CN114013689B - 针对化学推进***的自动极性测试方法和故障排查方法 - Google Patents

针对化学推进***的自动极性测试方法和故障排查方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了针对化学推进***的自动极性测试方法和故障排查方法，属于航天器推进***极性测试技术领域，解决现有卫星入轨后，未进行推进***的安装极性测试的问题。本发明的方法包括：向卫星发送测试指令；执行推进***加电、自锁阀开启和电磁阀加电；设置预设时长，对姿控推力器执行点火操作，点火的时长为预设时长；在轨道系下，根据预设时长，获取姿控推力器分别在三个轴上的期望角动量变化量和实际角动量变化量；根据期望角动量变化量和实际角动量变化量，判断姿控推力器的极性是否正确；遍历卫星上所有的姿控推力器，依次判断姿控推力器的极性是否正确。本发明适用于卫星入轨后，卫星的化学推进***的极性测试。

Description

针对化学推进***的自动极性测试方法和故障排查方法
技术领域
本申请涉及航天器推进***极性测试技术领域，尤其涉及针对化学推进***的自动极性测试方法和故障排查方法。
背景技术
卫星推进***入轨初期，其安装极性正确与否未知，如果极性不对，则轨控任务将无法进行。推进***入轨初期，其安装极性正确与否未知，如果极性不对，则轨控任务将无法进行。
现有技术中，卫星推进***均是在地面来测试推进***极性，航天器入轨后，未进行安装极性测试，如果地面某一测试环节出错，没有发现安装极性不正确，这样一来，做轨控任务时会导致姿态翻转，因此在轨进行推进极性复测是非常有必要的。
发明内容
本发明目的是为了解决现有卫星入轨后，未进行推进***的安装极性测试的问题，提供了针对化学推进***的自动极性测试方法和故障排查方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种针对化学推进***的自动极性测试方法，所述方法包括：
步骤1、向卫星发送测试指令；
步骤2、执行推进***加电、自锁阀开启和电磁阀加电；
步骤3、设置预设时长，对所述姿控推力器执行点火操作，所述点火的时长为所述预设时长；
步骤4、在轨道系下，根据所述预设时长，获取所述姿控推力器分别在三个轴上的期望角动量变化量和实际角动量变化量；
步骤5、根据所述期望角动量变化量和所述实际角动量变化量，判断所述姿控推力器的极性是否正确；
步骤6、遍历所述卫星上所有的姿控推力器，依次判断姿控推力器的极性是否正确。
进一步地，所述向卫星发送测试指令之前，还包括：确认卫星进入姿态稳定状态。
进一步地，所述执行推进***加电、自锁阀开启和电磁阀加电，具体包括：
步骤2.1、给推进***加电；
步骤2.2、判断所述推进***是否处于加电状态，若所述推进***处于加电状态，执行下一步骤；否则，返回执行步骤2.1或结束极性测试；
步骤2.3、开启自锁阀；
步骤2.4、判断所述自锁阀是否处于打开状态，若所述自锁阀处于打开状态，执行下一步骤；否则，返回执行步骤2.3或结束极性测试；
步骤2.5、给电磁阀加电；
步骤2.6、判断所述电磁阀是否处于加电状态，若所述电磁阀处于加电状态，执行下一步骤；否则，返回执行步骤2.5或结束极性测试。
进一步地，所述实际角动量变化量的获取方法为：
获取姿控推力器点火前分别在坐标系三个轴上的角动量和姿控推力器点火后分别在坐标系三个轴上的角动量；
在坐标系同一轴上，根据所述姿控推力器点火前的角动量和点火后的角动量的差值，获取实际角动量变化量。
进一步地，所述根据所述预设时长，获取所述姿控推力器分别在三个轴上的期望角动量变化量，具体为：
获取所述姿控推力器分别在三个轴上产生的力矩，具体为：
其中，i表示所述姿控推力器编号；F为所述姿控推力器的输出推力；θ为所述姿控推力器的安装斜角；LX、LY、LZ分别为在X轴、Y轴和Z轴上，所述姿控推力器到本体的距离；τXi，τYi，τZi分别为在X轴、Y轴和Z轴上，所述姿控推力器产生的力矩；
根据所述姿控推力器分别在三个轴上产生的力矩和所述预设时长，获取所述姿控推力器分别在三个轴上的期望角动量变化量，具体计算公式为：
ΔHiX＝τXitc
ΔHiY＝τYitc
ΔHiZ＝τZitc
其中，tc为所述预设时长,ΔHiX，ΔHiY，ΔHiZ分别为在X轴、Y轴和Z轴上，所述姿控推力器的期望角动量变化量。
进一步地，所述根据所述期望角动量变化量和所述实际角动量变化量，判断所述姿控推力器的极性是否正确，具体包括：
判断所述实际角动量变化量是否属于极性正确区间，所述极性正确区间的两个端点分别为所述期望角动量变化量和零点；
若所述实际角动量变化量属于所述极性正确区间，判断所述姿控推力器的极性正确；
