CN101786505A - 基于气动力姿态控制的低轨飞行器及其姿态控制方法 - Google Patents
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Abstract
基于气动力姿态控制的低轨飞行器及其姿态控制方法，它涉及一种低轨飞行器及其姿态控制方法，它解决了目前低轨飞行器及其姿态控制方法的燃料消耗量大及飞行器在轨寿命短的问题。低轨飞行器包括飞行器本体、一对俯仰向姿态控制气动力辅助板、一对偏航向姿态控制气动力辅助板、第一转动机械臂、第二转动机械臂、第三转动机械臂和第四转动机械臂；低轨飞行器的姿态控制方法：获取所述低轨飞行器的当前姿态角以及目标姿态角，结合飞行器姿态动力学与运动学模型，求取需偏转的部件及角度，并转动所述部件，再计算此时的偏差角，当偏差角在允许范围内时结束控制过程。本发明适用于200～500km高度低轨飞行器的姿态控制领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种低轨飞行器及其姿态控制方法。
背景技术
随着地震、火灾以及***等突发事件对低成本、高重访频率以及高分辨率观测的需求，低地球轨道飞行器受到越来越多的关注。低轨飞行器在轨运行过程中主要受到气动力的影响，主要表现为对飞行器轨道与姿态的影响。现有低轨飞行器及其姿态控制方法大多采用主动式，如喷气控制、零动量轮控制、偏置动量轮控制、控制力矩陀螺控制等，这些控制方法的燃料消耗量大，由此导致飞行器在轨寿命短，同时这些控制方法中的控制***较为复杂。
发明内容
本发明的目的是解决目前现有低轨飞行器及其姿态控制方法的燃料消耗量大以及由此导致的飞行器在轨寿命短的问题，提供了一种基于气动力姿态控制的低轨飞行器及其姿态控制方法。
基于气动力姿态控制的低轨飞行器，它包括飞行器本体、一对俯仰向姿态控制气动力辅助板、一对偏航向姿态控制气动力辅助板、第一转动机械臂、第二转动机械臂、第三转动机械臂和第四转动机械臂，其中，所述俯仰向姿态控制气动力辅助板由第一气动力辅助板和第二气动力辅助板组成，偏航向姿态控制气动力辅助板由第三气动力辅助板和第四气动力辅助板组成；
所述第一转动机械臂的一端、第二转动机械臂的一端、第三转动机械臂的一端和第四转动机械臂的一端分别连接飞行器本体的尾部，第一转动机械臂的另一端、第二转动机械臂的另一端、第三转动机械臂的另一端和第四转动机械臂的另一端分别指向飞行器本体的上后方、下后方、左后方和右后方，且第一转动机械臂的另一端连接第一气动力辅助板，并使第一气动力辅助板能够以第一转动机械臂的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第二转动机械臂的另一端连接第二气动力辅助板，并使第二气动力辅助板能够以第二转动机械臂的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第三转动机械臂的另一端连接第三气动力辅助板，并使第三气动力辅助板能够以第三转动机械臂的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第四转动机械臂的另一端连接第四气动力辅助板，并使第四气动力辅助板能够以第四转动机械臂的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转；
所述飞行器本体为轴对称柱体，且所述第一转动机械臂、第二转动机械臂、第三转动机械臂和第四转动机械臂关于飞行器本体的中心轴线对称设置。
上述基于气动力姿态控制的低轨飞行器的姿态控制方法，它的过程为：
步骤一、以飞行器姿态测量敏感器获取所述低轨飞行器的当前姿态角以及依据任务规划确定低轨飞行器的目标姿态角，计算并获得当前姿态角和目标姿态角的偏差角；
步骤二、根据当前姿态角和目标姿态角的偏差角并利用带有气动力辅助板的飞行器姿态动力学与运动学模型，计算并获得俯仰向姿态控制气动力辅助板和偏航向姿态控制气动力辅助板中需要偏转的部件及所述部件需偏转的角度，然后根据计算结果将需要偏转的部件偏转相应的角度；
