一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法与流程

1.本发明属于卫星推进系统在轨自主补给控制技术领域，涉及一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法。


背景技术：

2.随着大型低轨卫星星座的迅速发展，卫星平台向着轻小型、低成本、长寿命、通用化的方向发展。卫星姿轨控分系统主要负责姿态与轨道的确定与控制功能。为实现姿态控制，采用轮控等实现姿态稳态控制，并配置冷气推力系统实现速率阻尼和动量轮卸载功能，确保卫星姿态控制安全。为实现轨道控制，采用电推进系统等轨控推进系统实现轨道控制功能。
3.受卫星轻小型化设计限制，传统的卫星配备的冷气推力系统气瓶容量较小，推进剂仅能支持标称分离指标内的一次速率阻尼，及少量正常工作模式下的动量轮卸载。而考虑卫星长期在轨轨道维持及变轨离轨需求，轨控推进系统的高压气瓶内，推进剂存储则较为充沛。
4.在轨工况复杂，如果分离角速度超过标称，或正常工作后卫星因某种原因再进入安全模式，冷气系统推进剂不足问题，可能危及整星姿态控制安全。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，既解决了卫星轻小型化构型设计与卫星在轨特殊情况下姿态控制安全之间矛盾，又解决了补气过程缓慢与低轨卫星测控弧段受限之间的矛盾。
6.本发明解决技术的方案是：
7.一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，包括：
8.步骤一、基于卫星工作模式的补气流程启动判断，当卫星角速度超过补气角速度阈值时，则星上自主启动补气流程，置补气标志为正在补气，进入步骤二；否则不动作；
9.步骤二、对卫星上气瓶压力、补气次数和温度进行判断；判断进行补气、气瓶加温或是退出补气流程；当判断为进行补气时，进入步骤三；当判断为气瓶加温时，对气瓶进行加温，并重新判断气瓶压力、补气次数和温度；当判断退出补气流程时进入步骤四；
10.步骤三、打开补气自锁阀，单次补气时间到达后，关闭自锁阀，补气次数加一；达到温度平衡时间后，返回步骤二；
11.步骤四、置补气标志为补气完成，清零补气次数，退出补气流程。
12.在上述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，所述步骤一中，卫星工作模式包括初始速率阻尼模式和正常工作模式；
13.初始速率阻尼模式时，将冷气气瓶初装工质量可消旋最大角速度2.5
°
/s-3.5
°
/s作为速率阻尼模式补气角速度阈值；
14.正常工作模式时，取卫星进入安全模式时的角速度0.2
°
/s-1.2
°
/s作为正常工作
模式补气角速度阈值。
15.在上述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，所述步骤二中，当压力小于压力阈值，且补气次数小于补气次数阈值，且温度达到温度阈值时，进行补气；
16.当压力小于压力阈值，且补气次数小于补气次数阈值，但温度低于温度阈值时，对气瓶进行加温，重新判断气瓶压力、补气次数和温度；
17.当压力大于等于压力阈值，或补气次数大于等于补气次数阈值，则退出补气流程。
18.在上述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，所述步骤三中，补气过程是基于星上控制计算机进行自主压力闭环检测，压力闭环检测可使补气过程自主安全退出，不会因压力超过阈值对气瓶造成损伤。
19.在上述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，所述补气过程，是基于星上控制计算机进行自主温控闭环检测，包括温度采集与温度控制系统，通过自主温控闭环可控制补气速度，不会因补气速度过快造成凝结损坏设备。
20.在上述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，补气过程是基于星上控制计算机除自主温控闭环和压力闭环检测外，结合整星环境温度及能源等信息融合，对补气流程参数进行动态调节，控制补给过程，使补气效率得到优化。
21.在上述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，补气流程参数进行动态调节的方法具体为：
22.s1、当整星环境温度及能源较高时，单次补气时间增加，补气次数阈值减小，温度平衡时间减小；补气速度加快；
