基于MME∕KF的电推进器推力在轨标定算法

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1、第28卷第4期航天器环境工程2011年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING337曼曼笪曼鼍曼罡曼II曼曼舅舅曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼舅皇曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼!!!!曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼量量曼量量曼曼量曼曼曼曼基于MME／KF的电推进器推力在轨标定算法张红军1，廖鹤2顾学迈1(1．哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院；2．哈尔滨工业大学航天学院：哈尔滨150001)摘要：为了确保小推力量级电推进器在轨工作的有效性，提出了一种基于MME／KF(MinimumModelError／KalmanFilter)的电推

2、进器推力在轨标定算法。该算法对推力标定过程为：首先使用飞轮产生一个已知的周期性力矩作用于卫星上，同时姿态控制器发送指令给电推进器来保持卫星的稳定；然后将陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星的角加速度，并利用KF算法实现电推进器在轨标定；最后进行数学仿真。结果表明该算法在常规推力下可以提高在轨标定精度，并且可以实现小推力条件下的在轨标定。关键词：电推进器；在轨标定；飞轮；陀螺仪；角加速度中图分类号：V439+．2；TBll4．2文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)04-0337--07Dol：10．3969巧．issn．1673．1379．2011．04．006O前言

3、小卫星具有体积小、质量轻、反应快速以及功能密度和性价比高等优点，同时还具有生存能力强、侦察范围大、重访周期短等特点，可满足应对突发事件和局部战争的需要。因此，小卫星的发展已进入到一个高速阶段⋯。为了实现小卫星在轨的快速反应和机动能力，对发展空间推进系统轻量化技术提出了迫切需求。电推进器因为比冲高、完成任务所需的工质质量小和工作寿命长等优点，在空间任务尤其是小卫星任务上的应用前景很广阔，其研究工作越来越受到重视。电推进器的工作原理是利用电子回旋谐振(Elec仃onCyclotronResonance，ECR)效应将推进剂电离为等离子体，然后将离子从等离子体中分离并通过静电加速后高速喷出

4、(典型的喷出速度可以达到30000m／s)，从而产生所需的推力。电推进器的等离子体放电是在谐振腔空间进行，放电稳定，产生的等离子体密度高，而且没有放电电极烧蚀【2】。例如：日本宇航研究开发机构(JAXA)研发的微波离子电推进器(MicrowaveIonThruster，MIT)消耗80W的功率可产生2mN的推力，而且还可以长时间连续工作(地面试验表明连续工作时间可达500h以上pj)。因此，电推进器既可用于小卫星的姿态控制、位置保持和阻力补偿等方面，实现精确编队飞行，也能作为小卫星的主推进系统用于轨道提升，延长近地轨道任务的寿命14]。由于受到地面环境的限制，难以在地面建立与空间环境

5、一致的温度和压力条件；而且也受到地面测量手段的限制，很难实现电推进器的精确标定。因此，为了确保电推进器在轨工作的有效性，需要对其推力进行在轨标定【5剖。由于MIT的推力比静电式离子推进器小了一个数量级以上，对其进行在轨标定的难度因之而大大增加。Shufan、Steyn和Bordany等学者p】探讨了采用在轨飞轮标定推进器的方法，实现了40mN量级推进器的在轨标定。在此基础上，针对电推进器更小推力标定所带来的误差，本文提出了一种基于MME／KF的电推进器在轨标定算法，旨在提高标定精度，实现在小推力情况下电推进器的在轨标定。l电推进器推力在轨标定算法基于MME／KF的电推进器推力在定算法

6、的基本过程为：首先使用飞轮产生一个已知的周期性力矩作用于卫星上，同时姿态控制器发送指令给电推进器来保持卫星的稳定；然后将陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星角加速度；最后利用KF算法实现电推进器推力在轨标定。收稿日期：2011-01一18；修回日期：2011．06．29基金项目：长江学者和创新团队发展计划(项目编号：IRT0520)作者简介：张红军(1968一)，男，副教授，主要从事微波技术、微波等离子体应用研究．E-mail：hjzhan98@hit．edu．cn。338航天器环境工程第28卷1．1标定方案电推进器在轨标定之前的飞行姿态为三轴稳定对地定向模式，其标定流程如图1所示。

7、首先使用飞轮产生一个已知的周期性力矩Nw(tk)作用于卫星上，同时，姿态控制器发送指令瓦(哟给推进器，产生力矩Ⅳr(妨来补偿这个已知力矩Nw(tk)和未知的外部环境干扰力矩Ⅳd(哟，从而使得卫星保持稳定。此时，卫星姿态动力学方程可以表示为Jio+to×(Jto+h)=^rT(气)+Ⅳd(如)+Ⅳ-w(tA，(1)式中：∞=[皑哆a1]T籼=[峻嘭龟]1为卫星体坐标系相对地心惯性坐标系的角速度和角加速度；‘，为卫星的转动惯量矩阵：h为飞轮角动量。其中，推进器