否则，判断所述姿控推力器的极性不正确。
另一方面，基于上述针对化学推进***的自动极性测试方法，本发明提供一种针对化学推进***的故障排查方法，所述方法包括：
判断所述化学推进***中的一个姿控推力器的推力是否正常，若所述推力不正常，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，判定有故障，给出“推力故障排查”提示；
若所述推力正常，基于权利要求1所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法，判断所述姿控推力器的极性是否正确，若所述极性不正确，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，判断有故障，给出“极性故障排查”提示；
若所述极性正确，对所述化学推进***中的下一个姿控推力器进行上述处理，直至完成所有姿控推力器的故障处理。
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上文所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法的步骤。
本发明的有益效果：
本发明根据推进***在卫星上的安装位置来分析每一个推力器单独工作所产生的力矩，并采用力矩来计算卫星的三轴角动量变化及方向，并根据推进***的控制过程来设计了一套自动极性测试流程，并与计算的角动量和方向进行对比分析，进而判断推进***极性的正确性，可以实现对卫星的化学推荐***极性的自动测试，进而节省了测控资源，并能避免指令发送的错误概率。本发明可以节省测控资源和避免指令发送的错误概率
首先根据推进***在卫星上的安装位置来分析每一个推力器单独工作所产生的力矩，并采用力矩来计算卫星的三轴角动量变化及方向；其次根据推进***的控制过程来设计了一套自动极性测试流程，并与计算的角动量和方向进行对比分析；最后设计了极性测试过程中故障预案，即某一开关没有打开或者出现故障的应对措施。
本发明适用于卫星入轨后，卫星的化学推进***的极性测试。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为姿控推力器安装布局；
图2为本发明的自动极性测试流程图；
图3为本实施方式极性测试过程中的角动量变化图。
具体实施方式
为了解决目前现有技术中存在的问题，本专利提供了一种基于化学推进***的自动极性测试方法，以单组元推进***来进行设计与实现，且使用的姿控推力器为四个。
实施方式一、参见图1和图2，一种针对化学推进***的自动极性测试方法，所述方法包括：
步骤1、向卫星发送测试指令；
步骤2、执行推进***加电、自锁阀开启和电磁阀加电；
步骤3、设置预设时长，对所述姿控推力器执行点火操作，所述点火的时长为所述预设时长；
步骤4、在轨道系下，根据所述预设时长，获取所述姿控推力器分别在三个轴上的期望角动量变化量和实际角动量变化量；
步骤5、根据所述期望角动量变化量和所述实际角动量变化量，判断所述姿控推力器的极性是否正确；
步骤6、遍历所述卫星上所有的姿控推力器，依次判断姿控推力器的极性是否正确。
本实施方式中，推进***设计安装在轨道系下的+X面或者－X面上，共有5个推力器，其中1个为轨控推力器，4个为姿控推力器，4个姿控推力器是对称安装的，具体安装布局如图1所示。
本实施方式根据推进***在卫星上的安装位置来分析每一个推力器单独工作所产生的力矩，采用力矩来计算卫星的三轴角动量变化及方向，并根据推进***的控制过程来设计了一套自动极性测试流程，与计算的角动量和方向进行对比分析，进而判断推进***极性的正确性。
实施方式二，本实施方式是对实施方式一所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法的进一步限定，本实施方式中，对向卫星发送测试指令之前的操作做了进一步限定，具体为：
所述向卫星发送测试指令之前，还包括：确认卫星进入姿态稳定状态。
在确保卫星进入姿态稳定状态后进行极性检测，用以保证极性检测的准确性，使得极性测试结果更准确。
实施方式三，参见图2，本实施方式是对实施方式一所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法的进一步限定，本实施方式中，对所述执行推进***加电、自锁阀开启和电磁阀加电这一步骤做了进一步限定，具体为：
步骤2.1、给推进***加电；
步骤2.2、判断所述推进***是否处于加电状态，若所述推进***处于加电状态，执行下一步骤；否则，返回执行步骤2.1或结束极性测试；
步骤2.3、开启自锁阀；
