郭力兵，何劍偉，汪 毅，楊海民，胡上成

風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)自適應(yīng)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(cè)控部 江陰 214431）

針對(duì)風(fēng)云二號(hào)07星測(cè)控實(shí)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(shí)序控制不同步問題，研究提出一種地面控制系統(tǒng)自適應(yīng)同步控制方法，分析衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)得到有效接收時(shí)間區(qū)間，取所有有效接收時(shí)間區(qū)間的交集得到最終有效接收時(shí)間區(qū)間。經(jīng)驗(yàn)證，方法可有效解決系統(tǒng)間時(shí)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(yīng)；同步控制

引 言

風(fēng)云二號(hào)自旋穩(wěn)定衛(wèi)星采用繞自旋軸旋轉(zhuǎn)的方式保持其姿態(tài)穩(wěn)定性，其特點(diǎn)是在遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌前因未拋掉尾部的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)而呈細(xì)長(zhǎng)圓柱體結(jié)構(gòu)，縱橫慣量比小于1，由星體內(nèi)的液體及撓性部件引起的能量耗散會(huì)增大衛(wèi)星章動(dòng)角，極端情況下章動(dòng)發(fā)散將使衛(wèi)星平旋，導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星任務(wù)失敗[1,2]。

由于存在章動(dòng)發(fā)散這一問題，風(fēng)云二號(hào)自旋穩(wěn)定衛(wèi)星一般采用自主章動(dòng)控制，用軸噴管實(shí)施，保持衛(wèi)星章動(dòng)角小于閾值。但在建立遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火姿態(tài)過程中，地面控制系統(tǒng)需要完成對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的控制，其也是通過軸噴管實(shí)施。為了防止地面控制系統(tǒng)在實(shí)施姿態(tài)控制過程中姿控脈沖擾亂星上自主章動(dòng)控制，需將衛(wèi)星自主章控暫時(shí)切斷，而由地面控制系統(tǒng)在姿態(tài)控制的同時(shí)兼顧章動(dòng)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(dòng)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(dòng)聯(lián)合控制，簡(jiǎn)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(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)的同時(shí)保證衛(wèi)星章動(dòng)角不增大或者不超出閾值。當(dāng)章動(dòng)角大于閾值時(shí)，姿章聯(lián)控系統(tǒng)預(yù)測(cè)并消除姿控脈沖中增大衛(wèi)星章動(dòng)的脈沖，抑制章動(dòng)發(fā)散[6]。

在風(fēng)云二號(hào)07星任務(wù)姿章聯(lián)控實(shí)施過程中，地面控制系統(tǒng)發(fā)送給基帶的100多個(gè)姿章聯(lián)控參數(shù)被基帶設(shè)備拒收而未能執(zhí)行，使得控制時(shí)間延長(zhǎng)約2.8mins。針對(duì)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(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星的歷史數(shù)據(jù)并結(jié)合姿章聯(lián)控參數(shù)計(jì)算產(chǎn)生的過程，確認(rèn)了姿章聯(lián)控參數(shù)未能執(zhí)行的原因，是由于風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)控制時(shí)序與衛(wèi)星基帶設(shè)備能接收姿章聯(lián)控參數(shù)的時(shí)間不同步?；谏鲜龇治?，對(duì)地面控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，研究提出一種風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)自適應(yīng)同步控制方法，分析衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)得到有效接收時(shí)間區(qū)間，取所有有效接收時(shí)間區(qū)間的交集得到最終有效接收時(shí)間區(qū)間，解決了地面控制系統(tǒng)與星上控制系統(tǒng)時(shí)序不同步控制的問題。在風(fēng)云二號(hào)08星任務(wù)中，該方法成功解決了07星任務(wù)中姿章聯(lián)控參數(shù)被基帶設(shè)備拒收而未能執(zhí)行的問題，驗(yàn)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(gòu)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(jì)、紅外地平儀、在過渡軌道段用于測(cè)量章動(dòng)的加速度計(jì)、遙測(cè)發(fā)送和遙控接收終端、驅(qū)動(dòng)線路以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。地面控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：

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

② 同步控制器：用于發(fā)送控制脈沖；

③ 遙測(cè)接收設(shè)備：用于遙測(cè)接收和解調(diào)，將解調(diào)好的編碼遙測(cè)數(shù)據(jù)和模擬遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給遙測(cè)遙控處理計(jì)算機(jī)；

