嫦娥一号探月中的控制技术

嫦娥一号探月中的控制技术
嫦娥一号卫星是我国第一个月球探测卫星,其研制和发射是我国深空探测活动的开端。

嫦娥一号卫星共有11个分系统组成:即总体,测试两个综合分系统;平台部分的结构,热控,制导、导航与控制、能源、推进、数据管理(OBDH)、测控数传、定向天线八个分系统及有效载荷分系统。

本文主要对嫦娥一号GNC（制导、导航与控制）系统进行粗略分析。

嫦娥一号卫星GNC系统完成了许多复杂任务。

在调相轨道,GNC系统执行一系列姿态机动和轨道控制,使卫星在适当时间转入地月转移轨道。

在地月转移轨道,GNC系统保证卫星对太阳定向,并执行几次轨道中途修正,使卫星捕获预定环月轨道起始点。

在月球轨道捕获阶段, GNC系统执行几次轨控发动机点火,使卫星捕获月球轨道并进入标称环月轨道。

在环月轨道, GNC系统使卫星本体对月球定向、太阳帆板对太阳定向、定向天线对地球定向。

嫦娥一号卫星GNC系统的敏感器包括太阳敏感器、星敏感器、紫外月球敏感器、速率积分陀螺和加速度计;执行机构包括飞轮装置、推力器、帆板驱动装置、天线驱动装置和轨控发动机;控制器包括控制计算机、应急计算机、配电器和二次电源。

GNC系统的软件包括控制计算机系统软件、应用软件,应急软件和部件LTU软件。

LTU通过内部总线与控制计算机相连,构成计算机控制网络。

控制系统的这种分布式体系结构保证GNC分系统高效、可靠、实时地实现嫦娥一号卫星的控制功能和性能。

1、巡航期间的姿态控制
在卫星环月运行之前,除了轨控阶段,卫星运行于巡航姿态。

姿态确定是利用太阳敏感器的输出给出太阳矢量方向在卫星本体系的表示,然后根据太阳敏感器的安装矩阵计算卫星偏航角和俯仰角。

巡航姿态角速度的确定是利用速率积分陀螺的输出,然后根据陀螺的安装矩阵计算卫星三轴姿态角速度。

巡航姿态的控制分为太阳捕获和太阳定向两个阶段:在太阳捕获阶段,太阳敏感器输出,利用相平面控制算法,通过推力器点火驱使卫星旋转使太阳矢量进入数字太阳敏感器视场;在太阳定向阶段,通过数字太阳输出和陀螺输出外推,根据系统动力学,利用相平面控制算法和PID控制算法,通过推力器点火和飞轮转动保证卫星Xs轴指向太阳。

巡航姿态控制的特点是卫星既可以绕Xs轴慢旋,也可以使Xs轴绕俯仰轴偏
置并绕太阳矢量慢旋。

这种运动状态一方面可满足卫星总体测控需求,另一方面可有效避免推力器喷气对卫星轨道的影响。

2、轨道控制
奔月轨道的特点是预先设定地月转移标称轨道。

实际轨道与标称轨道的初始微小偏差经5天的飞行放大,可能导致卫星撞月或离月。

因此,变轨的高精度控制成为一大技术难点。

而要实现变轨的高精度控制就要面对复杂的卫星对象。

正如上节动力学描述,严格意义上讲,嫦娥一号卫星刚体平动与转动、挠性振动和液体晃动互相耦合,在快速机动过程又有三轴非线性耦合影响,控制系统稍有疏忽就可能引发多种运动与控制系统相互作用从而导致系统不稳定。

要保证轨控精度,卫星从太阳定向姿态就必须实施姿态快速机动转到轨控定向姿态,其中凸现三轴耦合的非线性问题;在490N发动机点火期间,轨控定向要高精度维持预定惯性指向,其中凸现推力偏斜干扰、挠性振动和液体晃动的抑制问题; 490N发动机必须在预定时间点开机并且在预定速度增量点关机,其中凸现点火时间精准问题。

这些问题涉及一系列复杂的姿态机动控制、姿态维持控制和变轨制导控制,与此同时强调及时(实时性)、准确 (高精度)和可靠(可靠性)。

为此,GNC系统创造性地设计了星上网络控制系统,提出了在线规划调度和新型控制方法,高标准实现了变轨控制过程中的姿态控制和轨道控制。

其中:卫星姿态确定利用了星敏感器与陀螺联合定姿算法;卫星姿态机动利用了基于四元数的高品质相平面控制算法;卫星姿态维持利用了基于四元数的/PID+滤波器算法以及数字化脉宽调制算法;卫星导航利用了高精度加速度计;卫星制导利用了高精度、高可靠关机策略。

为保证系统可靠性,还创造性设计了自主故障诊断和系统重构以及自主变轨恢复方案。

变轨控制期间第三次近地点加速的在轨飞行
3、环月期间的卫星控制
在环月期间,日、地、月相对于卫星的运动关系变化复杂,卫星控制面临诸多技术挑战。

卫星本体对月定向,其技术难点是卫星轨道的实时计算和怎样利用对月定姿敏感器;太阳帆板跟踪太阳,其技术难点是太阳相对卫星轨道面以年为周期变化,不能照搬地球卫星太阳同步轨道帆板跟踪太阳方法;和双轴驱动的控制方法。

为此,在环月期间,姿态确定利用了星敏感器结合星上轨道外推以及紫外月球敏感器结合太阳敏感器综合定姿两套方案;本体对月定向姿态控制利用了基于
相平面的喷气控制结合基于PID算法的飞轮控制方法;太阳帆板对日定向和定向天线对地定向,则利用/两次垂直转动可以保证第三轴指向任意方向的基本原理;在此基础上,姿态控制系统根据创造的实用算法,并基于帆板驱动装置和双轴天线驱动装置,实现了定向控制目的。

这些方法使得卫星三体指向同时定向成为可能。

嫦娥一号卫星GNC系统任务复杂多变,它对系统实时性、可靠性和精度要求较高。

本文概要介绍了嫦娥一号卫星GNC系统组成、控制方法、系统特点。

嫦娥一号卫星GNC系统创造了几个第一:第一个高精度变轨控制系统,能够在国内第一次按地面指令时序自主完成复杂的490N发动机变轨控制;第一个三体定向控制系统,能够实时、高精度实现帆板跟踪太阳、定向天线跟踪地球、卫星本体有载荷一面跟踪月球;第一个飞控仿真与支持系统;第一次实现奔月轨道及其控制的高精度仿真;第一个月球紫外敏感器;第一个双轴天线驱动装置;第一个成功使用高精度加速度计于变轨控制中。

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