步骤2.4、判断所述自锁阀是否处于打开状态，若所述自锁阀处于打开状态，执行下一步骤；否则，返回执行步骤2.3或结束极性测试；
步骤2.5、给电磁阀加电；
步骤2.6、判断所述电磁阀是否处于加电状态，若所述电磁阀处于加电状态，执行下一步骤；否则，返回执行步骤2.5或结束极性测试。
针对单组元推进***的极性测试，在对姿控推力器点火测试之前，要将推进***加电、自锁阀打开、电磁阀加电，这些前提条件均具备后才可以开始点火，具体流程如图2所示。
实施方式四，本实施方式是对实施方式一所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法的进一步限定，本实施方式中，对所述实际角动量变化量的获取方法做了进一步限定，具体为：
获取姿控推力器点火前分别在坐标系三个轴上的角动量和姿控推力器点火后分别在坐标系三个轴上的角动量；
在坐标系同一轴上，根据所述姿控推力器点火前的角动量和点火后的角动量的差值，获取实际角动量变化量。
进一步地，正常情况下，发送开始测试指令，星上依此执行推进加电、自锁阀开、电磁阀加电，状态均正常后，推力器依此开tc秒，卫星可以自主计算角动量的变化和方向，进而获取实际角动量变化量。
本实施方式给出了每一个姿控推力器分别在坐标系中的X轴、Y轴和Z轴上的实际角动量变化量的计算方法，用于对姿控推力器的极性准确性判断。
实施方式五，本实施方式是对实施方式一所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法的进一步限定，本实施方式中，所述根据所述预设时长，获取所述姿控推力器分别在三个轴上的期望角动量变化量的步骤做了进一步限定，具体为：
获取所述姿控推力器分别在三个轴上产生的力矩，当轨控推力器工作时，会对姿态产生扰动，因此，采用4个姿控推力器来进行姿态稳定。则4个姿控推力器对3个轴产生的力矩为：
其中，i表示所述姿控推力器编号；F为所述姿控推力器的输出推力；θ为所述姿控推力器的安装斜角；LX、LY、LZ分别为在X轴、Y轴和Z轴上，所述姿控推力器到本体的距离，τXi，τYi，τZi分别为在X轴、Y轴和Z轴上，所述姿控推力器产生的力矩。
根据所述姿控推力器分别在三个轴上产生的力矩和所述预设时长，获取所述姿控推力器分别在三个轴上的期望角动量变化量，具体计算公式为：
ΔHiX＝τXitc (4)
ΔHiY＝τYitc (5)
ΔHiZ＝τZitc (6)
其中，tc为所述预设时长,ΔHiX，ΔHiY，ΔHiZ分别为在X轴、Y轴和Z轴上，所述姿控推力器的期望角动量变化量。
本实施方式给出了每一个姿控推力器分别在坐标系中的X轴、Y轴和Z轴上的期望角动量变化量的计算方法，用于对姿控推力器的极性准确性判断。
实施方式六，本实施方式是对实施方式一所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法的进一步限定，本实施方式中，对所述根据所述期望角动量变化量和所述实际角动量变化量，判断所述姿控推力器的极性是否正确的步骤做了进一步限定，具体为：
判断所述实际角动量变化量是否属于极性正确区间，所述极性正确区间的两个端点分别为所述期望角动量变化量和零点；
若所述实际角动量变化量属于所述极性正确区间，判断所述姿控推力器的极性正确；
否则，判断所述姿控推力器的极性不正确。
进一步地，本实施方式的设计思路为一键启动执行推进***极性测试，发送开始测试指令，星上依此执行推进加电、自锁阀开、电磁阀加电，状态均正常后，推力器依此开tc秒，卫星可以自主计算角动量的变化和方向，进而获取实际角动量变化量，并与期望的角动量变化量对比判断其正确性，4个推力器的安装位置已知，则期望角动量变化量可有式(4)～(6)获得，4个推力器的判断准则如下
其中，H1X_pre、H2X_pre、H3X_pre和H4X_pre为4个推力器点火前X轴角动量，HiX_pre＝IwX_pre+Hfly_X，其中Hfly_X为X轴飞轮角动量，wX_pre为点火前的卫星在X轴的角速度,卫星上可直接测得；H1X、H2X、H3X和H4X为4个推力器点火后X轴角动量，HiX＝IwX+Hfly_X，wX为点火后的卫星在X轴的角速度,卫星上可直接测得；H1Y_pre、H2Y_pre、H3Y_pre和H4Y_pre为4个推力器点火前Y轴角动量，HiY_pre＝IwY_pre+Hfly_Y，其中Hfly_Y为Y轴飞轮角动量，wY_pre为点火前的卫星在Y轴的角速度；卫星上可直接测得；H1Y、H2Y、H3Y和H4Y为4个推力器点火后Y轴角动量，HiY＝IwY+Hfly_Y,wY为点火后的卫星在Y轴的角速度；卫星上可直接测得；H1Z_pre、H2Z_pre、H3Z_pre和H4Z_pre为4个推力器点火前Z轴角动量，HiZ_pre＝IwZ_pre+Hfly_Z，其中Hfly_Z为Z轴飞轮角动量，wZ_pre为点火前的卫星在Z轴的角速度；卫星上可直接测得；H1Z、H2Z、H3Z和H4Z为4个推力器点火后Z轴角动量，HiZ＝IwZ+Hfly_Z,wZ为点火后的卫星在Z轴的角速度；卫星上可直接测得；ΔH1X、ΔH2X、ΔH3X和ΔH4X为4个推力器在X轴上期望的角动量变化量；ΔH1Y、ΔH2Y、ΔH3Y和ΔH4Y为4个推力器在Y轴上期望的角动量变化量；ΔH1Z、ΔH2Z、ΔH3Z和ΔH4Z为4个推力器在Z轴上期望的角动量变化量,满足式(7)～(10)时，则极性正确。
