一種微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)一般由敏感器、執(zhí)行機構(gòu)和姿控處理單元組成。在微小衛(wèi)星 磁控對日捕獲過程中，采用開關(guān)型磁力矩器作為衛(wèi)星執(zhí)行機構(gòu)進行磁控，磁強計作為衛(wèi)星 敏感器進行磁測，星務(wù)計算機作為姿控處理單元進行運算。
[0003] 磁力矩器組件是碳衛(wèi)星姿態(tài)控制分系統(tǒng)的重要執(zhí)行部件，一般由坡莫合金棒作為 磁芯，在其上纏繞一定規(guī)格和圈數(shù)的漆包線形成。磁力矩器通一定的電流，產(chǎn)生磁場，作用 于坡莫合金棒，進而使整個磁力矩器磁化產(chǎn)生磁矩，與周圍磁場相互作用產(chǎn)生力矩。
[0004] 磁矩計算過程中，星務(wù)計算機根據(jù)敏感器測量輸入和控制目標(biāo)，計算三軸磁控力 矩需求，根據(jù)空間磁場信息，計算得到三軸磁矩。計算方法如下：
[0005] m=BXT/| |B2| (1)
[0006] 式中，m為三軸磁矩，單位為"安培.米2"，即AM2,T為控制力矩需求，單位為"牛 頓.米.秒"，即Nms，Β為空間磁場，單位為"特斯拉"，即Τ。
[0007] 磁力矩器控制方式一般包括兩種，開關(guān)控制和線性控制。開關(guān)控制由計算機提供 開關(guān)信號和方向信號，輸出正（負）最大磁矩，具有電源效率高，省功耗，電路設(shè)計簡單的優(yōu) 點，但只能輸出最大磁矩；線性控制由計算機提供-5V~+5V信號，對應(yīng)磁矩可以從負最大 磁矩線性變化到正最大磁矩，但電源效率較低，浪費部分功耗，且電路設(shè)計相對復(fù)雜，可靠 性差于開關(guān)控制。
[0008] 在微小衛(wèi)星控制中，選擇開關(guān)型磁力矩器作為執(zhí)行機構(gòu)時，一般采用脈寬調(diào)制方 式進行控制，控制方式如下：
[0009] mc=P〇*mt/tc (2)
[0010] 式中，為式（1)計算得到的三軸磁矩，P。為磁力矩器最大磁矩輸出，mtS脈寬控 制時間，單位為秒，t。為控制周期，單位為秒。
[0011] 磁力矩器實際輸出力矩與理論脈寬時間和控制電壓存在偏差，偏差來源于（1)磁 力矩器線圈電感影響，實際工作脈寬由于上升時間和下降時間的延遲而變窄；（2)微小衛(wèi) 星的星務(wù)計算機進行磁矩控制的同時，還在進行載荷數(shù)據(jù)通信，測控，熱控等進程管理，因 此一個控制周期中可能會由于與其他進程沖突導(dǎo)致控制脈沖寬度出現(xiàn)偏差，影響控制的精 度。因此有必要對常規(guī)的脈寬控制方式進行改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方 法，對常規(guī)的脈寬控制方式進行改進，提高控制精度。
[0013] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方法， 包括以下步驟：（1)計算三軸磁矩；（2)根據(jù)磁控精度需求確定磁測磁控周期與衛(wèi)星控制周 期的關(guān)系；（3)比較計算磁矩與開關(guān)型磁力矩器最大輸出磁矩的關(guān)系，確定每個衛(wèi)星控制 周期時間序列輸出；（4)在磁測磁控周期的磁測時間開始和結(jié)束時完成兩次磁測，完成開 關(guān)磁矩時間序列控制輸入。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點在于，針對微小衛(wèi)星磁力矩器脈寬控制偏差，提供了一種時間序列 控制方式，根據(jù)磁控精度需求獲得星上磁測磁控周期，將脈沖寬度控制轉(zhuǎn)換為每個磁測磁 控周期內(nèi)的多個控制周期是否輸出磁矩的指令序列，解決了脈寬調(diào)制控制時間精度不足， 且星務(wù)計算機同時需要進行數(shù)據(jù)管理可能引起的時間沖突問題，簡化了控制復(fù)雜度，提高 了磁控效率，實現(xiàn)了微小衛(wèi)星在軌實時磁控。
【附圖說明】
[0015] 附圖1所示是本發(fā)明的【具體實施方式】所述方法的實施步驟示意圖。
[0016] 附圖2所示為本發(fā)明的【具體實施方式】所述方法的磁測磁控時序圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的一種微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方法的具 體實施方式做詳細說明。