步骤三、获取低轨飞行器的当前姿态角，并计算当前姿态角与目标姿态角的偏差角，判断此偏差角是否在允许的误差范围内：若是，则执行步骤四；否则，返回执行步骤二；
步骤四、令步骤二中被转动的部件回复初始状态，结束控制过程。
本发明的积极效果：本发明采用大气动力实现了低轨飞行器的姿态控制，利用本发明的低轨飞行器及其姿态控制方法，可以有效提高减少低轨飞行器入轨时的推进剂携带量，并在不增加推进剂消耗的情况下提高低轨飞行器在轨服务的寿命。
附图说明
图1为本发明实施方式二的低轨飞行器的前视图；图2为本发明实施方式二的低轨飞行器的侧视图；图3为本发明实施方式二的低轨飞行器的俯视图；图4为本发明实施方式二的低轨飞行器的立体图；图5为本发明实施方式三的低轨飞行器的侧视图；图6为本发明实施方式三的低轨飞行器的俯视图；图7为本发明实施方式四的姿态控制方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的基于气动力姿态控制的低轨飞行器，它包括飞行器本体1、俯仰向姿态控制气动力辅助板、偏航向姿态控制气动力辅助板、第一转动机械臂5、第二转动机械臂6、第三转动机械臂7和第四转动机械臂8，其中，所述俯仰向姿态控制气动力辅助板由第一气动力辅助板21和第二气动力辅助板22组成，偏航向姿态控制气动力辅助板由第三气动力辅助板31和第四气动力辅助板32组成；
所述第一转动机械臂5的一端、第二转动机械臂6的一端、第三转动机械臂7的一端和第四转动机械臂8的一端分别连接飞行器本体1的尾部，第一转动机械臂5的另一端、第二转动机械臂6的另一端、第三转动机械臂7的另一端和第四转动机械臂8的另一端分别指向飞行器本体1的上后方、下后方、左后方和右后方，且第一转动机械臂5的另一端连接第一气动力辅助板21，并使第一气动力辅助板21能够以第一转动机械臂5的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第二转动机械臂6的另一端连接第二气动力辅助板22，并使第二气动力辅助板22能够以第二转动机械臂6的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第三转动机械臂7的另一端连接第三气动力辅助板31，并使第三气动力辅助板31能够以第三转动机械臂7的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第四转动机械臂8的另一端连接第四气动力辅助板32，并使第四气动力辅助板32能够以第四转动机械臂8的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转；
所述飞行器本体1为轴对称柱体，且所述第一转动机械臂5、第二转动机械臂6、第三转动机械臂7和第四转动机械臂8关于飞行器本体1的中心轴线对称设置。
所述飞行器本体1的横截面为中心对称多边形或圆形。
具体实施方式二：与实施方式一不同的是，本实施方式还包括两个楔形副翼4，且所述楔形副翼（4）的横截面为楔形，其中一个楔形副翼4位于飞行器本体1的左侧并与飞行器本体1左侧表面连接，另一个楔形副翼4位于飞行器本体1的右侧并与飞行器本体1的右侧表面连接。
每个楔形副翼4为由五块板组成的密封体，其中，所述五块板包括三块规格相同的矩形板和两块三角板，所述三块矩形板依次首尾相连组成一个中空的三角形柱体，所述两块三角板分别置于该三角形柱体的上底面处和下底面处，且该五块板的连接处均为密封连接。
在本实施方式中，俯仰向姿态控制气动力辅助板和偏航向姿态控制气动力辅助板采用可转动机械臂与飞行器本体1连接，当俯仰向姿态控制气动力辅助板和偏航向姿态控制气动力辅助板中的各个气动力辅助板偏置特定角度后，可使得低轨飞行器的质心与压心间的距离发生变化，进而产生所需的气动力矩。
俯仰向姿态控制气动力辅助板负责俯仰向姿态控制；偏航向姿态控制气动力辅助板负责偏航向姿态控制；俯仰向姿态控制气动力辅助板和偏航向姿态控制气动力辅助板配合使用时，即可实现滚转向姿态控制，即转动俯仰向姿态控制气动力辅助板和偏航向姿态控制气动力辅助板中的各个气动力辅助板，使第一气动力辅助板21、第二气动力辅助板22、第三气动力辅助板31和第四气动力辅助板32各自转动特定角度后的分布类似于风车上的叶片，两个楔形副翼4使滚转轴转动较小角度时就能使上下表面有较大机动角；当无需姿态控制时，使俯仰向姿态控制气动力辅助板和偏航向姿态控制气动力辅助板中的各个气动力辅助板转到沿气流方向，以减少飞行器的气动阻力干扰。本实施方式可同时实现俯仰、滚转和偏航三个通道的姿态控制。