23.s2、当整星环境温度及能源较低时，单次补气时间减小，补气次数阈值增加，温度平衡时间增加；补气速度减慢。
24.在上述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，所述步骤二中，设置了补气次数阈值，当补气次数大于补气次数阈值，则退出补气流程，不会因压力闭环检测系统故障而造成补气过多，对气瓶造成损伤，增加了补气系统的可靠性。
25.在上述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，中心计算机对采集的温度与压力模拟量数据进行剔野处理；剔野处理方法为：当前值与上拍值之差的绝对值大于阈值时，则判定当前值为野值，维持上拍值不变，否则判定当前值为真值；其中，压力差阈值取0.2mpa-0.5mpa，温度差阈值5℃-10℃。
26.在上述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，默认主份温控电路工作，当温控电路工作时间达到10min～20min后，且温度升高小于2℃～5℃，则判定主份温控电路工作异常，切换备份温控电路工作；当判定备份温控电路工作异常，则切换主份温控电路工作。
27.本发明与现有技术相比的有益效果是：
28.(1)本发明提出了一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，该方法不改变气瓶的构型及容积，不增加复杂专用补给系统，充分优化利用星上现有资源，解决了卫星轻小型化构型设计与卫星在轨特殊情况下姿态控制安全之间矛盾；
29.(2)本发明基于卫星自主采集判断卫星角速度阈值可自主启动，补气过程星载计算机进行自主温控闭环和压力闭环检测，自主性高，可靠性高。减轻了地面操作人员的负担，降低了对低轨卫星测控弧段的压力；
30.(3)本发明的补气过程，是基于星上控制计算机进行自主压力闭环检测，压力闭环检测可使补气流程自主安全退出，也不会因压力超过阈值对气瓶造成损伤；
31.(4)本发明的补气过程，是基于星上控制计算机进行自主温控闭环检测，包括温度采集与温度控制系统，通过自主温控闭环可控制补气速度，不会因补气速度过快而造成凝结损坏设备。
附图说明
32.图1为本发明有限容积冷气推进在轨自主补给系统示意图；
33.图2为本发明有限容积冷气推进在轨自主补给流程图。
具体实施方式
34.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
35.本发明设计了一种实现有限容积冷气推进在轨自主补给的方法及系统。
36.分系统优化资源配给，构建一套冷气系统在轨自主补给系统，使冷气系统与轨控推进系统使用相同工质，并设计冷气系统与轨控推进系统储供系统相连，通过阀门控制通断。当冷气气瓶不能满足需求时，通过打开冷气系统与轨控推进系统间阀门，使轨控推进高压气瓶内的工质进入冷气气瓶，对冷气气瓶进行补气。在不改变气瓶容积的前提下，使冷气推力系统具备扩展工作能力，提高卫星可靠性和安全性。当冷气气瓶内工质达到一定阈值时，则不进行补气，为轨控推长期工作保留裕量。
37.该自主补给系统，由分系统中心计算机自主根据星上状态判断，必要时能够及时自主启动补气流程；补气过程中可进行实时监测，调整优化参数提高效率，确保过程安全；补气完成后可自主退出，不影响轨控推进系统正常工作。该方法及系统在不改变卫星现有资源配置的条件下，扩展提升了系统的工作能力。该方法及系统自主性高操作简单，有效解决了补气过程缓慢，与低轨卫星测控弧段受限之间的矛盾，提高了任务效率及可靠性。
38.第一方面，本发明设计了一种实现有限容积冷气推进在轨自主补给系统，该系统由星载中心计算机、温度采集系统、温度控制系统、压力采集系统、冷气推进系统储供单元、轨控推进系统储供单元、补气阀门等组成。见说明书附图1。该系统不改变卫星现有构型设计与气瓶容积，优化星上资源调配，使冷气系统与轨控系统使用相同工质，通过管路与阀门连接两个系统的储供，利用两个系统间压差控制工质流动补给。
39.该系统中，姿轨控分系统中心计算机基于卫星自主温控闭环和压力闭环检测，控制补给过程。中心计算机负责采集检测冷气气瓶压力。当检测冷气气瓶内工质不能满足需求时，中心计算机自主开始补气流程，根据总补气量和环境温度计算补气次数和单次补气量等参数。中心计算机控制打开冷气系统与轨控推进系统间阀门，使轨控推进高压气瓶内的工质进入冷气气瓶，对冷气气瓶进行补气。中心计算机通过控制阀门通断时间，控制补气速度。补给过程中，气瓶受推进剂特性影响温度会下降。为避免凝结损坏设备的风险，中心计算机需要通过控制加热回路，给冷气系统气瓶加热。在确保安全的同时兼顾补气效率。当冷气气瓶内压力上升达到一定阈值时，则停止补气，为电推长期工作保留裕量。该系统不改变气瓶的构型及容积，不增加复杂专用补给系统。
