(廣西警察學(xué)院 交通管理工程學(xué)院,廣西 南寧 530022)
航天器可按照天體力學(xué)規(guī)律在太空環(huán)境中飛行,負(fù)責(zé)執(zhí)行開發(fā)、探索等特定天體飛行任務(wù),但由于電磁波等外界干擾條件的影響,航天器設(shè)備基本只能在太陽系內(nèi)運(yùn)行。受到自然重力條件的限制作用,大多數(shù)航天器設(shè)備不攜帶額外的飛行動(dòng)力裝置,因此在極高的真空宇宙中只能依靠慣性保持自由飛行狀態(tài)[1]。常規(guī)航天器的運(yùn)動(dòng)速度可到8~10 km/s,且該速度數(shù)值是由航天運(yùn)載器設(shè)備獨(dú)立提供的。在大多數(shù)航天任務(wù)中,航天器軌跡路徑都是提前按照航天任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇的,然而有些航天器因自身動(dòng)力裝置的存在,在實(shí)施變軌時(shí),可提供一定強(qiáng)度的輔助支持力作用。
在航天器變軌、發(fā)射及交會(huì)對(duì)接的過程中,由于航天環(huán)境的改變,易導(dǎo)致傳輸電磁波效應(yīng)出現(xiàn)嚴(yán)重變化,從而使航天器設(shè)備偏離預(yù)設(shè)的行進(jìn)軌跡路徑[2]。近年來國內(nèi)外對(duì)航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做出了研究,文獻(xiàn)[3]提出基于加油擾動(dòng)扭矩的航天器組合姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法。 首先,根據(jù)燃料傳遞速率來表達(dá)慣性張量矩陣的變化,并分析與慣性張量變化相關(guān)的加油擾動(dòng)扭矩。其次,另外考慮重力梯度的影響,研究了燃料傳輸過程中和之后的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)行為,能夠監(jiān)測(cè)航天器在軌加油任務(wù)的姿態(tài)擾動(dòng)和穩(wěn)定性;文獻(xiàn)[4]提出在光柵傳感機(jī)理的支持下,定義傳感器設(shè)備的力學(xué)靈敏度系數(shù),再通過增敏處理的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器設(shè)備實(shí)時(shí)在軌姿態(tài)的準(zhǔn)確分析。然而上述系統(tǒng)在特殊航天條件下,對(duì)電磁波干擾的屏蔽能力有限,很難保證航天器設(shè)備不出現(xiàn)偏離預(yù)設(shè)軌跡路徑的行進(jìn)行為[5-6]。
為避免上述情況的發(fā)生,設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)及ADRC的航天器的在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),按照主動(dòng)振動(dòng)控制器、FBG應(yīng)變傳感器等硬件設(shè)備之間的實(shí)際連接需求,對(duì)姿態(tài)傳遞系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,再聯(lián)合橫向在軌應(yīng)變效應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)控制律的分析與研究。
基于物聯(lián)網(wǎng)及ADRC的航天器的在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主機(jī)結(jié)構(gòu)由物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系、主動(dòng)振動(dòng)控制器、航天器姿態(tài)控制器等多個(gè)應(yīng)用元件共同組成,具體搭建方法如下。
物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系是航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境搭建的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),可將航行應(yīng)力信息由航天器主機(jī)反饋至主動(dòng)振動(dòng)控制器、姿態(tài)控制器等下級(jí)設(shè)備應(yīng)用結(jié)構(gòu)之中。由航天器主機(jī)輸出的航行應(yīng)力信息首先進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中,并在相關(guān)設(shè)備元件的作用下,進(jìn)行初步的調(diào)制與解調(diào)處理,直至其中存儲(chǔ)的監(jiān)測(cè)信息文件得到完全釋放。完成調(diào)制解調(diào)處理的航天器航行應(yīng)力信息可遵照物聯(lián)網(wǎng)傳輸需求,生成全新的在軌姿態(tài)功率譜,在此過程中,由于外界航天環(huán)境始終處于連續(xù)變化狀態(tài),因此最終分解所得出的航天器監(jiān)測(cè)行為必須具有較強(qiáng)的位姿適應(yīng)性,一方面能與航天器設(shè)備保持相同的變化狀態(tài),另一方面可對(duì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)指令與主動(dòng)振動(dòng)控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系進(jìn)行較好維護(hù)。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系示意圖如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系示意圖
如圖1所示,物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系采集航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過信號(hào)調(diào)制及調(diào)解獲取航行應(yīng)力信息,監(jiān)測(cè)在軌姿態(tài)功率譜并對(duì)功率譜進(jìn)行分解,得到物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)指令,再應(yīng)用到航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)中,實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系流程。