参见图4，X向为低轨飞行器的飞行方向，X轴是低轨飞行器的滚转轴，Y轴是低轨飞行器的俯仰轴，Z轴是低轨飞行器的偏航轴，其中X-Y平面与地面平行。本实施方式的低轨飞行器在轨飞行过程中，飞行方向以最小迎风面积为最佳情况。
本实施方式采用气动力辅助板加楔形副翼的外形设计，通过控制辅助板与楔形副翼，可实现低轨飞行器俯仰、滚转与偏航三个通道的姿态机动与稳定控制。本发明适用于200～500km高度低轨飞行器的姿态控制，且可依据具体的任务选择采用单独气动力辅助板的方式，也可采用气动力辅助板加楔形副翼的方式，对空间任务具有一定的扩展能力。
具体实施方式三：与实施方式一不同的是，本实施方式还包括第一气动力辅助板副翼9、第二气动力辅助板副翼10、第五转动机械臂11和第六转动机械臂12，其中第五转动机械臂11的一端连接飞行器本体1的左侧，第六转动机械臂12的一端连接飞行器本体1的右侧，第五转动机械臂11的另一端连接第一气动力辅助板副翼9，并使第一气动力辅助板副翼9能够以第五转动机械臂11的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第六转动机械臂12的另一端连接第二气动力辅助板副翼10，并使第二气动力辅助板副翼10能够以第六转动机械臂12的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转。
具体实施方式四：本实施方式是实施方式一所述的基于气动力姿态控制的低轨飞行器的姿态控制方法，它的过程如下：
步骤一、以飞行器姿态测量敏感器获取所述低轨飞行器的当前姿态角以及依据任务规划确定低轨飞行器的目标姿态角，计算并获得当前姿态角和目标姿态角的偏差角；
步骤二、根据当前姿态角和目标姿态角的偏差角并利用带有气动力辅助板的飞行器姿态动力学与运动学模型，计算并获得俯仰向姿态控制气动力辅助板和偏航向姿态控制气动力辅助板中需要偏转的部件及所述部件需偏转的角度，然后根据计算结果将需要偏转的部件偏转相应的角度；
步骤三、获取低轨飞行器的当前姿态角，并计算当前姿态角与目标姿态角的偏差角，判断此偏差角是否在允许的误差范围内：若是，则执行步骤四；否则，返回执行步骤二；
步骤四、令步骤二中被转动的部件回复初始状态，结束控制过程。
具体实施方式五：本实施方式是对实施方式四的进一步限定，所述基于气动力姿态控制的低轨飞行器还包括两个楔形副翼4，步骤二所述过程为：
根据当前姿态角和目标姿态角的偏差角并利用带有气动力辅助板的飞行器姿态动力学与运动学模型，计算并获得俯仰向姿态控制气动力辅助板、偏航向姿态控制气动力辅助板和楔形副翼4中需要偏转的部件及所述部件需偏转的角度，然后根据计算结果将需要偏转的部件偏转相应的角度。
本实施方式采用气动力实现了低轨飞行器的姿态控制，可依据具体任务要求对俯仰向姿态控制气动力辅助板、偏航向姿态控制气动力辅助板和楔形副翼4进行适应性配置，使得所提出的方法具备了良好的可配置性和扩展性。对于200～500km的低轨，本实施方式的姿态控制方法可以有效减少低轨飞行器入轨时的推进剂携带量，并在不增加推进剂消耗的情况下提高低轨飞行器在轨服务的寿命。
具体实施方式六：本实施方式是对实施方式四的进一步限定，所述基于气动力姿态控制的低轨飞行器还包括第一气动力辅助板副翼、第二气动力辅助板副翼、第五转动机械臂和第六转动机械臂，步骤二所述过程为：
根据当前姿态角和目标姿态角的偏差角并利用带有气动力辅助板的飞行器姿态动力学与运动学模型，计算并获得俯仰向姿态控制气动力辅助板、偏航向姿态控制气动力辅助板、第一气动力辅助板副翼和第二气动力辅助板副翼中需要偏转的部件及所述部件需偏转的角度，然后根据计算结果将需要偏转的部件偏转相应的角度。
下面应用本实施方式，给出一个具体实施例：