40.第二方面，本专利设计了一种实现有限容积冷气推进在轨自主补给方法，如图2所
示，具体步骤如下：
41.步骤一、基于卫星工作模式的补气流程启动判断，当卫星角速度超过补气角速度阈值时，则星上自主启动补气流程，置补气标志为正在补气，进入步骤二；否则不动作。
42.卫星工作模式包括初始速率阻尼模式和正常工作模式；
43.初始速率阻尼模式时，将冷气气瓶初装工质量可消旋最大角速度2.5
°
/s-3.5
°
/s作为速率阻尼模式补气角速度阈值；
44.正常工作模式时，取卫星进入安全模式时的角速度0.2
°
/s-1.2
°
/s作为正常工作模式补气角速度阈值。
45.步骤二、对卫星上气瓶压力、补气次数和温度进行判断；判断进行补气、气瓶加温或是退出补气流程；当判断为进行补气时，进入步骤三；当判断为气瓶加温时，对气瓶进行加温，并重新判断气瓶压力、补气次数和温度；当判断退出补气流程时进入步骤四。
46.判断方法为：
47.当压力小于压力阈值，且补气次数小于补气次数阈值，且温度达到温度阈值时，进行补气；
48.当压力小于压力阈值，且补气次数小于补气次数阈值，但温度低于温度阈值时，对气瓶进行加温，重新判断气瓶压力、补气次数和温度；
49.当压力大于等于压力阈值，或补气次数大于等于补气次数阈值，则退出补气流程。
50.本发明设置了补气次数阈值，当补气次数大于补气次数阈值，则退出补气流程，不会因压力闭环检测系统故障而造成补气过多，对气瓶造成损伤，增加了补气系统的可靠性。
51.步骤三、打开补气自锁阀，单次补气时间到达后，关闭自锁阀，补气次数加一；达到温度平衡时间后，返回步骤二；
52.步骤四、置补气标志为补气完成，清零补气次数，退出补气流程。
53.补气过程是基于星上控制计算机进行自主压力闭环检测，压力闭环检测可使补气过程自主安全退出，不会因压力超过阈值对气瓶造成损伤。
54.补气过程，是基于星上控制计算机进行自主温控闭环检测，包括温度采集与温度控制系统，通过自主温控闭环可控制补气速度，不会因补气速度过快造成凝结损坏设备。
55.补气过程是基于星上控制计算机除自主温控闭环和压力闭环检测外，结合整星环境温度及能源等信息融合，对补气流程参数进行动态调节，控制补给过程，使补气效率得到优化。
56.补气流程参数进行动态调节的方法具体为：
57.s1、当整星环境温度及能源较高时，单次补气时间增加，补气次数阈值减小，温度平衡时间减小；补气速度加快；
58.s2、当整星环境温度及能源较低时，单次补气时间减小，补气次数阈值增加，温度平衡时间增加；补气速度减慢。
59.中心计算机对采集的温度与压力模拟量数据进行剔野处理；剔野处理方法为：当前值与上拍值之差的绝对值大于阈值时，则判定当前值为野值，维持上拍值不变，否则判定当前值为真值；其中，压力差阈值取0.2mpa-0.5mpa，温度差阈值5℃-10℃。
60.默认主份温控电路工作，当温控电路工作时间达到10min～20min后，且温度升高小于2℃～5℃，则判定主份温控电路工作异常，切换备份温控电路工作；当判定备份温控电
路工作异常，则切换主份温控电路工作。
61.第三方面，本专利设计了一种实现有限容积冷气推进在轨自主补给方法，补气过程是基于星上控制计算机进行自主温控闭环和压力闭环检测，自主温控闭环可控制补气速度，不会因补气速度过快而造成凝结损坏设备；压力闭环检测可使补气流程自主安全退出，也不会因压力超过阈值对气瓶造成损伤。补气过程中，星上控制计算机对整星环境温度及能源等信息进行信息融合，对补气流程各参数进行动态调节，控制补给过程。整星环境温度高且能源条件好时，可调节补气参数加快补气速度。整星环境温度低且能源条件差时，可调节补气参数减慢补气速度，使补气效率得到优化。
62.实施例
63.一、本专利提出的一种有限容积冷气推进在轨自主补给系统。
64.该系统的构建给予分系统优化资源配给，使冷气系统与轨控推进系统使用相同工质，本实施例中推进剂为电推进系统常用工质氙气。该系统设计冷气系统与轨控推进系统储供系统相连，中心计算机通过控制高压自锁阀通断，控制补气过程。