④ 遙控發(fā)送設(shè)備：用于遙控指令發(fā)送，即接收遙測(cè)遙控處理計(jì)算機(jī)的遙控指令，將其調(diào)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(shí)序關(guān)系

2 風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星同步控制問題分析及定位

針對(duì)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(wù)記盤數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)基帶設(shè)備執(zhí)行完上一個(gè)姿控脈沖后的執(zhí)行結(jié)果返回到地面控制系統(tǒng)的記盤時(shí)間1，當(dāng)前發(fā)送下一個(gè)自旋周期姿控脈沖時(shí)地面控制系統(tǒng)的記盤時(shí)間2，（1、2均為北京時(shí)間），計(jì)算△＝2–1。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)△<30ms時(shí)，地面控制系統(tǒng)預(yù)測(cè)產(chǎn)生的下一個(gè)自旋周期的姿控脈沖未被執(zhí)行，未執(zhí)行個(gè)數(shù)為100個(gè)左右。為驗(yàn)證上述結(jié)論，對(duì)風(fēng)云二號(hào)04星、05星、06星的任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)△<30ms時(shí)，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(jié)論，結(jié)合姿章聯(lián)控參數(shù)計(jì)算產(chǎn)生和執(zhí)行的過程，分析認(rèn)為產(chǎn)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(shè)備未對(duì)地面控制系統(tǒng)發(fā)送的姿控脈沖進(jìn)行緩存處理。

針對(duì)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(duì)同步控制器工作原理進(jìn)行分析，確定其是具備緩存功能的。為了確認(rèn)上述結(jié)論，對(duì)歷次任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)排查發(fā)現(xiàn)，地面控制系統(tǒng)同步控制器對(duì)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(duì)排查中發(fā)現(xiàn)當(dāng)部分脈沖△為負(fù)值時(shí)，即當(dāng)?shù)孛婵刂葡到y(tǒng)發(fā)送下一自旋周期的預(yù)測(cè)姿控脈沖時(shí)，同步控制終端當(dāng)前姿控脈沖還未調(diào)制完畢，同步控制器也能正常發(fā)送姿控脈沖。

針對(duì)星上控制系統(tǒng)基帶設(shè)備是否對(duì)地面控制系統(tǒng)發(fā)送的姿控脈沖進(jìn)行緩存處理這一問題，與相關(guān)設(shè)計(jì)人員交流得出結(jié)論，風(fēng)云二號(hào)07星基帶設(shè)備不會(huì)對(duì)地面控制系統(tǒng)發(fā)送的姿控脈沖進(jìn)行緩存處理?；鶐гO(shè)備在姿章聯(lián)控過程中，會(huì)處于同步控制運(yùn)行或同步控制等待兩種狀態(tài)。當(dāng)基帶設(shè)備處于同步控制運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，僅接收復(fù)合控制命令，即控制中斷命令，而拒收其它遙控命令。當(dāng)同步控制運(yùn)行狀態(tài)完畢，轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)。因此，當(dāng)?shù)孛婵刂葡到y(tǒng)發(fā)送基帶姿控脈沖較早時(shí)，如果基帶設(shè)備處于同步控制運(yùn)行狀態(tài)，由于未作緩存處理，可能會(huì)丟掉該脈沖，從而導(dǎo)致在風(fēng)云二號(hào)07星任務(wù)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(shè)備未能正常執(zhí)行。

3 改進(jìn)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(shè)備對(duì)姿控脈沖緩存的功能。因此，只有對(duì)地面控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，找準(zhǔn)基帶設(shè)備處于等待狀態(tài)的時(shí)間，發(fā)送姿控脈沖，從而達(dá)到縮短之前被延長(zhǎng)的控制時(shí)間的目的。

通過分析風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)，比對(duì)地面控制系統(tǒng)和基帶設(shè)備姿章聯(lián)控處理時(shí)序關(guān)系，確定基帶設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間段。經(jīng)分析，基帶設(shè)備能接收姿章聯(lián)控的時(shí)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(yù)測(cè)的姿章聯(lián)控參數(shù)至基帶設(shè)備當(dāng)前自旋周期的姿控脈沖前沿的時(shí)間間隔。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)450ms<3<900ms時(shí)，基帶設(shè)備正常執(zhí)行接收到的姿控脈沖，即[450, 900]為基帶設(shè)備的有效接收時(shí)間區(qū)間。

