風云二號衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)自適應同步控制方法

郭力兵，何劍偉，汪 毅，楊海民，胡上成

風云二號衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)自適應同步控制方法

郭力兵，何劍偉，汪 毅，楊海民，胡上成

（中國衛(wèi)星海上測控部 江陰 214431）

針對風云二號07星測控實施過程中部分姿章聯(lián)控參數(shù)未能正常執(zhí)行的系統(tǒng)間時序控制不同步問題，研究提出一種地面控制系統(tǒng)自適應同步控制方法，分析衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)得到有效接收時間區(qū)間，取所有有效接收時間區(qū)間的交集得到最終有效接收時間區(qū)間。經驗證，方法可有效解決系統(tǒng)間時序不同步的問題，精度高，控制效果好。

衛(wèi)星；姿章聯(lián)控；自適應；同步控制

引 言

風云二號自旋穩(wěn)定衛(wèi)星采用繞自旋軸旋轉的方式保持其姿態(tài)穩(wěn)定性，其特點是在遠地點變軌前因未拋掉尾部的遠地點發(fā)動機而呈細長圓柱體結構，縱橫慣量比小于1，由星體內的液體及撓性部件引起的能量耗散會增大衛(wèi)星章動角，極端情況下章動發(fā)散將使衛(wèi)星平旋，導致整個衛(wèi)星任務失敗[1,2]。

由于存在章動發(fā)散這一問題，風云二號自旋穩(wěn)定衛(wèi)星一般采用自主章動控制，用軸噴管實施，保持衛(wèi)星章動角小于閾值。但在建立遠地點點火姿態(tài)過程中，地面控制系統(tǒng)需要完成對衛(wèi)星姿態(tài)的控制，其也是通過軸噴管實施。為了防止地面控制系統(tǒng)在實施姿態(tài)控制過程中姿控脈沖擾亂星上自主章動控制，需將衛(wèi)星自主章控暫時切斷，而由地面控制系統(tǒng)在姿態(tài)控制的同時兼顧章動控制。這意味著地面控制系統(tǒng)在控制過程中需要剔除那些使章動過分發(fā)散的姿控脈沖，最大限度地提高姿控效率，這就是姿態(tài)章動聯(lián)合控制，簡稱姿章聯(lián)控[3-5]。姿章聯(lián)控系統(tǒng)的主要原理就是控制星上軸噴管工作，在調整衛(wèi)星姿態(tài)的同時保證衛(wèi)星章動角不增大或者不超出閾值。當章動角大于閾值時，姿章聯(lián)控系統(tǒng)預測并消除姿控脈沖中增大衛(wèi)星章動的脈沖，抑制章動發(fā)散[6]。

在風云二號07星任務姿章聯(lián)控實施過程中，地面控制系統(tǒng)發(fā)送給基帶的100多個姿章聯(lián)控參數(shù)被基帶設備拒收而未能執(zhí)行，使得控制時間延長約2.8mins。針對部分姿章聯(lián)控參數(shù)未能正常執(zhí)行的問題，本文通過分析歷次風云二號衛(wèi)星的歷史數(shù)據(jù)并結合姿章聯(lián)控參數(shù)計算產生的過程，確認了姿章聯(lián)控參數(shù)未能執(zhí)行的原因，是由于風云二號衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)控制時序與衛(wèi)星基帶設備能接收姿章聯(lián)控參數(shù)的時間不同步?；谏鲜龇治?，對地面控制系統(tǒng)進行改進，研究提出一種風云二號衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)自適應同步控制方法，分析衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)得到有效接收時間區(qū)間，取所有有效接收時間區(qū)間的交集得到最終有效接收時間區(qū)間，解決了地面控制系統(tǒng)與星上控制系統(tǒng)時序不同步控制的問題。在風云二號08星任務中，該方法成功解決了07星任務中姿章聯(lián)控參數(shù)被基帶設備拒收而未能執(zhí)行的問題，驗證了方法的有效性。

1 姿章聯(lián)控同步控制原理及方法

姿章聯(lián)控系統(tǒng)由星上控制系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)兩部分構成，姿章聯(lián)控系統(tǒng)原理如圖1所示。星上控制系統(tǒng)包括太陽角計、紅外地平儀、在過渡軌道段用于測量章動的加速度計、遙測發(fā)送和遙控接收終端、驅動線路以及執(zhí)行機構。地面控制系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：