65.该系统由星载中心计算机、温度采集系统、温度控制系统、压力采集系统、冷气推进系统储供单元、轨控推进系统储供单元、补气阀门等组成。当星载计算机判断冷气气瓶内时工质需要补充时，通过打开冷气系统与轨控推进系统间阀门，使轨控推进高压气瓶内的工质进入冷气气瓶，对冷气气瓶进行补气。该系统基于卫星自主温控闭环和压力闭环检测，由中心计算机采集温度采集系统的热敏电阻值和压力采集系统的压力传感器电压。当温度满足时，中心计算机打开自锁阀进行补气；当温度过低时，中心计算机通过温度控制系统中的加热回路对冷气系统储供单元进行加热。当压力小于补气阈值时，进行补气，当压力达到补气阈值时，退出补气流程。为保证可靠性，本实施例中对采集的模拟量数据进行了数据剔野，温度控制电路为冗余设计。
66.二、本专利提出的一种有限容积冷气推进在轨自主补给的方法
67.具体实施步骤为：
68.补气工况1：初始速率阻尼模式下，分离角速度超过冷气气瓶初装工质量可消旋最大角速度ω
eim
，
69.1)基于卫星工作模式的补气流程启动判断，卫星角速度超过冷气气瓶初装工质量可消旋最大角速度ω
eim
，星上自主启动补气流程，置补气标志为正在补气，进入步骤2)；本实施例中，ω
eim
＝3度/秒。
70.2)星上控制计算机进行自主温控闭环和压力闭环检测，对气瓶的温度、压力和补气次数进行判断，
71.若压力小于压力阈值，且补气次数小于补气次数阈值，且温度到达温度阈值，则进行补气，进入步骤3)；
72.若压力小于压力阈值，且补气次数小于补气次数阈值，但温度低于温度阈值，则对气瓶进行加温，等待加温时间，重新进入步骤2)判断；
73.若压力大于压力阈值，或补气次数大于补气次数阈值，则退出补气流程，进入步骤4)；
74.本实施例中，温度阈值为20度，补气次数阈值为85次，压力阈值为2.5mpa；
75.3)打开补气自锁阀，单次补气时间到达后，关闭自锁阀；补气次数加一，达到温度
平衡时间后，进入步骤2)。本实施例中，单次补气时间为0.5秒，温度平衡时间为900秒；
76.4)置补气标志为补气完成，清零补气次数，退出补气流程。
77.补气工况1在轨补气累计次数达到72次后，气瓶压力达到2.5mpa，补气完成，退出补气流程。
78.补气工况2：正常工作模式下，卫星角速度连续一段时间超过进入安全模式时的角速度ω
aam
，
79.1)基于卫星工作模式的补气流程启动判断，卫星角速度连续一段时间超过进入安全模式时的角速度ω
aam
，星上自主启动补气流程，置补气标志为正在补气，进入步骤2)；本实施例中，连续一段时间为100s，ω
aam
＝0.2度/秒。
80.2)星上控制计算机进行自主温控闭环和压力闭环检测，对气瓶的温度、压力和补气次数进行判断，
81.若压力小于压力阈值，且补气次数小于补气次数阈值，且温度到达温度阈值，则进行补气，进入步骤3)；
82.若压力小于压力阈值，且补气次数小于补气次数阈值，但温度低于温度阈值，则对气瓶进行加温，等待加温时间，重新进入步骤2)判断；
83.若压力大于压力阈值，或补气次数大于补气次数阈值，则退出补气流程，进入步骤4)；
84.本实施例中，温度阈值为20度，补气次数阈值为60次，压力阈值为2.3mpa；
85.3)打开补气自锁阀，单次补气时间到达后，关闭自锁阀；补气次数加一，达到温度平衡时间后，进入步骤2)。本实施例中，单次补气时间为1秒，温度平衡时间为800秒；
86.4)置补气标志为补气完成，清零补气次数，退出补气流程。
87.补气工况2在轨补气累计次数达到35次后，气瓶压力达到2.3mpa，补气完成，退出补气流程。
88.本发明设计的一种有限容积冷气推进在轨自主补给的方法及系统，解决了卫星有限容积下冷气推进剂在轨自主补给问题，该方法及系统在不改变卫星现有资源配置的条件下，扩展提升了系统的工作能力。该方法及系统自主性高操作简单，有效解决了补气过程缓慢，与低轨卫星测控弧段受限之间的矛盾，提高了任务效率及可靠性。
89.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，其特征在于：包括：步骤一、基于卫星工作模式的补气流程启动判断，当卫星角速度超过补气角速度阈值时，则星上自主启动补气流程，置补气标志为正在补气，进入步骤二；否则不动作；步骤二、对卫星上气瓶压力、补气次数和温度进行判断；判断进行补气、气瓶加温或是退出补气流程；当判断为进行补气时，进入步骤三；当判断为气瓶加温时，对气瓶进行加温，并重新判断气瓶压力、补气次数和温度；当判断退出补气流程时进入步骤四；步骤三、打开补气自锁阀，单次补气时间到达后，关闭自锁阀，补气次数加一；达到温度平衡时间后，返回步骤二；步骤四、置补气标志为补气完成，清零补气次数，退出补气流程。2.根据权利要求1所述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，其特征在于：所述步骤一中，卫星工作模式包括初始速率阻尼模式和正常工作模式；初始速率阻尼模式时，将冷气气瓶初装工质量可消旋最大角速度2.5
