模块，用于根据摆角控制精度要求，确定摆角控制实施阈值；根据摆角数组，得到摆角变化趋势函数；
[0041]
控制模块，用于根据摆角变化趋势函数、摆角控制实施阈值和当前摆角值，对绳系卫星系统进行边界触发常值推力下的摆角控制。
[0042]
本发明具有以下优点：
[0043]
(1)本发明公开了一种边界触发常值推力下的摆角控制方法，从避免系绳松弛的角度设计基于推力的摆角控制方案，这种设计保证了仅在触发边界值的情况下进行摆角控制，避免了频繁摆角控制引入的轨道影响。
[0044]
(2)本发明公开了一种边界触发常值推力下的摆角控制方法，通过判断摆角变化趋势及摆角相位，提出基于常值推力的摆角控制，不需要时时反馈摆角、频繁引入张力，且选择抬升轨道方向进行摆角控制，有效避免了常值推力对组合体轨道的不利影响。
附图说明
[0045]
图1是本发明实施例中一种绳系卫星系统的工作状态示意图；
[0046]
图2是本发明实施例中又一种绳系卫星系统的工作状态示意图；
[0047]
图3是本发明实施例中一种边界触发常值推力下的摆角控制方法的步骤流程图；
[0048]
图4是本发明实施例中一种面内摆角及面外摆角的控制曲线图；
[0049]
图5是本发明实施例中一种边界触发常值推力下的摆角控制系统的结构框图。
具体实施方式
[0050]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
[0051]
如图1～2，绳系卫星系统包括但不仅限于：子星、母星和系绳。其中，子星和母星通过系绳连接；当子星在母星上方时，绳系卫星为母星；当母星在子星上方时，绳系卫星为子星。系绳的摆动角度记作摆角，包括面内角和面外角。常值推力作用在绳系卫星上，实现对摆角的控制。
[0052]
通常，系绳释放到位后需要对摆角进行控制，以保证绳系卫星系统稳定在轨保持。目前的摆角控制方案多采用实时测量实时反馈的控制方案。本发明考虑到传统摆角控制方案下推力频繁工作，容易引入系绳张力频繁波动，且带来系绳回弹等风险，对系绳端卫星姿态造成较大扰动，故而提出了一种边界触发常值推力下的摆角控制方法，可自主选择利于系统稳定的推力控制方向。
[0053]
如图3，在本实施例中，该边界触发常值推力下的摆角控制方法，包括：
[0054]
步骤101，获取摆角控制精度要求及摆角数组。
[0055]
步骤102，根据摆角控制精度要求，确定摆角控制实施阈值。
[0056]
在本实施例中，摆角控制精度要求为：为了保证实际摆角小于允许的最大值，通常设定安全裕度作为摆角控制实施阈值，即取摆角控制实施阈值为其中，表示实际摆角，表示任务指标允许的最大摆角，a表示预设安全裕度，a<0.5。
[0057]
步骤103，根据摆角数组，得到摆角变化趋势函数。
[0058]
在本实施例中，摆角数组可记作表示如下：
[0059][0060]
其中，n表示数组维数，h表示采样步长，表示inh+h时刻对应的摆角值。
[0061]
进一步的，根据摆角数组，得到第i+1个数组和第i个数组的差数组
[0062][0063]
然后，根据差数组得到符号数组
[0064][0065]
其中，sgn(
·
)表示符号函数；
[0066]
最后，构建得到摆角变化趋势函数：
[0067][0068]
其中，
[0069]
可见，摆角变化趋势函数为二元函数。其中，摆角变化趋势函数取值为1时，表示摆角变化趋势为摆角增大；摆角变化趋势函数取值为
‑
1时，表示摆角变化趋势为摆角减小；摆角变化趋势函数取值为0时，表示摆角变化趋势无法判断。
[0070]
步骤104，根据摆角变化趋势函数、摆角控制实施阈值和当前摆角值，对绳系卫星系统进行边界触发常值推力下的摆角控制。
[0071]
在本实施例中，先根据摆角变化趋势函数，确定摆角变化趋势(摆角变化趋势函数取值为1时，表示摆角变化趋势为摆角增大；摆角变化趋势函数取值为
‑
1时，表示摆角变化趋势为摆角减小)。然后，确定当前摆角的摆角值和相位。进一步的，以摆角变化趋势、当前摆角的摆角值和当前摆角的相位作为控制边界。最后，当满足预设条件时，采用常值推力对摆角进行控制，直至摆角变化趋势函数取值为
‑
1时，停止对摆角进行控制；否则，保持常值推力为零，不对摆角进行控制。
[0072]
优选的，上述预设条件具体如下：摆角变化趋势函数取值为1、当前摆角的相位为正、且当前摆角的摆角值超过
[0073]
其中，需要说明的是，在本实施例中，摆角的相位定义与子星相对母星x方向的符号一致，以保证常值推力的方向有利于绳系系统稳定，不会导致系绳长度缩短或回弹。此外，在采用常值推力对摆角进行控制之前，应当调整子星和母星的姿态，使常值推力的方向沿绳系卫星摆动方向，不会引入额外的面外分量。该边界触发常值推力下的摆角控制方法对于面内摆角和面外摆角的控制均适用。
[0074]
在上述实施例的基础上，设定动力学仿真步长为250ms，控制器采样及控制周期为0.1s，系绳长度800m。对本发明所提方法进行验证。根据仿真结果，如图4所示，系绳从0秒至2100s左右释放到位，摆角有较大偏差。为了进入保持段，需要通过推力对摆角进行控制。根据本发明所提方法，当摆角变化趋势为1，即摆角进入增大区域，且摆角超过阈值，大概在
3400s施加推力。经过不到半个周期，系绳摆角被控制在20度以内，远小于初始的50度。且过程中未激发面外摆角。验证了本发明所提方法的可行性。
[0075]
在上述实施例的基础上，如图5，本发明还公开了一种边界触发常值推力下的摆角控制系统，包括：获取模块501，用于获取摆角控制精度要求及摆角数组。确定模块502，用于根据摆角控制精度要求，确定摆角控制实施阈值；根据摆角数组，得到摆角变化趋势函数；控制模块503，用于根据摆角变化趋势函数、摆角控制实施阈值和当前摆角值，对绳系卫星系统进行边界触发常值推力下的摆角控制。
[0076]
对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
[0077]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0078]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。