主動(dòng)振動(dòng)控制器隸屬于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系,可記錄航天器振蕩電流的現(xiàn)有連接形式,并可根據(jù)手動(dòng)指示燈、自動(dòng)指示燈的顯示情況,控制設(shè)備結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有連接與斷開形態(tài),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器在軌姿態(tài)的監(jiān)測(cè)與調(diào)試。控制器結(jié)構(gòu)體內(nèi)部包含一個(gè)電流調(diào)節(jié)旋鈕、一個(gè)調(diào)度表和一個(gè)電流示數(shù)裝置。其中,電流調(diào)節(jié)旋鈕可供人工調(diào)節(jié)使用,處于電流平衡性考慮,當(dāng)手動(dòng)指示燈與自動(dòng)指示燈同時(shí)亮起時(shí),相關(guān)監(jiān)測(cè)人員可向左旋調(diào)電流調(diào)節(jié)鈕,從而使航天器在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中所承載的物理電流數(shù)值不斷縮小;當(dāng)手動(dòng)指示燈與自動(dòng)指示燈不同時(shí)亮起或同時(shí)熄滅時(shí),相關(guān)監(jiān)測(cè)人員可向右旋調(diào)電流調(diào)節(jié)鈕,從而使指示燈設(shè)備再次達(dá)到理想化亮起狀態(tài)[7-8]。調(diào)度表起到一定的調(diào)節(jié)輔助作用,當(dāng)現(xiàn)有電流旋調(diào)幅度不能達(dá)到指示燈亮起需求時(shí),相關(guān)監(jiān)測(cè)人員可對(duì)該原件進(jìn)行適當(dāng)幅度的調(diào)節(jié)。電流示數(shù)裝置能夠顯示航天器在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中所承載的實(shí)時(shí)電流數(shù)值,當(dāng)其指針偏轉(zhuǎn)超過示數(shù)量程一半時(shí),即可判定航天器設(shè)備的在軌姿態(tài)已發(fā)生偏離現(xiàn)象。
航天器姿態(tài)控制器能夠控制航天器的實(shí)際行進(jìn),可在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系的作用下,通過內(nèi)、外廣播同步輸出的方式,完成對(duì)電壓、電流等電子傳感量的聚集處理,并可從中分離部分傳輸電子量,以用于驅(qū)動(dòng)FBG應(yīng)變傳感器等下級(jí)設(shè)備應(yīng)用元件[9]。電極板分別部署于航天器姿態(tài)控制器兩側(cè),可在感知到外界光照射作用的同時(shí),將電量感應(yīng)主機(jī)填滿,以此同時(shí),借助聚能器設(shè)備,更改轉(zhuǎn)換器元件的連接狀態(tài),當(dāng)前導(dǎo)向器、后導(dǎo)向器同時(shí)達(dá)到電量充盈狀態(tài)后,航天器后翼元件打開,使自然風(fēng)力進(jìn)入主機(jī)體中,此時(shí)姿態(tài)控制器可建立與聚能器設(shè)備間的電子量對(duì)應(yīng)連接關(guān)系[10]。聚能器設(shè)備具備較強(qiáng)的電量感知能力,可根據(jù)電極板元件中的實(shí)際電流輸出量,記錄航天器的航行習(xí)慣,且由于主電機(jī)設(shè)備的存在,當(dāng)航天器達(dá)到臨界航行狀態(tài)時(shí),外廣播設(shè)備、內(nèi)廣播設(shè)備開啟同步轉(zhuǎn)播形式,一方面避免電量感應(yīng)主機(jī)出現(xiàn)過量的電子輸出行為,另一方面也可將發(fā)動(dòng)機(jī)元件調(diào)試至最佳應(yīng)用狀態(tài)。在整個(gè)航行過程中,物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系僅起到一定強(qiáng)度的調(diào)頻與控制作用,并不能干擾航天器主機(jī)所輸出的實(shí)際行進(jìn)行為指令[11]。航天器姿態(tài)控制器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 航天器姿態(tài)控制器結(jié)構(gòu)圖
FBG應(yīng)變傳感器的研究目標(biāo)在于利用航天器光纖光柵與結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)航行結(jié)構(gòu)在軌姿態(tài)的有效控制[12-13]。光纖光柵、結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備作為航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,其修復(fù)性能力由航天飛行器所處航行環(huán)境的不可維修性與空間惡劣性共同決定。為規(guī)避航天器姿態(tài)控制器對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果造成的抑制性影響,F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器的連接需具備如下應(yīng)用特點(diǎn):
1)較高水平的抗電磁干擾能力,在物聯(lián)網(wǎng)低磁光波輻射頻率下,F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力可不被磁通信號(hào)干擾。
2)電磁絕緣性能相對(duì)良好,可在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中,不借助光纖電信號(hào)驅(qū)動(dòng)作用,實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器在軌姿態(tài)行為的有效監(jiān)測(cè)與控制。
3)耐高壓、電流傳輸性能穩(wěn)定,可屏蔽由主動(dòng)振動(dòng)控制器帶來的航天器姿態(tài)變動(dòng)行為。
4)傳感器設(shè)備體積小、質(zhì)量輕,可直接裝載于航天器主機(jī)之中。
5)在低電量損耗條件下,具有較大的電流傳輸容量,能夠較好滿足航天器在軌姿態(tài)行為的分布式監(jiān)測(cè)需求。