°
/s-3.5
°
/s作为速率阻尼模式补气角速度阈值；正常工作模式时，取卫星进入安全模式时的角速度0.2
°
/s-1.2
°
/s作为正常工作模式补气角速度阈值。3.根据权利要求1所述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，其特征在于：所述步骤二中，当压力小于压力阈值，且补气次数小于补气次数阈值，且温度达到温度阈值时，进行补气；当压力小于压力阈值，且补气次数小于补气次数阈值，但温度低于温度阈值时，对气瓶进行加温，重新判断气瓶压力、补气次数和温度；当压力大于等于压力阈值，或补气次数大于等于补气次数阈值，则退出补气流程。4.根据权利要求1所述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，其特征在于：所述步骤三中，补气过程是基于星上控制计算机进行自主压力闭环检测，压力闭环检测可使补气过程自主安全退出，不会因压力超过阈值对气瓶造成损伤。5.根据权利要求4所述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，其特征在于：所述补气过程，是基于星上控制计算机进行自主温控闭环检测，包括温度采集与温度控制系统，通过自主温控闭环可控制补气速度，不会因补气速度过快造成凝结损坏设备。6.根据权利要求5所述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，其特征在于：补气过程是基于星上控制计算机除自主温控闭环和压力闭环检测外，结合整星环境温度及能源等信息融合，对补气流程参数进行动态调节，控制补给过程，使补气效率得到优化。7.根据权利要求6所述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，其特征在于：补气流程参数进行动态调节的方法具体为：s1、当整星环境温度及能源较高时，单次补气时间增加，补气次数阈值减小，温度平衡时间减小；补气速度加快；s2、当整星环境温度及能源较低时，单次补气时间减小，补气次数阈值增加，温度平衡时间增加；补气速度减慢。8.根据权利要求1所述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，其特征在于：所述步骤二中，设置了补气次数阈值，当补气次数大于补气次数阈值，则退出补气流程，不会因压力闭环检测系统故障而造成补气过多，对气瓶造成损伤，增加了补气系统的可靠性。
9.根据权利要求1所述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，其特征在于：中心计算机对采集的温度与压力模拟量数据进行剔野处理；剔野处理方法为：当前值与上拍值之差的绝对值大于阈值时，则判定当前值为野值，维持上拍值不变，否则判定当前值为真值；其中，压力差阈值取0.2mpa-0.5mpa，温度差阈值5℃-10℃。10.根据权利要求1所述的一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，其特征在于：默认主份温控电路工作，当温控电路工作时间达到10min～20min后，且温度升高小于2℃～5℃，则判定主份温控电路工作异常，切换备份温控电路工作；当判定备份温控电路工作异常，则切换主份温控电路工作。

技术总结
本发明涉及一种有限容积冷气推进在轨自主补给方法，属于卫星推进系统在轨自主补给控制技术领域；步骤一、基于卫星工作模式的补气流程启动判断，判断是否进行补气；步骤二、对卫星上气瓶压力、补气次数和温度进行判断；判断进行补气、气瓶加温或是退出补气流程；步骤三、打开补气自锁阀，单次补气时间到达后，关闭自锁阀，补气次数加一；达到温度平衡时间后，返回步骤二；步骤四、置补气标志为补气完成，清零补气次数，退出补气流程；本发明既解决了卫星轻小型化构型设计与卫星在轨特殊情况下姿态控制安全之间矛盾，又解决了补气过程缓慢与低轨卫星测控弧段受限之间的矛盾。卫星测控弧段受限之间的矛盾。卫星测控弧段受限之间的矛盾。


技术研发人员：杨洁 韩亮 汤文澜 张宇 陈斌 庞博 吴倩 齐天翼 邱芳 杨林芳
受保护的技术使用者：北京控制工程研究所
技术研发日：2023.01.03
技术公布日：2023/5/16