本發(fā)明涉及一種編隊衛(wèi)星系統(tǒng)燃料均衡在軌實現(xiàn)方法。

背景技術：

隨著衛(wèi)星技術的不斷發(fā)展,越來越多的國家和組織都越來越傾向于利用多顆衛(wèi)星組成編隊衛(wèi)星系統(tǒng)來實現(xiàn)空間任務目標。因此編隊衛(wèi)星系統(tǒng)控制任務越來越復雜，同時也面臨著高控制精度、自主化以及長壽命等方面壓力。

目前影響衛(wèi)星壽命的決定性因素主要包括燃料以及電能，其中燃料消耗具有不可逆性。因此，由于編隊衛(wèi)星之間的相對關系需要通過編隊控制消耗燃料實現(xiàn)，所以編隊任務的順利開展以及壽命、控制能力不僅取絕對編隊控制精度，同時取決于編隊衛(wèi)星系統(tǒng)的燃料均衡管理。目前，編隊衛(wèi)星燃料均衡管理的相關研究成果一般與編隊控制路徑規(guī)劃或者優(yōu)化耦合在一起，同時燃料均衡管理方法多采用建立優(yōu)化目標函數(shù)與復雜算法(如遺傳算法、粒子群算法、匈牙利算法)相結合。根據(jù)實際在軌編隊任務，存在約束條件較理想、算法復雜和缺乏在軌自主可實現(xiàn)性等不足。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是：針對現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種編隊衛(wèi)星燃料均衡管理工程可實現(xiàn)的方法，能夠實現(xiàn)星上自主燃料均衡管理。

本發(fā)明的技術方案是：一種編隊衛(wèi)星系統(tǒng)燃料均衡在軌實現(xiàn)方法，包括如下步驟：

1)第k次編隊控制后，衛(wèi)星自主根據(jù)氣瓶和推進劑貯箱內的壓力和溫度測量數(shù)據(jù)，利用氣體狀態(tài)方程計算得出推進劑貯箱內氦氣體積，再由貯箱總容積和推進劑密度計算出貯箱內推進劑體積和質量，即PVT算法計算得出該次編隊控制燃料消耗量E_k，k≥1；

2)第k次編隊控制后，根據(jù)星載GNSS接收機星間測量數(shù)據(jù)，利用EKF/UKF濾波算法確定兩個衛(wèi)星軌道周期編隊控制參數(shù)Δl_k；

3)將編隊控制燃料累計消耗量之和SE_k以及該次編隊控制殘差Δl_k代入下式：

SE_k≥k₁&&Δl_k≥k₂ (1)

其中，k₁、k₂為閾值，k₁由星間面質比差異約束條件確定，k₂由編隊控制精度指標確定；SE_k＝E₁+.......+E_k，“&&”為邏輯或關系；

4)若上式(1)成立，則星上自主完成主輔星標志切換，先由地面上注指令或星上自主進行主輔星切換控制，即主星、輔星絕對運行軌道切換控制，使得新主星運行在參考軌道上，然后參數(shù)置初始值，即k重新從1開始，SE_k重新從0開始，接著新的輔星執(zhí)行編隊控制任務，重復步驟1)～步驟3)；若上式(1)不成立，繼續(xù)由原輔星進行編隊控制；所述主星為參考星，輔星為跟隨星。

本發(fā)明采用的方法與現(xiàn)有技術相比：

1、工程可實現(xiàn)性強，節(jié)省燃料，同時兼顧編隊衛(wèi)星任務需求。目前現(xiàn)有的編隊任務燃料均衡方法僅是為了均衡而均衡，通過每次控制規(guī)劃使得不同衛(wèi)星扮演輔星，這樣將導致參考軌道的地面軌跡出現(xiàn)跳變，不利于編隊任務有效載荷的工作以及任務長期規(guī)劃；另外，編隊任務燃料均衡的根本原因不單純是影響任務壽命，更重要的是由于燃料不均衡導致星間面質比差異變大，從而使得編隊構形不穩(wěn)定，因此燃料均衡的判斷條件應該是依據(jù)構形穩(wěn)定引出閾值判斷，而非現(xiàn)在與單次控制相結合的均衡判斷。實際上，工程上燃料均衡是存在一定裕度邊界的，這樣是現(xiàn)有技術的燃料均衡所忽略缺失的地方，因此更加消耗燃料；