本实施方式给出了姿控推力器极性判断准则，可以根据该准则设计一套自动极性测试方法，节省测控资源和避免指令发送的错误概率。
本发明还提供了一种针对化学推进***的故障排查方法，并给出了该方法的具体实施方式，其实施方式为，所述方法包括：
判断所述化学推进***中的一个姿控推力器的推力是否正常，若所述推力不正常，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，判定有故障，给出“推力故障排查”提示；
需要说明的是，地面人员接到“推力故障排查”信息后，对推力***进行故障排查工作，后面遇到相同问题，采用相同处理方法。
若所述推力正常，基于权利要求1所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法，判断所述姿控推力器的极性是否正确，若所述极性不正确，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，判断有故障，给出“极性故障排查”提示；
若所述极性正确，对所述化学推进***中的下一个姿控推力器进行上述处理，直至完成所有姿控推力器的故障处理。
进一步地，在推进***的4个推力器依此执行点火时，点火时长控制在0.5s以内，若超出0.5s，星上会设置自动关闭电磁阀，可以保证即使极性不对，也不会影响整星的姿态。具体的故障处理步骤如下
1)当推力器1出现故障时，即没有推力输出和极性不正确时，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，地面人员查找原因；
2)当推力器1均正常，极性判断正确后，再开始进行推力器2的测试，当推力器2出现故障和极性不正确时，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，地面人员查找原因；
3)当推力器2均正常，极性判断正确后，再开始进行推力器3的测试，当推力器3出现故障和极性不正确时，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，地面人员查找原因；
4)当推力器3均正常，极性判断正确后，再开始进行推力器4的测试，当推力器4出现故障和极性不正确时，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，地面人员查找原因；
5)推力器4极性测试正确后，则推进***的推力器安装极性正确，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，测试完成，推力器按照推力器1至4依此进行测试。
化学推进***是商业遥感卫星较为常用的推进***，该***具有成熟度高，可靠性好，可以为卫星提供落压式的推力。但是应用该***进行轨道控制任务前，需要对其进行在轨安装极性测试，通过本专利的设计方法和方案可以实现自主极性测试，简化了推进极性测试过程，在遥感卫星上易实现且方便。
下面通过具体实施例，验证本发明的技术效果；
卫星***安装了一套平均推力为1N的化学推进***，用来实现轨道控制。卫星仿真参数如表1所示。
表1推进***参数
参数 参数值
LX 0.32m
LY 0.18m
LZ 0.54m
安装斜角 20°
点火时长 0.3s
通过以上参数可得预期角动量变化如表2所示。
表2预期角动量
通过地面测控站发送一条开始测试指令，星上开始执行自动测试流程，推进***自动加电，自锁阀打开，电磁阀加电，依此执行推力器1开0.3s、推力器3开0.3s、推力器2开0.3s、推力器4开0.3s，则角动量变化如图3所示，曲线X为X轴角动量曲线，曲线Y为Y轴角动量曲线,曲线Z为Z轴角动量曲线。
