一种超低轨卫星全电推进轨道维持系统技术方案

一种超低轨卫星全电推进轨道维持系统，包括GNSS接收机、大气密度测量单元、星务管理单元和电推进系统。GNSS接收机提供超低轨卫星在地固坐标系下的状态矢量。大气密度探测单元获取大气密度数据，反演出超低轨卫星的轨道高度。电推进系统根据星务管理单元传来的轨道维持控制律，完成推力参数的分配和推力的产生。星务管理单元综合确定出超低轨卫星的轨道信息，经过处理后生成卫星空间轨迹误差，进而根据卫星空间轨迹误差，通过轨道维持算法确定轨道维持控制律，并将轨道维持控制律发送给电推进系统，完成轨道维持控制。本发明专利技术解决了卫星在超低轨道飞行轨道快速衰减的问题，实现了卫星在超低轨道稳定飞行，大幅延长了超低轨道卫星的运行时长。星的运行时长。星的运行时长。

【技术实现步骤摘要】
一种超低轨卫星全电推进轨道维持系统


[0001]本专利技术属于航天器总体设计领域，涉及一种超低轨卫星的轨道维持系统。

技术介绍

[0002]超低轨道卫星一般是指运行在轨道高度300公里以下的卫星。在此轨道部署卫星，可大幅缩短载荷与地面的作用距离，从而提升载荷工作效能，是美国、日本、欧空局等航天大国或组织关注的焦点。
[0003]卫星在超低轨道运行，面临大气密度大、飞行气动阻力大的难题，这需要卫星具有轨道维持能力。早期采用化学推进进行轨道维持，需要消耗大量的化学燃料，卫星难以实现长期的轨道维持，近年来随着电推进技术的逐步成熟，使得采用电推进实现卫星在超低轨道长期轨道维持成为可能。到目前为止，已成功的案例有欧空局的“重力场与稳态洋流探测器”(GOCE，gravity field and steady
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state ocean circulation explorer)，运行在242～260km高度，在轨寿命约5年，实现了1毫伽大范围地球重力场高精度测量，以及日本的超低轨测试卫星(SLATS，Super Low Altitude Test Satellite)，在300km以下运行约6个月。GOCE采用静电引力梯度仪和离子推力器的无拖曳控制，无拖曳控制回路主要包括卫星动力学模块、静电引力梯度仪、离子推力器模块、离子推力器指令计算模块和无拖曳控制律模块。无拖曳控制的特点是利用静电引力梯度仪模块实时获取飞行阻力，并通过离子推力器实时调节推力大小补偿阻力，为了适应无拖曳控制要求，推力必须等于阻力，而超低轨道大气密度随着轨道高度、地磁参数等实时变化，所以要求电推进必须实时调节，对于固定推力的电推进无法适应。这种轨道维持方法，系统配置复杂、对电推进性能指标要求高，难以满足卫星小型化要求，难以适应多种电推进应用场景。SLATS卫星也是采用离子电推进实现了轨道的维持，但是并未向外公布其轨道控制的方法。
[0004]在电推进的轨道维持系统与方法方面，我国主要在高轨卫星的南北位置保持方面开展了研究。如中国专利申请CN201611046924.0、专利技术名称：一种全电推进卫星平台位置保持电推力器冗余配置方法。通过配置六台电推力器联合完成卫星在轨期间的南北和东西位置保持以及动量卸载，可以有效降低全电推进卫星对推力器推力大小和寿命的需求，增加了全电推进卫星对电推力器的适应性，解决了单台主份推力器失效对应用策略复杂、推进剂消耗需求增大的问题。这种利用多台电推进冗余设计提供系统可靠性的思路是值得借鉴的，但是其在卫星背地板靠近南板一侧装配三台电推力器，靠近北板一侧装配三台电推力器，再根据电推力器全部工作或者有电推力器故障的情况分别生成各个电推力器的工作区域，再根据各个电推力器的工作区域进行点火，完成电推力器冗余配置。由于超低轨卫星为了减少大气阻力的影响，卫星往往设计为细长体构型，卫星的迎风面一般设计较小，而该方案中的六台电电推进分别按照与不同的结构面上的方法难以满足超低轨道卫星低阻力构型设计的需求。还有就是超低轨卫星对电推进的需求是进行轨道维持而不是南北位置保持和动量轮卸载，因此该专利的控制方法不满足维轨需求。所以其在电推进系统配置方法和控制方法无法适应超低轨道卫星轨道维持对电推进系统设计的需要。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：针对目前无拖曳轨道维持需要卫星实时获取飞行阻力和实时调节电推力器推力的要求，克服卫星系统配置复杂、对电推进要求高等不足，提供了一种无需实时获取飞行阻力和实时调节电推力器推力的维轨方法，采用低成本的GNSS和大气密度测量单元作为轨道测量设备，而不是采用高成本的静电引力梯度仪作为轨道测量设备，降低了轨道测量的代价，采用无需推力实时调节的电推进实现卫星在300km以下的超低轨道长期稳定飞行的系统配置，解决了卫星在超低轨道飞行轨道快速衰减的问题，实现了卫星在超低轨道稳定飞行，大幅延长了超低轨道卫星的运行时长，增强了超低轨卫星的应用效能。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：一种超低轨卫星全电推进轨道维持系统，包括GNSS接收机、大气密度测量单元、星务管理单元和电推进系统，其中：
[0007]GNSS接收机：提供超低轨卫星在地固坐标系下的状态矢量；
