[发明专利]一种静止轨道电推进卫星故障检测方法及位置保持方法

说明书

本发明属于航天器轨道动力学与控制领域。本发明公开的一种静止轨道电推进卫星故障检测方法，实现方法如下，建立静止轨道卫星受环境摄动下的瞬时轨道运动模型；建立平均轨道运动模型；建立受控制力作用下的轨道运动模型；推导受所有力作用下的轨道运动模型；设计故障检测器，并验证所设计故障检测器的收敛性。本发明还公开的一种静止轨道电推进卫星故障模式的位置保持方法，在卫星故障检测方法基础上，计算推力器故障导致的轨道漂移；设计控制律，通过控制律修正推力器故障导致的轨道漂移；离散控制律，获得电推力器的开关序列；通过采用开关序列，实现静止轨道电推进卫星故障模式下的位置保持。本发明普遍适用于高轨及地球静止轨道电推进卫星。

技术领域

本发明涉及一种静止轨道电推进卫星故障检测方法及位置保持方法,尤其涉及静止轨道电推进卫星的推力故障检测、位置保持等重要技术，属于航天器轨道动力学与控制领域。

背景技术

静止轨道(Geostationary Orbit,GEO)指轨道高度为35786km、倾角为零的特殊地球同步轨道。在静止轨道上运行的航天器，通常为高成本、大功率、长寿命、高精度的大型复杂航天器，具有覆盖面积大，且相对于地面静止的特点，在通信、导航、预警、遥感、气象、数据中继等军用和民用领域发挥着重要的作用，经济价值非常之高。

GEO卫星的轨道运动主要受地球非球形摄动、日月引力摄动、太阳光压摄动三种主要摄动的影响。在无控情况下，GEO卫星会在摄动力作用下逐渐漂出定点窗口，一旦离开定点窗口，GEO卫星就会失效成为空间碎片，不仅无法实现自身正常的通信导航等功能，还会危及附近经度的其他卫星。GEO卫星的位置保持技术是指在特定的时刻实施一定的轨道机动使卫星保持在定点经度附近的一类控制方法，该方法能够有效抑制高轨摄动因素引起的漂移现象，提升GEO卫星的在轨运行稳定性。

目前GEO卫星的位置保持方法，按推进能源的不同分为两类，一类是基于化学推进的位置保持，另一类是基于电推进的位置保持。电推进系统最显著的优点是高比冲，即等量燃料产生的推力更大，能够有效节省燃料，从而减少发射成本、增加有效载荷的质量。因此，本发明针对的对象是搭载电推进系统的静止轨道卫星。

根据美国国家航空航天局(NASA)提供的电推力器测试报告，以及由佐治亚理工大学Saleh教授团队提供的近15年电推进任务统计报告，电推进系统在卫星在轨服务期间几乎无法避免故障情况。推进系统的故障将直接导致航天器部分或完全失效，不仅无法完成既定空间任务，还会威胁到空间环境的安全。因此，故障检测系统是保证卫星正常在轨运行的必备环节。

故障模式下的位置保持策略包含两个部分：第一，检测推力器的故障状态，跟踪推力器输出推力的变化；第二，关闭故障推力器，并消除推力器故障引起的轨道漂移。当前文献仅针对完备模式下的位置保持策略或是仅针对故障状态已知的位置保持策略进行了研究。文献(M.Guelman,Geostationary satellites autonomous closed loop stationkeeping,Acta Astronautica,97,2014,pp.9–15.)研究了以当前时刻轨道信息为输入的闭环位置保持策略，但前提是推力器正常工作。文献(J.Zhang,S.Zhao,Z.Zhou,X.Li,OptimalStation Keeping for XIP Thrusters in Failure Mode under Eclipse Constraints,Journal of Aerospace Engineering,29(6),2016,pp.1-11.)研究了考虑日蚀情况下的最优燃料位置保持策略，但假设推力器故障状态已知。目前的位置保持策略没有考虑推力器故障检测环节，更缺乏一套具有故障检测和漂移消除两大功能的故障模式位置保持方案。因此本发明旨在提出一种静止轨道电推进卫星故障检测方法及位置保持方法，该方法不仅能精确检测推力器的故障状态，而且在有效识别故障状态之后，能够快速消除由推力器故障引起的轨道漂移，从而实现故障模式下的位置保持。

发明内容