基于发动机前后配置的姿轨控制方法

摘要

基于发动机前后配置的姿轨控制方法，在航天器的前端和后端分别配置平移发动机，对发动机开机进行组合，分别在航天器横向运动方向、俯仰和偏航方向对航天器进行位置控制和姿态控制。根据航天器质心位置，由平移控制力需求计算前后平移发动机位置开机系数ki1，计算原则是航天器前、后同方向的发动机产生的推力大小和方向与控制力需求相同，且前、后发动机产生的力矩大小相等；由姿态控制力矩需求计算前后发动机姿态开机系数ki2，计算原则是航天器前、后反方向的发动机产生的力矩大小和方向与控制力矩需求相同，且前、后反方向发动机产生的推力大小相等；最后计算平移发动机总开机系数ki＝ki1+ki2并进行归1化处理后开发动机完成姿轨控制。

主权项

基于发动机前后配置的姿轨控制方法，其特征在于步骤如下：(1)在航天器的前端和后端分别配置平移发动机，其中M个平移发动机分别布置在航天器前端4个象限线上，推力指向外，推力大小分别为f1～fM，另外N个平移发动机分别布置在航天器后端4个象限线上，推力指向外，推力大小分别为fM+1～fM+N；(2)建立航天器本体系oxyz，其原点o为航天器的质心，x轴为航天器纵轴，指向航天器头部，y轴沿航天器的横向，垂直于纵轴，与航天器横向的一个主惯量轴一致，z轴与x、y轴构成右手系；(3)对平移发动机进行组合，分别在y轴的正负方向和z轴的正负方向对航天器进行位置控制和姿态控制，组合结果如下：位置控制时：+y轴k11*F1+k51*F5 -y轴k21*F2+k61*F6 +z轴k31*F3+k71*F7 -z轴k41*F4+k81*F8姿态控制时：+y轴k42*F4+k72*F7 -y轴k32*F3+k82*F8 +z轴k12*F1+k62*F6 -z轴k22*F2+k52*F5其中，F1～F4分别为航天器前端+y轴、-y轴、+z轴、-z轴四个方向平移发动机f1～fM的总推力，F5～F8分别为航天器后端+y轴、-y轴、+z轴、-z轴四个方向平移发动机fM+1～fM+N的总推力，k11、k21、k31、k41、k51、k61、k71、k81、k12、k22、k32、k42、k52、k62、k72、k82为平移发动机的开机系数，代表平移发动机的实际推力输出控制量；(4)获取航天器的质心位置；(5)根据航天器的质心位置和平移控制力需求计算前后平移发动机位置控制开机系数ki1，i＝1，2，3……8，计算原则是航天器前端和后端同方向的平移发动机产生的推力大小和方向与平移控制力需求相同，且航天器前端和后端同方向的平移发动机产生的力矩大小相等，方向相反；(6)根据航天器的质心位置和姿态控制力矩需求计算前后平移发动机姿态开机系数ki2，计算原则是航天器前端和后端反方向的平移发动机共同产生力矩的大小和方向与姿态控制力矩需求相同，且航天器前端和后端反方向的平移发动机产生的推力大小相等，方向相反；(7)确定最终的平移发动机总开机系数ki＝ki1+ki2；如果计算得到的平移发动机总开机系数小于1，则该方向上的平移发动机按照燃料节约的原则组合并按照该系数开机；如果计算得到的平移发动机总开机系数大于1，则需要对其进行归1化处理，归1化处理的原则是优先姿态控制；对于ki，当ki＞1时，归1化处理原则如下：(a)如果ki2≥1，则Fi方向平移发动机的开机系数为ki＝1，航天器另一端与Fi反方向平移发动机的姿控开机系数变为 k j 2 ′ = k j 2 k i 2 , j≠i，且j∈(1，2，3，4，5，6，7，8)；(b)如果ki2＜1，设Δki＝1-ki2，则Fi平移发动机的开机系数为ki＝1，航天器另一端与Fi同方向平移发动机的姿控开机系数变为 k p 1 ′ = k p 1 · Δki k i 1 , p≠i，且p∈(1，2，3，4，5，6，7，8)；在得到归1化处理后的平移发动机总开机系数ki后，该方向的所有平移发动机按照燃料节约的原则组合，使得该方向按照归1化处理后的平移发动机总开机系数ki开机。