[0008]大气密度探测单元：获取大气密度数据，反演出超低轨卫星的轨道高度；
[0009]电推进系统：作为轨道维持的执行机构，根据星务管理单元传来的轨道维持控制律，完成推力参数的分配和推力的产生；
[0010]星务管理单元：接收GNSS接收机的状态矢量信息和大气密度探测单元间接获取的轨道高度信息，综合确定出超低轨卫星的轨道信息，经过处理后生成卫星空间轨迹误差，作为轨道控制的输入量；进而根据卫星空间轨迹误差，通过轨道维持算法确定轨道维持控制律，并将轨道维持控制律发送给电推进系统，完成轨道维持控制。
[0011]优选的，所述的GNSS接收机、大气密度探测单元、星务管理单元、电推进系统通过两条CAN总线完成信息的交互，两条CAN总线为备份关系，GNSS接收机、大气密度探测单元、星务管理单元、电推进系统均具备两个CAN总线接口。
[0012]优选的，所述的CAN总线采用主从式结构，星务管理单元为主节点，GNSS接收机、大气密度探测单元和电推进系统为从节点，星务管理单元发送遥测指令，收集GNSS接收机、大气密度探测单元和电推进系统的遥测参数，同时向电推进系统下达遥控指令。
[0013]优选的，所述的轨道维持控制律包括电推进推力大小、推力执行时刻以及推力执行时长。
[0014]优选的，所述的电推进系统包括2台电推进推力器、1台电推进电源模块、1台电推进控制单元、1个氙气储供单元、1个氙气瓶；其中电推进推力器采用双机冷备份方式，电推进电源模块提供电推进推力器所需的电源，氙气瓶用于储存电推进所需的氙气工质，氙气储供单元在电推进控制单元的控制下，进行压力闭环控制和流量温度闭环控制，维持氙气贮供单元的输出在额定流量范围内，向电推进推力器提供额定流量的氙气，电推进控制单元根据轨道维持控制律，生成相应的电源控制参数、流量控制参数，同时自主完成电推进推力器的点火、关机和故障处理。
[0015]优选的，所述的2台电推进推力器均安装在星体
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X面中心处，+X为超低轨卫星的飞行方向，电推进推力器喷口朝向星体的
‑
X轴方向，电连接器和气路接口端朝向星体的+X轴方向，喷口反向延长线过超低轨卫星质心。
[0016]优选的，所述的2台电推进推力器分别为电推进推力器1和电推进推力器2，电推进推力器1喷口与整星
‑
X轴夹角
‑
2.5度，电推进推力器2喷口与整星
‑
X轴夹角2.5度，两台电推
进推力器喷口出口面60
°
锥角范围内不得有遮挡物。
[0017]优选的，所述的两台电推进推力器主备份交替工作，或者单份工作。
[0018]优选的，所述的轨道维持算法基于轨道面内、轨道面外解耦的切向和法向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超低轨卫星全电推进轨道维持系统，其特征在于：包括GNSS接收机、大气密度测量单元、星务管理单元和电推进系统，其中：GNSS接收机：提供超低轨卫星在地固坐标系下的状态矢量；大气密度探测单元：获取大气密度数据，反演出超低轨卫星的轨道高度；电推进系统：作为轨道维持的执行机构，根据星务管理单元传来的轨道维持控制律，完成推力参数的分配和推力的产生；星务管理单元：接收GNSS接收机的状态矢量信息和大气密度探测单元间接获取的轨道高度信息，综合确定出超低轨卫星的轨道信息，经过处理后生成卫星空间轨迹误差，作为轨道控制的输入量；进而根据卫星空间轨迹误差，通过轨道维持算法确定轨道维持控制律，并将轨道维持控制律发送给电推进系统，完成轨道维持控制。2.根据权利要求1所述的一种超低轨卫星全电推进轨道维持系统，其特征在于：所述的GNSS接收机、大气密度探测单元、星务管理单元、电推进系统通过两条CAN总线完成信息的交互，两条CAN总线为备份关系，GNSS接收机、大气密度探测单元、星务管理单元、电推进系统均具备两个CAN总线接口。3.根据权利要求2所述的一种超低轨卫星全电推进轨道维持系统，其特征在于：所述的CAN总线采用主从式结构，星务管理单元为主节点，GNSS接收机、大气密度探测单元和电推进系统为从节点，星务管理单元发送遥测指令，收集GNSS接收机、大气密度探测单元和电推进系统的遥测参数，同时向电推进系统下达遥控指令。4.根据权利要求1所述的一种超低轨卫星全电推进轨道维持系统，其特征在于：所述的轨道维持控制律包括电推进推力大小、推力执行时刻以及推力执行时长。5.根据权利要求1所述的一种超低轨卫星全电推进轨道维持系统，其特征在于：所述的电推进系统包括2台电推进推力器、1台电推进电源模块、1台电推进控制单元、1个氙气储供单元、1个氙气瓶；其中电推进推力器采用双机冷备份方式，电推进电源模块提供电推进推力器所需的电源，氙气瓶用于储存电推进所需的氙气工质，氙气储供单元在电推进控制单元的控制下，进行压力闭环控制和流量温度闭环控制，维持氙气贮供单元的输出在额定流量范围内，向电推进推力器提供额定流量的氙气，电推...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁春柱，傅丹膺，赵志明，张强，眭晓虹，何艳超，
申请(专利权)人：航天东方红卫星有限公司，
类型：发明
国别省市：