① 遙測遙控處理計算機：用于地面姿章聯(lián)控的參數(shù)計算和過程控制；

② 同步控制器：用于發(fā)送控制脈沖；

③ 遙測接收設備：用于遙測接收和解調，將解調好的編碼遙測數(shù)據(jù)和模擬遙測數(shù)據(jù)發(fā)送給遙測遙控處理計算機；

④ 遙控發(fā)送設備：用于遙控指令發(fā)送，即接收遙測遙控處理計算機的遙控指令，將其調制發(fā)送給衛(wèi)星。

圖1 姿章聯(lián)控系統(tǒng)原理

圖2 姿章聯(lián)控脈沖和姿控脈沖的時序關系

2 風云二號衛(wèi)星同步控制問題分析及定位

針對部分姿章聯(lián)控參數(shù)未能正常執(zhí)行的問題，分析07星任務記盤數(shù)據(jù)。統(tǒng)計基帶設備執(zhí)行完上一個姿控脈沖后的執(zhí)行結果返回到地面控制系統(tǒng)的記盤時間1，當前發(fā)送下一個自旋周期姿控脈沖時地面控制系統(tǒng)的記盤時間2，（1、2均為北京時間），計算△＝2–1。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)當△<30ms時，地面控制系統(tǒng)預測產生的下一個自旋周期的姿控脈沖未被執(zhí)行，未執(zhí)行個數(shù)為100個左右。為驗證上述結論，對風云二號04星、05星、06星的任務數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)當△<30ms時，同樣出現(xiàn)上述姿控脈沖未被執(zhí)行的情況。

根據(jù)上述結論，結合姿章聯(lián)控參數(shù)計算產生和執(zhí)行的過程，分析認為產生上述姿控脈沖未被執(zhí)行的原因有兩種可能，一是地面控制系統(tǒng)同步控制器不具備姿控脈沖的緩存功能，二是星上控制系統(tǒng)基帶設備未對地面控制系統(tǒng)發(fā)送的姿控脈沖進行緩存處理。

針對地面控制系統(tǒng)同步控制器是否具備姿控脈沖的緩存功能這一問題，對同步控制器工作原理進行分析，確定其是具備緩存功能的。為了確認上述結論，對歷次任務數(shù)據(jù)進行分析比對排查發(fā)現(xiàn)，地面控制系統(tǒng)同步控制器對所有姿控脈沖均能正常發(fā)送，沒有出現(xiàn)丟棄正常姿控脈沖的情況。分析比對排查中發(fā)現(xiàn)當部分脈沖△為負值時，即當?shù)孛婵刂葡到y(tǒng)發(fā)送下一自旋周期的預測姿控脈沖時，同步控制終端當前姿控脈沖還未調制完畢，同步控制器也能正常發(fā)送姿控脈沖。

針對星上控制系統(tǒng)基帶設備是否對地面控制系統(tǒng)發(fā)送的姿控脈沖進行緩存處理這一問題，與相關設計人員交流得出結論，風云二號07星基帶設備不會對地面控制系統(tǒng)發(fā)送的姿控脈沖進行緩存處理?；鶐гO備在姿章聯(lián)控過程中，會處于同步控制運行或同步控制等待兩種狀態(tài)。當基帶設備處于同步控制運行狀態(tài)時，僅接收復合控制命令，即控制中斷命令，而拒收其它遙控命令。當同步控制運行狀態(tài)完畢，轉入等待狀態(tài)。因此，當?shù)孛婵刂葡到y(tǒng)發(fā)送基帶姿控脈沖較早時，如果基帶設備處于同步控制運行狀態(tài)，由于未作緩存處理，可能會丟掉該脈沖，從而導致在風云二號07星任務中，地面控制系統(tǒng)同步控制器發(fā)送的部分姿控脈沖基帶設備未能正常執(zhí)行。

3 改進的地面控制系統(tǒng)

出于綜合考慮，不增加星上控制系統(tǒng)基帶設備對姿控脈沖緩存的功能。因此，只有對地面控制系統(tǒng)進行相關改進，找準基帶設備處于等待狀態(tài)的時間，發(fā)送姿控脈沖，從而達到縮短之前被延長的控制時間的目的。

通過分析風云二號衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)，比對地面控制系統(tǒng)和基帶設備姿章聯(lián)控處理時序關系，確定基帶設備處于運行狀態(tài)的時間段。經分析，基帶設備能接收姿章聯(lián)控的時間范圍為250ms<3<1185ms，3為地面控制系統(tǒng)發(fā)送本自旋周期預測的姿章聯(lián)控參數(shù)至基帶設備當前自旋周期的姿控脈沖前沿的時間間隔。進一步統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，當450ms<3<900ms時，基帶設備正常執(zhí)行接收到的姿控脈沖，即[450, 900]為基帶設備的有效接收時間區(qū)間。