[0018] 附圖1所示是本【具體實施方式】所述方法的實施步驟示意圖，包括：步驟S1，計算 三軸磁矩；步驟S2,根據(jù)磁控精度需求確定磁測磁控周期與衛(wèi)星控制周期的關(guān)系；步驟S3， 比較計算磁矩與開關(guān)型磁力矩器最大輸出磁矩的關(guān)系，確定每個衛(wèi)星控制周期時間序列輸 出；步驟S4,在磁測磁控周期的磁測時間開始和結(jié)束時完成兩次磁測，完成開關(guān)磁矩時間 序列控制輸入。
[0019] 步驟S1，計算三軸磁矩需求方法，具體如下：星務(wù)計算機根據(jù)敏感器測量輸入和 控制目標(biāo)，計算三軸磁控力矩需求，根據(jù)空間磁場信息，計算得到三軸磁矩。計算方法如 下：
[0020] m=BXT/| |B2| (1)
[0021] 式⑴中，m為三軸磁矩，單位為"安培.米2"，即AM2,T為控制力矩需求，單位為 "牛頓.米.秒"，即Nms，B為空間磁場在衛(wèi)星本體系（Xb，Yb，Zb)的分量，由磁強計測量獲得， 單位為"特斯拉"，即T。具體為：
[0022] 磁強計測量電壓Vx、Vy、Vz，計算磁強計測量值：
[0023] Bx=kx*Vx+bx
[0024] By=ky*Vy+by
[0025] Bz=kz*Vz+bz
[0026]其中kx，ky，kz，bx，by，bz為標(biāo)定系數(shù)。
[0027] 通過安裝矩陣得到本體系下地磁場矢量
[0028] B=AT* [BxByBJ
[0029] 其中A為磁強計安裝矩陣。
[0030] 步驟S2,根據(jù)磁控精度需求確定磁測磁控周期與衛(wèi)星控制周期的關(guān)系，具體步驟 如下：
[0031]設(shè)磁測磁控周期為tm，tm=tm(：+tmm，其中為tm。磁控周期，且tmt:=m*t。，tmm為磁測 周期，且^=11襯。，。根據(jù)磁力矩器實際測量結(jié)果，獲得上升時間（磁力矩器從0%-90% 的時間）和下降時間（磁力矩器從100%-10%的時間）之和為τ，根據(jù)星務(wù)計算機控制周 期和實測結(jié)果，獲得脈寬控制誤差％。
[0032]確定η的方法如下，η初值設(shè)為0,若n^tXa*(τ+te)，則η=η+1，直到滿足 n*tc>a*(τ+te)，式中a為磁測安全系數(shù)，一般取4~10。
[0033] 確定m的方法如下，m初值設(shè)為0,若b/m>(τ+te)/t。，則m=m+Ι，直到滿足b/ m〈（τ+te)/tc，式中b為磁控安全系數(shù)，一般取2~4。
[0034] 步驟S3,比較計算磁矩與開關(guān)型磁力矩器最大輸出磁矩P。的關(guān)系，確定每個衛(wèi)星 控制周期時間序列輸出。具體步驟如下：
[0035] 1)設(shè)初值i= 1 ;
[0036] 2)若 1)設(shè)初值i= 1 ;
[0037] 2)若輸入的X軸磁矩mcx>i*PQ/m，則輸出磁矩PQ=sign(mJ*P。，否則輸出0,對Y、 Z軸磁矩做同樣處理；
[0038] 3)將i的數(shù)值增加1;
[0039] 4)由磁矩輸出計數(shù)i判斷，若m+n>i多m，輸出磁矩0;
[0040] 5)由磁力矩器工作狀態(tài)字判斷，若某個磁力矩器被屏蔽，則輸出開關(guān)與方向控制 電壓為0 ;否則，按輸入磁矩與磁力矩器對應(yīng)關(guān)系輸出控制電壓；
[0041] 6)若i多m+n，則i=1。
[0042] 步驟S4,在磁測磁控周期的磁測時間開始和結(jié)束時完成兩次磁測，完成開關(guān)磁矩 時間序列控制輸入。
[0043] 附圖2為上述方法的磁測磁控時序圖。
[0044] 接下來給出本發(fā)明的一個實施例：
[0045] 某微小衛(wèi)星控制周期為0· 25秒，采用60Am2的磁力矩器（即P。= 60Am2)，進行磁 力矩器時間序列控制，根據(jù)磁矩實際測量結(jié)果，上升時間和下降時間之和為12ms，星務(wù)計算 機控制周期和實測結(jié)果，獲得脈寬控制誤差為l〇ms。得到磁測周期參數(shù)為4,即磁測周期為 1秒，磁控周期參數(shù)為16,即磁控周期為4秒。
[0046] 若需要產(chǎn)生的磁矩為32Am2,則20個控制周期內(nèi)的磁力矩器時間序列控制信號 為：
[0047]
[0048]
[0049] 估算該磁測磁控周期內(nèi)的控制誤差如下：