步骤一、以飞行器姿态测量敏感器获取所述低轨飞行器的当前姿态角以及依据任务规划确定低轨飞行器的目标姿态角，计算并获得当前姿态角和目标姿态角的偏差角；
步骤二所述的带有气动力辅助板的飞行器姿态动力学与运动学模型为：
上式中，是第五转动机械臂11需要偏转的角度，
是第六转动机械臂12需要偏转的机动角度，是第一转动机械臂5需要偏转的角度，是第二转动机械臂6需要偏转的角度，
是第三转动机械臂7需要偏转的角度，
是第四转动机械臂8需要偏转的角度，
为滚转角，
为俯仰角，
为偏航角，
分别为滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度，，分别为滚转角加速度、俯仰角加速度和偏航角加速度，式中系数分别为：
其中，A为滚转轴主转动惯量，B为俯仰轴主转动惯量，C为偏航轴主转动惯量，C 1为第一转动机械臂5需要偏转角度的姿态动力学系数，C 2为第二转动机械臂6需要偏转角度的姿态动力学系数，C 3为第三转动机械臂7需要偏转角度的姿态动力学系数，为第四转动机械臂8需要偏转角度的姿态动力学系数，C 1ail 为第五转动机械臂11需要偏转角度的姿态动力学系数，C 2ail 为第六转动机械臂12需要偏转角度的姿态动力学系数，n为飞行器轨道角速度，C ψ 为偏航轴姿态运动学系数，C θ 为俯仰轴姿态运动学系数。
所述控制算法选择比例-微分控制算法，表示如下：
其中，
为滚转轴控制力矩，
为俯仰轴控制力矩，
为偏航轴控制力矩，
分别为滚转轴、俯仰轴和偏航轴的微分系数，
分别为滚转轴、俯仰轴和偏航轴的比例系数。
本例中***采用了线性化模型，在控制参数选择上可选范围比较大，在一定范围内选择不同参数时，不影响其最终的稳定只是影响其收敛时间。本例所选控制参数为：
计算获得
、
、
、
、
以及
，按照以上结果偏转相应的部件，即可实现各个通道的力矩亦即各通道气动力辅助板的偏转来控制飞行器的姿态，从而达到调整姿态的目的。
再计算此时低轨飞行器的当前姿态角与目标姿态角的偏差角，此时偏差角在允许范围内，因此复位所有部件后结束该控制过程。
本实施方式能够有效降低低轨飞行器姿态控制***的复杂程度，能够减小姿态控制带来的燃料消耗量，从而可以延长低轨飞行器在轨寿命。本实施方式利用大气阻力进行姿态控制，将气动阻力对低轨飞行器的干扰作用转化为主动作用，简化低轨飞行器姿态控制方法，提高了可靠性并降低了成本，不仅能够有效减少卫星能源消耗，并且对于低轨道卫星利用气动力控制，能够得到足够的姿态稳定和轨道精度，为将来的低成本低功耗的低轨飞行器的控制提供一种新的策略。
Claims (8)
1. 基于气动力姿态控制的低轨飞行器，其特征在于它包括飞行器本体（1）、俯仰向姿态控制气动力辅助板、偏航向姿态控制气动力辅助板、第一转动机械臂（5）、第二转动机械臂（6）、第三转动机械臂（7）和第四转动机械臂（8），其中，所述俯仰向姿态控制气动力辅助板由第一气动力辅助板（21）和第二气动力辅助板（22）组成，偏航向姿态控制气动力辅助板由第三气动力辅助板（31）和第四气动力辅助板（32）组成；
所述第一转动机械臂（5）的一端、第二转动机械臂（6）的一端、第三转动机械臂（7）的一端和第四转动机械臂（8）的一端分别连接飞行器本体（1）的尾部，第一转动机械臂（5）的另一端、第二转动机械臂（6）的另一端、第三转动机械臂（7）的另一端和第四转动机械臂（8）的另一端分别指向飞行器本体（1）的上后方、下后方、左后方和右后方，且第一转动机械臂（5）的另一端连接第一气动力辅助板（21），并使第一气动力辅助板（21）能够以第一转动机械臂（5）的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第二转动机械臂（6）的另一端连接第二气动力辅助板（22），并使第二气动力辅助板（22）能够以第二转动机械臂（6）的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第三转动机械臂（7）的另一端连接第三气动力辅助板（31），并使第三气动力辅助板（31）能够以第三转动机械臂（7）的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第四转动机械臂（8）的另一端连接第四气动力辅助板（32），并使第四气动力辅助板（32）能够以第四转动机械臂（8）的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转；