根據(jù)上述結論，對地面控制系統(tǒng)進行改進，增加自適應同步控制器后的地面控制系統(tǒng)原理如圖3所示。當同步控制器基準時間采用編碼遙測時間時，自適應同步控制器接收編碼遙測數(shù)據(jù)，從而確定基帶設備當前自旋周期的姿控脈沖前沿的時間，這樣可以進一步確定是否發(fā)送姿控脈沖。下一節(jié)將具體介紹地面控制系統(tǒng)自適應同步控制方法。

圖3 增加自適應同步控制器后的地面控制系統(tǒng)原理

4 地面控制系統(tǒng)自適應同步控制方法及應用

自適應同步控制方法流程如圖4所示。自適應同步控制器接收編碼遙測數(shù)據(jù)驅動，獲取編碼遙測數(shù)據(jù)中的加速度計、肼瓶的溫度、壓力等參數(shù)，然后對12個加速度計進行卡爾曼濾波處理計算章動角速度。當收到姿控脈沖后，根據(jù)當前收到的基準時刻，預測下一自旋周期姿控脈沖的前沿時刻。隨后根據(jù)計算出的姿控脈沖預測該脈沖所產生的推力效果即章動角速度，由章動角速度計算出衛(wèi)星的章動角。如果預測脈沖計算得出的章動角小于章動閥值，則說明該預測脈沖發(fā)送后不僅能夠調整衛(wèi)星姿態(tài)，而且不會使衛(wèi)星的章動增大；如果計算得出的章動角大于章動閥值，則說明該預測脈沖發(fā)送后會使衛(wèi)星的章動增大，那么該預測脈沖必須刪除，即脈沖前沿時刻取當前北京時間，姿控脈沖的脈寬置為0。閾值是可以靈活設定的，風云二號衛(wèi)星中設置為0.7°。姿控脈沖預測產生后，取當前北京時間，計算姿控脈沖前沿時間減去當前北京時間的時間間隔，根據(jù)時間間隔判斷是否發(fā)送姿控脈沖。如何確定姿控脈沖的發(fā)送時間，使其與基帶設備等待狀態(tài)同步，避開基帶設備拒收的時間范圍是縮短控制時間的關鍵。本自適應方法在很多領域得到應用[7-13]，通過該方法得到有效接收時間區(qū)間。在最終有效接收時間區(qū)間內發(fā)送姿控脈沖，可以確?；鶐гO備接收姿控脈沖并正常執(zhí)行。

圖4 自適應同步控制方法流程

地面控制系統(tǒng)自適應同步控制方法在風云二號衛(wèi)星控制處理軟件中已經得到很好的應用。經過風云二號08星任務驗證，該方法成功解決了07星任務中的地面控制系統(tǒng)控制時序不同步的問題。

5 結束語

針對風云二號07星測控實施過程中部分姿章聯(lián)控參數(shù)未能正常執(zhí)行的系統(tǒng)間時序控制不同步問題，研究提出一種地面控制系統(tǒng)自適應同步控制方法。新方法有效解決了系統(tǒng)時序同步的問題，其控制精度高、控制效果好，對自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的系統(tǒng)間同步控制研究具有較大的實用參考價值。

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Adaptive and synchronous control method for ground control system of FY-2 satellite

GUO Libing, HE Jianwei, WANG Yi, YANG Haimin, HU Shangcheng

（China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China）

To solve the problem of the out of sequence control sync between systems caused by the joint control of attitude and nutation parameters failing to execute in the TT&C process of FY-2 07 satellite, the adaptive and synchronous control method for ground control system is proposed. We analyze the historical data to achieve the effectively receiving time intervals and take the intersection as the final result. It is proved that this method of high precision and good control effect can effectively solve the problem of the out of sequence control sync between systems, which is meaningful for the synchronous control of spin-stabilized satellites.

Satellite; Joint control of attitude and nutation; Adaptive; Synchronous control

V11

A

CN11-1780(2020)02-0055-05

2020-03-19

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

郭力兵 1978年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天測控。

何劍偉 1967年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天測控。

汪 毅 1985年生，碩士，工程師，主要研究方向為航天測控。

楊海民 1990年生，博士，工程師，主要研究方向為航天測控。

胡上成 1985年生，本科，工程師，主要研究方向為航天測控。