[0050] 按照常規(guī)的脈寬控制，相對誤差為：
[0051] (12+10)/(32/60*250) *100%= 16.5%
[0052] 按照本發(fā)明提出的時間序列控制方法，相對誤差為：
[0053] (32-30+12+10)/16*250*100%= 0. 6%
[0054] 由上表可見，采用本發(fā)明提出的時間序列控制方法，可以簡化磁控輸出計算的復(fù) 雜度，且相對控制誤差大大減小。
[0055] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 計算二軸磁矩； (2) 根據(jù)磁控精度需求確定磁測磁控周期與衛(wèi)星控制周期的關(guān)系； (3) 比較計算磁矩與開關(guān)型磁力矩器最大輸出磁矩的關(guān)系，確定每個衛(wèi)星控制周期時 間序列輸出； (4) 在磁測磁控周期的磁測時間開始和結(jié)束時完成兩次磁測，完成開關(guān)磁矩時間序列 控制輸入。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方法，其特征在于，所述 步驟（1)進一步包括：采用星務(wù)計算機根據(jù)敏感器測量輸入和控制目標(biāo)，計算三軸磁控力 矩需求，并根據(jù)空間磁場信息，計算得到三軸磁矩。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方法，其特征在于，所述 步驟（2)進一步包括： 設(shè)磁測磁控周期為tm，tm=tm(：+tm，其中為tm。磁控周期，且tmt:=m*t。，tm為磁測周期， 且n*t。，根據(jù)磁力矩器實際測量結(jié)果，獲得上升時間和下降時間）之和為τ，根據(jù)星 務(wù)計算機控制周期和實測結(jié)果，獲得脈寬控制誤差％; 確定η的方法如下，η初值設(shè)為0，若n*te〈a*(τ+te)，則η=η+1，直到滿足n*tc>a* (τ+te)，式中a為磁測安全系數(shù)； 確定m的方法如下，m初值設(shè)為0,若b/m> (τ+tJ/t。，則m=m+Ι，直到滿足b/m〈（τ+1^)/!:。，式中b為磁控安全系數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方法，其特征在于，所述a 的取值范圍是4-10,b的取值范圍是2-4。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方法，其特征在于，所述 步驟（3)進一步包括： 1) 設(shè)初值i= 1 ; 2) 若輸入的X軸磁矩mcx>i*PQ/m，則輸出磁矩PQ=sign(mJ*P。，否則輸出0,對Y、Z軸 磁矩做同樣處理； 3) 將i的數(shù)值增加1 ; 4) 由磁矩輸出計數(shù)i判斷，若m+n>i彡m，輸出磁矩0 ; 5) 由磁力矩器工作狀態(tài)字判斷，若某個磁力矩器被屏蔽，則輸出開關(guān)與方向控制電壓 為〇 ;否則，按輸入磁矩與磁力矩器對應(yīng)關(guān)系輸出控制電壓； 6) 若i多m+n，貝丨Ji= 1。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微小衛(wèi)星用開關(guān)磁矩時間序列控制方法，包括以下步驟：(1)計算三軸磁矩；(2)根據(jù)磁控精度需求確定磁測磁控周期與衛(wèi)星控制周期的關(guān)系；(3)比較計算磁矩與開關(guān)型磁力矩器最大輸出磁矩的關(guān)系，確定每個衛(wèi)星控制周期時間序列輸出；(4)在磁測磁控周期的磁測時間開始和結(jié)束時完成兩次磁測，完成開關(guān)磁矩時間序列控制輸入。本發(fā)明的優(yōu)點在于，根據(jù)磁控精度需求獲得星上磁測磁控周期，將脈沖寬度控制轉(zhuǎn)換為每個磁測磁控周期內(nèi)的多個控制周期是否輸出磁矩的指令序列，提高了磁控效率，實現(xiàn)了微小衛(wèi)星在軌實時磁控。
【IPC分類】B64G1/24, B64G1/10
【公開號】CN105253326
【申請?zhí)枴緾N201510707237
【發(fā)明人】劉國華, 尹增山, 劉琦, 姚小松, 王政偉
【申請人】上海微小衛(wèi)星工程中心
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年10月27日