所述飞行器本体（1）为轴对称柱体，且所述第一转动机械臂（5）、第二转动机械臂（6）、第三转动机械臂（7）和第四转动机械臂（8）关于飞行器本体（1）的中心轴线对称设置。
2. 根据权利要求1所述的基于气动力姿态控制的低轨飞行器，其特征在于所述飞行器本体（1）的横截面为中心对称多边形或圆形。
3. 根据权利要求1或2所述的基于气动力姿态控制的低轨飞行器，其特征在于它还包括两个楔形副翼（4），且所述楔形副翼（4）的横截面为楔形，其中一个楔形副翼（4）位于飞行器本体（1）的左侧并与飞行器本体（1）左侧表面连接，另一个楔形副翼（4）位于飞行器本体（1）的右侧并与飞行器本体（1）的右侧表面连接。
4.根据权利要求3所述的基于气动力姿态控制的低轨飞行器，其特征在于每个楔形副翼（4）为由五块板组成的密封体，其中，所述五块板包括三块规格相同的矩形板和两块三角板，所述三块矩形板依次首尾相连组成一个中空的三角形柱体，所述两块三角板分别置于该三角形柱体的上底面处和下底面处，且该五块板的连接处均为密封连接。
5.根据权利要求1所述的基于气动力姿态控制的低轨飞行器，其特征在于它还包括第一气动力辅助板副翼（9）、第二气动力辅助板副翼（10）、第五转动机械臂（11）和第六转动机械臂（12），其中第五转动机械臂（11）的一端连接飞行器本体（1）的左侧，第六转动机械臂（12）的一端连接飞行器本体（1）的右侧，第五转动机械臂（11）的另一端连接第一气动力辅助板副翼（9），并使第一气动力辅助板副翼（9）能够以第五转动机械臂（11）的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转，第六转动机械臂（12）的另一端连接第二气动力辅助板副翼（10），并使第二气动力辅助板副翼（10）能够以第六转动机械臂（12）的中心轴线为中心轴进行受驱动后的旋转。
6.权利要求1所述的基于气动力姿态控制的低轨飞行器的姿态控制方法，其特征在于它的过程如下：
步骤一、以飞行器姿态测量敏感器获取所述低轨飞行器的当前姿态角以及依据任务规划确定低轨飞行器的目标姿态角，计算并获得当前姿态角和目标姿态角的偏差角；
步骤二、根据当前姿态角和目标姿态角的偏差角并利用带有气动力辅助板的飞行器姿态动力学与运动学模型，计算并获得俯仰向姿态控制气动力辅助板和偏航向姿态控制气动力辅助板中需要偏转的部件及所述部件需偏转的角度，然后根据计算结果将需要偏转的部件偏转相应的角度；
步骤三、获取低轨飞行器的当前姿态角，并计算当前姿态角与目标姿态角的偏差角，判断此偏差角是否在允许的误差范围内：若是，则执行步骤四；否则，返回执行步骤二；
步骤四、令步骤二中被转动的部件回复初始状态，结束控制过程。
7.根据权利要求6所述的低轨飞行器的姿态控制方法，其特征在于所述基于气动力姿态控制的低轨飞行器还包括两个楔形副翼（4），步骤二所述过程为：
根据当前姿态角和目标姿态角的偏差角并利用带有气动力辅助板的飞行器姿态动力学与运动学模型，计算并获得俯仰向姿态控制气动力辅助板、偏航向姿态控制气动力辅助板和楔形副翼（4）中需要偏转的部件及所述部件需偏转的角度，然后根据计算结果将需要偏转的部件偏转相应的角度。
8.根据权利要求6所述的低轨飞行器的姿态控制方法，其特征在于所述基于气动力姿态控制的低轨飞行器还包括第一气动力辅助板副翼（9）、第二气动力辅助板副翼（10）、第五转动机械臂（11）和第六转动机械臂（12），步骤二所述过程为：
根据当前姿态角和目标姿态角的偏差角并利用带有气动力辅助板的飞行器姿态动力学与运动学模型，计算并获得俯仰向姿态控制气动力辅助板、偏航向姿态控制气动力辅助板、第一气动力辅助板副翼（9）和第二气动力辅助板副翼（10）中需要偏转的部件及所述部件需偏转的角度，然后根据计算结果将需要偏转的部件偏转相应的角度。
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