根據(jù)上述結(jié)論，對(duì)地面控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加自適應(yīng)同步控制器后的地面控制系統(tǒng)原理如圖3所示。當(dāng)同步控制器基準(zhǔn)時(shí)間采用編碼遙測(cè)時(shí)間時(shí)，自適應(yīng)同步控制器接收編碼遙測(cè)數(shù)據(jù)，從而確定基帶設(shè)備當(dāng)前自旋周期的姿控脈沖前沿的時(shí)間，這樣可以進(jìn)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(yīng)同步控制方法。

圖3 增加自適應(yīng)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(yīng)同步控制方法及應(yīng)用

自適應(yīng)同步控制方法流程如圖4所示。自適應(yīng)同步控制器接收編碼遙測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，獲取編碼遙測(cè)數(shù)據(jù)中的加速度計(jì)、肼瓶的溫度、壓力等參數(shù)，然后對(duì)12個(gè)加速度計(jì)進(jìn)行卡爾曼濾波處理計(jì)算章動(dòng)角速度。當(dāng)收到姿控脈沖后，根據(jù)當(dāng)前收到的基準(zhǔn)時(shí)刻，預(yù)測(cè)下一自旋周期姿控脈沖的前沿時(shí)刻。隨后根據(jù)計(jì)算出的姿控脈沖預(yù)測(cè)該脈沖所產(chǎn)生的推力效果即章動(dòng)角速度，由章動(dòng)角速度計(jì)算出衛(wèi)星的章動(dòng)角。如果預(yù)測(cè)脈沖計(jì)算得出的章動(dòng)角小于章動(dòng)閥值，則說明該預(yù)測(cè)脈沖發(fā)送后不僅能夠調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)，而且不會(huì)使衛(wèi)星的章動(dòng)增大；如果計(jì)算得出的章動(dòng)角大于章動(dòng)閥值，則說明該預(yù)測(cè)脈沖發(fā)送后會(huì)使衛(wèi)星的章動(dòng)增大，那么該預(yù)測(cè)脈沖必須刪除，即脈沖前沿時(shí)刻取當(dāng)前北京時(shí)間，姿控脈沖的脈寬置為0。閾值是可以靈活設(shè)定的，風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星中設(shè)置為0.7°。姿控脈沖預(yù)測(cè)產(chǎn)生后，取當(dāng)前北京時(shí)間，計(jì)算姿控脈沖前沿時(shí)間減去當(dāng)前北京時(shí)間的時(shí)間間隔，根據(jù)時(shí)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(shí)間，使其與基帶設(shè)備等待狀態(tài)同步，避開基帶設(shè)備拒收的時(shí)間范圍是縮短控制時(shí)間的關(guān)鍵。本自適應(yīng)方法在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用[7-13]，通過該方法得到有效接收時(shí)間區(qū)間。在最終有效接收時(shí)間區(qū)間內(nèi)發(fā)送姿控脈沖，可以確?；鶐гO(shè)備接收姿控脈沖并正常執(zhí)行。

圖4 自適應(yīng)同步控制方法流程

地面控制系統(tǒng)自適應(yīng)同步控制方法在風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星控制處理軟件中已經(jīng)得到很好的應(yīng)用。經(jīng)過風(fēng)云二號(hào)08星任務(wù)驗(yàn)證，該方法成功解決了07星任務(wù)中的地面控制系統(tǒng)控制時(shí)序不同步的問題。

5 結(jié)束語

針對(duì)風(fēng)云二號(hào)07星測(cè)控實(shí)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(shí)序控制不同步問題，研究提出一種地面控制系統(tǒng)自適應(yīng)同步控制方法。新方法有效解決了系統(tǒng)時(shí)序同步的問題，其控制精度高、控制效果好，對(duì)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(shí)用參考價(jià)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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控。

何劍偉 1967年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控。

汪 毅 1985年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控。

楊海民 1990年生，博士，工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控。

胡上成 1985年生，本科，工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控。