参见图3可知，在卫星运行到100s时，推进具备测试状态，开始极性测试，推力器1开0.3s时，X轴角动量变化+0.117Nms,Y轴角动量变化-0.14Nms,Z轴角动量变化-0.03Nms；推力器3开0.3s时，X轴角动量变化-0.112Nms,Y轴角动量变化0.12Nms,Z轴角动量变化-0.038Nms；推力器2开0.3s时，X轴角动量变化-0.11Nms,Y轴角动量变化-0.12Nms,Z轴角动量变化+0.038Nms；推力器4开0.3s时，X轴角动量变化+0.116Nms,Y轴角动量变化+0.13Nms,Z轴角动量变化+0.04Nms，与表2中的期望角动量对比，采用推力器极性判断准则(7)～(10)，则推进***的安装极性正确，证明了自动极性测试方法有效可行。

Claims (6)

1.一种针对化学推进***的自动极性测试方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、向卫星发送测试指令；
步骤2、执行推进***加电、自锁阀开启和电磁阀加电；
步骤3、设置预设时长，对姿控推力器执行点火操作，所述点火的时长为所述预设时长；
步骤4、在轨道系下，根据所述预设时长，获取姿控推力器分别在三个轴上的期望角动量变化量和实际角动量变化量；
所述实际角动量变化量的获取方法为：
获取姿控推力器点火前分别在坐标系三个轴上的角动量和姿控推力器点火后分别在坐标系三个轴上的角动量；
在坐标系同一轴上，根据姿控推力器点火前的角动量和点火后的角动量的差值，获取实际角动量变化量；
所述根据所述预设时长，获取姿控推力器分别在三个轴上的期望角动量变化量，具体为：
获取姿控推力器分别在三个轴上产生的力矩，具体为：
其中，i表示姿控推力器编号；F为姿控推力器的输出推力；θ为姿控推力器的安装斜角；LX、LY、LZ分别为在X轴、Y轴和Z轴上，姿控推力器到本体的距离；τXi，τYi，τZi分别为在X轴、Y轴和Z轴上，姿控推力器产生的力矩；
根据姿控推力器分别在三个轴上产生的力矩和所述预设时长，获取姿控推力器分别在三个轴上的期望角动量变化量，具体计算公式为：
ΔHiX＝τXitc
ΔHiY＝τYitc
ΔHiZ＝τZitc
其中，tc为所述预设时长,ΔHiX，ΔHiY，ΔHiZ分别为在X轴、Y轴和Z轴上，姿控推力器的期望角动量变化量；
步骤5、根据所述期望角动量变化量和所述实际角动量变化量，判断姿控推力器的极性是否正确；
步骤6、遍历所述卫星上所有的姿控推力器，依次判断姿控推力器的极性是否正确。
2.根据权利要求1所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法，其特征在于，所述向卫星发送测试指令之前，还包括：确认卫星进入姿态稳定状态。
3.根据权利要求1所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法，其特征在于，所述执行推进***加电、自锁阀开启和电磁阀加电，具体包括：
步骤2.1、给推进***加电；
步骤2.2、判断所述推进***是否处于加电状态，若所述推进***处于加电状态，执行下一步骤；否则，返回执行步骤2.1或结束极性测试；
步骤2.3、开启自锁阀；
步骤2.4、判断所述自锁阀是否处于打开状态，若所述自锁阀处于打开状态，执行下一步骤；否则，返回执行步骤2.3或结束极性测试；
步骤2.5、给电磁阀加电；
步骤2.6、判断所述电磁阀是否处于加电状态，若所述电磁阀处于加电状态，执行下一步骤；否则，返回执行步骤2.5或结束极性测试。
4.根据权利要求1所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法，其特征在于，所述根据所述期望角动量变化量和所述实际角动量变化量，判断所述姿控推力器的极性是否正确，具体包括：
判断所述实际角动量变化量是否属于极性正确区间，所述极性正确区间的两个端点分别为所述期望角动量变化量和零点；
若所述实际角动量变化量属于所述极性正确区间，判断所述姿控推力器的极性正确；
否则，判断所述姿控推力器的极性不正确。
5.一种针对化学推进***的故障排查方法，其特征在于，所述方法包括：
判断所述化学推进***中的一个姿控推力器的推力是否正常，若所述推力不正常，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，判定有故障，给出“推力故障排查”提示；
若所述推力正常，基于权利要求1所述的一种针对化学推进***的自动极性测试方法，判断所述姿控推力器的极性是否正确，若所述极性不正确，星上自主关闭电磁阀、自锁阀和推进电源，判断有故障，给出“极性故障排查”提示；
若所述极性正确，对所述化学推进***中的下一个姿控推力器进行上述处理，直至完成所有姿控推力器的故障处理。
6.一种计算机设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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