在相關(guān)硬件設(shè)備元件的支持下,按照應(yīng)變傳感器標(biāo)定、姿態(tài)傳遞系數(shù)計(jì)算、航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)控制律制定的執(zhí)行流程,實(shí)現(xiàn)基于ADRC(自抗擾控制理論)的航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解調(diào)處理。
在實(shí)施航天器應(yīng)變傳感器標(biāo)定的過程中,應(yīng)將應(yīng)變片設(shè)備粘貼于垂直的航天器懸臂梁表面,并在另一端施加等強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)力矩,從而使懸梁臂產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)變形式,以便于后續(xù)的應(yīng)變片靈敏度標(biāo)定處理。當(dāng)航天器懸臂梁中性層不產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時(shí),材料表面的應(yīng)變系數(shù)始終與航天器在軌姿態(tài)深度保持正比數(shù)值關(guān)系,由于應(yīng)變片設(shè)備與FBG傳感器都具有一定的物理厚度,因此粘貼于航天器懸臂梁表面?zhèn)鞲衅髟O(shè)備實(shí)際所發(fā)生的應(yīng)變效應(yīng),則應(yīng)與航天器的重力應(yīng)變效應(yīng)不完全相等[14-15]。在實(shí)施標(biāo)定時(shí),需要準(zhǔn)確掌握懸臂梁厚度、航天器重力等參量的物理數(shù)值,并應(yīng)在對(duì)應(yīng)高度梯度數(shù)值處,對(duì)這些物理參量進(jìn)行補(bǔ)償處理,從而得到最終的航天器應(yīng)變傳感器標(biāo)定結(jié)果[16-17]。應(yīng)變傳感器標(biāo)定原理如圖3所示。

圖3 應(yīng)變傳感器標(biāo)定原理
設(shè)α0代表最小的懸臂梁厚度取值結(jié)果,αn代表最大的懸臂梁厚度取值結(jié)果,n代表航天器的標(biāo)準(zhǔn)力矩系數(shù),聯(lián)立上述物理量,可將物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的航天器應(yīng)變傳感器標(biāo)定結(jié)果表示為:
(1)
式中,g0代表最小的航天器重力參量,gn代表最大的航天器重力參量,t代表FBG應(yīng)變傳感器的時(shí)間標(biāo)定系數(shù),w1、w2、…、wn分別代表n個(gè)不同的應(yīng)變片靈敏度系數(shù)指標(biāo)。
姿態(tài)傳遞系數(shù)是存在于航天器姿態(tài)控制器與主動(dòng)振動(dòng)控制器之間的監(jiān)測(cè)解調(diào)處理指標(biāo),可聯(lián)合應(yīng)變傳感器標(biāo)定結(jié)果,建立必要的力學(xué)平衡微分方程,再以此為基礎(chǔ),確定航天器在軌姿態(tài)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中所具備的行為傳遞能力。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中,設(shè)φ代表航天器在軌航行位移與實(shí)際監(jiān)測(cè)位移之間的物理夾角,sinφ代表夾角φ的正弦計(jì)算值,cosφ代表夾角φ的余弦計(jì)算值,聯(lián)立公式(1),可將航天器的姿態(tài)傳遞系數(shù)定義為:
(2)


(3)
式中,f代表航天器的終止位移坐標(biāo),f0代表起始位移坐標(biāo),η代表基于物聯(lián)網(wǎng)的航天器在軌航行適應(yīng)性監(jiān)測(cè)指標(biāo)。
航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)控制律基于ADRC原理,可根據(jù)橫向在軌應(yīng)變效應(yīng)原理,將航天器主機(jī)調(diào)試至最佳行進(jìn)狀態(tài),通過ADRC提取最佳行進(jìn)狀態(tài)信號(hào),能夠在物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)器的作用下,更改監(jiān)測(cè)設(shè)備所記錄的航行數(shù)據(jù)參量,并將其信息文件的形式,反饋至相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備元件之中。
通過ADRC原理提取航天器在軌姿態(tài)感知參量的最佳行進(jìn)狀態(tài)信號(hào):
β=Q(r2-h)
(4)
ξ=h*Ah(1-r2)
(5)
式中,β、ξ分別代表兩個(gè)不同的航天器在軌姿態(tài)感知參量最佳行進(jìn)狀態(tài)信號(hào),r為跟蹤速度因子,h為濾波因子。在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境中,上述兩項(xiàng)物理量的數(shù)值水平越高,最終計(jì)算所得的航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)控制律條件也就越符合實(shí)際應(yīng)用需求。在上述物理量的支持下,聯(lián)立公式(3)、(4)、(5),可將航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)控制律表達(dá)式定義為:
(6)
其中:u1、u2分別代表兩個(gè)不同的航天器在軌姿態(tài)指標(biāo),xmin代表最小的位姿變動(dòng)感知量。至此,實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)軟、硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建,在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的支持下,完成新型航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
為驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)及ADRC的航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。規(guī)定航天器設(shè)備的起始放置位置為在軌姿態(tài)的初始記錄節(jié)點(diǎn),航天器設(shè)備的終止放置位置為在軌姿態(tài)的最終記錄節(jié)點(diǎn),將物聯(lián)網(wǎng)傳感器與航天器設(shè)備相連,在整個(gè)航行過程中,利用傳輸導(dǎo)線導(dǎo)出各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的物理參量指標(biāo),以用作后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究與分析,其中實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載基于物聯(lián)網(wǎng)及ADRC的航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)照組主機(jī)搭載光纖傳感型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
在特殊航天環(huán)境中,由于電磁波干擾條件的存在,航天器設(shè)備極易偏離預(yù)設(shè)的軌跡路徑。已知電磁波能夠影響航天器監(jiān)測(cè)信號(hào)的解調(diào)偏差結(jié)果,一般情況下,解調(diào)偏差量越大,航天器設(shè)備偏離預(yù)設(shè)軌跡的行為越明顯。
表1記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組航天器監(jiān)測(cè)信號(hào)橫向解調(diào)偏差量的數(shù)值對(duì)比情況。

表1 橫向解調(diào)偏差量
分析表1可知,隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長,實(shí)驗(yàn)組橫向解調(diào)偏差量基本保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值波動(dòng)變化狀態(tài),且第一組均值結(jié)果低于第二組均值結(jié)果,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達(dá)到17.0%。對(duì)照組橫向解調(diào)偏差量在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)組別中始終保持小幅穩(wěn)定上升的數(shù)值變化趨勢(shì) ,在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)組別中雖出現(xiàn)小幅穩(wěn)定趨勢(shì),但整體依然呈現(xiàn)不斷上升的數(shù)值變化狀態(tài),整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了36.6%,與實(shí)驗(yàn)組最大值相比,上升了19.6%。
綜上可認(rèn)為,隨著基于物聯(lián)網(wǎng)及ADRC的航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用,航天器監(jiān)測(cè)信號(hào)橫向解調(diào)偏差量出現(xiàn)了明顯下降的數(shù)值變化趨勢(shì),可在特殊航天環(huán)境中,防止航天器設(shè)備偏離預(yù)設(shè)的軌跡路徑。
表2記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組航天器監(jiān)測(cè)信號(hào)縱向解調(diào)偏差量的數(shù)值對(duì)比情況。

表2 縱向解調(diào)偏差量
分析表2可知,隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長,實(shí)驗(yàn)組縱向解調(diào)偏差量在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)組別中保持先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化趨勢(shì),在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)組別中則保持先上升、再下降的數(shù)值變化趨勢(shì),整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了20.8%。對(duì)照組縱向解調(diào)偏差量在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)組別中保持先穩(wěn)定、再上升的數(shù)值變化趨勢(shì),在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)組別中則保持連續(xù)上升的數(shù)值變化趨勢(shì),整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了52.0%,與實(shí)驗(yàn)組最大值相比,上升了31.2%。
綜上可認(rèn)為,隨著基于物聯(lián)網(wǎng)及ADRC的航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用,航天器監(jiān)測(cè)信號(hào)縱向解調(diào)偏差量也出現(xiàn)了明顯下降的數(shù)值變化趨勢(shì),在特殊航天環(huán)境中,能夠較好地抑制航天器設(shè)備偏離預(yù)設(shè)軌跡路徑。
在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中,聯(lián)合主動(dòng)振動(dòng)控制器、FBG應(yīng)變傳感器等多個(gè)設(shè)備應(yīng)用元件,建立一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的硬件執(zhí)行環(huán)境,再通過ADRC原理及應(yīng)變傳感器標(biāo)定處理的方式,實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)及ADRC的航天器的在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于姿態(tài)傳遞系數(shù)結(jié)果不斷趨于清晰,橫向在軌應(yīng)變效應(yīng)可輔助航天器在軌姿態(tài)監(jiān)測(cè)控制律提供更為可信的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解調(diào)處理結(jié)果,且隨著橫向解調(diào)偏差值、縱向解調(diào)偏差值物理量的不斷減小,可在特殊航天環(huán)境中,有效屏蔽電磁波的物理干擾作用,確保航天器設(shè)備不會(huì)輕易偏離預(yù)設(shè)的軌跡路徑。