2、提高衛(wèi)星自主化水平衛(wèi)星自主化運行是未來發(fā)展的趨勢，能夠克服傳統(tǒng)的依賴地面系統(tǒng)控制方式需要大量的人力物力,運營成本高,處理故障和突發(fā)事件的能力差，不能勝任復雜的控制任務等不足，該方法能夠在軌自主運行，是在軌自主精密編隊的支撐技術與前提條件。

3、算法可實現(xiàn)、適用和可靠性強編隊衛(wèi)星系統(tǒng)燃料均衡管理全過程清晰，從相關判斷量計算到通過主輔星切換控制實現(xiàn)燃料均衡，意義明確，無諸如遺傳算法、粒子群算法等復雜算法，能夠在軌自主實現(xiàn)；特別的，現(xiàn)有技術手段僅針對控制過程燃料消耗建議約束，本方法不僅考慮燃料消耗，同時考慮編隊控制精度，因此當無法預估編隊燃料消耗或者預估不準確的情況下，仍能進行燃料均衡管理，方法可靠性和適用性強，保證了編隊任務運行的品質。

附圖說明

以下將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1為本發(fā)明涉及的編隊衛(wèi)星系統(tǒng)燃料均衡管理工程化流程圖；

圖2為本發(fā)明涉及的Hill坐標系下編隊參數(shù)示意圖；

圖3為本發(fā)明涉及的編隊衛(wèi)星系統(tǒng)主輔星切換示意圖；

圖4為本發(fā)明涉及的編隊衛(wèi)星系統(tǒng)全壽命燃料均衡實現(xiàn)過程示意圖。

圖5為本發(fā)明涉及的編隊衛(wèi)星系統(tǒng)燃料均衡管理雙層觸發(fā)條件示意圖。

具體實施方式

星間燃料消耗的差異不僅影響編隊衛(wèi)星的壽命，更通過加劇大氣阻力的攝動影響從而影響編隊構形(編隊衛(wèi)星之間的空間相對關系)的穩(wěn)定性以及編隊控制的精度。因此，編隊衛(wèi)星系統(tǒng)需要進行星間的燃料均衡管理。針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明解決的技術問題是提供一種編隊衛(wèi)星燃料均衡在軌實現(xiàn)的方法，能夠實現(xiàn)星上自主燃料均衡管理。

下面進一步對本發(fā)明的工作過程，整個方法流程如如圖1所示，具體詳見以下描述：

步驟1第k次(k≥1)編隊控制后，衛(wèi)星自主根據(jù)氣瓶和推進劑貯箱內的壓力和溫度測量數(shù)據(jù)，利用氣體狀態(tài)方程計算出推進劑貯箱內氦氣體積,再由貯箱總容積和推進劑密度計算出貯箱內推進劑體積和質量，即壓力—體積—溫度(PVT法)計算出該次編隊控制燃料消耗量E_k；

其中，PVT法基本原理過程參考《合多種剩余推進劑測量方法的應用研究》。

步驟2第k次(k≥1)編隊控制后，根據(jù)星載GNSS接收機星間測量數(shù)據(jù)利用EKF/UKF濾波算法確定運行2個衛(wèi)星軌道周期編隊控制參數(shù)Δl_k確定；

其中，為了描述目輔星相對于主星的相對運動，需要定義基于開普勒軌道根數(shù)相對軌道根數(shù)矢量：

式中，下標1表示主星絕對軌道根數(shù)，下標2表示輔星絕對軌道根數(shù)。則Δl＝a₁(coti₁Δi_y+Δu)。

步驟3將編隊控制燃料累計消耗量之和SE_k以及該次編隊控制殘差Δl_k代入下式：

SE_k≥k₁&&|Δl_k|≥k₂ (1)

其中，k₁、k₂為閾值，k₁由星間面質比差異約束條件確定，一般在8kg～20kg之間，k₂由編隊控制精度指標約束確定，一般在20m～40m之間，具體值需要根據(jù)具體衛(wèi)星狀態(tài)確定，SE_k＝E₁+.......+E_k，“&&”表示邏輯或關系。

步驟4若上式成立，星上自主完成主輔星(主星為參考星，輔星為跟隨星)標志切換，先由地面上注指令或星上自主進行主輔星切換控制(即主星、輔星絕對運行軌道切換控制)，使得新主星運行在參考軌道上，然后參數(shù)置初始值(包括k重新從1開始，SE_k重新從0開始)，接著新的輔星執(zhí)行編隊控制任務，重復1～3；若上式不成立，繼續(xù)由原輔星進行編隊控制。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。