基于物聯網及ADRC的航天器在軌姿態監測系統設計

(廣西警察學院 交通管理工程學院，廣西 南寧 530022)

0 引言

航天器可按照天體力學規律在太空環境中飛行，負責執行開發、探索等特定天體飛行任務，但由于電磁波等外界干擾條件的影響，航天器設備基本只能在太陽系內運行。受到自然重力條件的限制作用，大多數航天器設備不攜帶額外的飛行動力裝置，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[1]。常規航天器的運動速度可到8～10 km/s，且該速度數值是由航天運載器設備獨立提供的。在大多數航天任務中，航天器軌跡路徑都是提前按照航天任務進行設計與選擇的，然而有些航天器因自身動力裝置的存在，在實施變軌時，可提供一定強度的輔助支持力作用。

在航天器變軌、發射及交會對接的過程中，由于航天環境的改變，易導致傳輸電磁波效應出現嚴重變化，從而使航天器設備偏離預設的行進軌跡路徑[2]。近年來國內外對航天器在軌姿態監測系統做出了研究，文獻[3]提出基于加油擾動扭矩的航天器組合姿態監測方法。 首先，根據燃料傳遞速率來表達慣性張量矩陣的變化，并分析與慣性張量變化相關的加油擾動扭矩。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動力學行為，能夠監測航天器在軌加油任務的姿態擾動和穩定性；文獻[4]提出在光柵傳感機理的支持下，定義傳感器設備的力學靈敏度系數，再通過增敏處理的方式，實現對航天器設備實時在軌姿態的準確分析。然而上述系統在特殊航天條件下，對電磁波干擾的屏蔽能力有限，很難保證航天器設備不出現偏離預設軌跡路徑的行進行為[5-6]。

為避免上述情況的發生，設計基于物聯網及ADRC的航天器的在軌姿態監測系統，按照主動振動控制器、FBG應變傳感器等硬件設備之間的實際連接需求，對姿態傳遞系數進行計算，再聯合橫向在軌應變效應，實現對航天器在軌姿態監測控制律的分析與研究。

1 航天器在軌姿態監測系統主機結構

基于物聯網及ADRC的航天器的在軌姿態監測系統硬件主機結構由物聯網監測體系、主動振動控制器、航天器姿態控制器等多個應用元件共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 物聯網監測體系

物聯網監測體系是航天器在軌姿態監測系統硬件執行環境搭建的基礎設計結構，可將航行應力信息由航天器主機反饋至主動振動控制器、姿態控制器等下級設備應用結構之中。由航天器主機輸出的航行應力信息首先進入物聯網環境中，并在相關設備元件的作用下，進行初步的調制與解調處理，直至其中存儲的監測信息文件得到完全釋放。完成調制解調處理的航天器航行應力信息可遵照物聯網傳輸需求，生成全新的在軌姿態功率譜，在此過程中，由于外界航天環境始終處于連續變化狀態，因此最終分解所得出的航天器監測行為必須具有較強的位姿適應性，一方面能與航天器設備保持相同的變化狀態，另一方面可對物聯網監測指令與主動振動控制器之間的數據傳輸關系進行較好維護。物聯網監測體系示意圖如圖1所示。

圖1 物聯網監測體系示意圖

如圖1所示，物聯網監測體系采集航天器在軌姿態監測數據，通過信號調制及調解獲取航行應力信息，監測在軌姿態功率譜并對功率譜進行分解，得到物聯網檢測指令，再應用到航天器在軌姿態監測中，實現物聯網監測體系流程。

1.2 主動振動控制器

主動振動控制器隸屬于物聯網監測體系，可記錄航天器振蕩電流的現有連接形式，并可根據手動指示燈、自動指示燈的顯示情況，控制設備結構的現有連接與斷開形態，從而實現對航天器在軌姿態的監測與調試。控制器結構體內部包含一個電流調節旋鈕、一個調度表和一個電流示數裝置。其中，電流調節旋鈕可供人工調節使用，處于電流平衡性考慮，當手動指示燈與自動指示燈同時亮起時，相關監測人員可向左旋調電流調節鈕，從而使航天器在物聯網環境中所承載的物理電流數值不斷縮小；當手動指示燈與自動指示燈不同時亮起或同時熄滅時，相關監測人員可向右旋調電流調節鈕，從而使指示燈設備再次達到理想化亮起狀態[7-8]。調度表起到一定的調節輔助作用，當現有電流旋調幅度不能達到指示燈亮起需求時，相關監測人員可對該原件進行適當幅度的調節。電流示數裝置能夠顯示航天器在物聯網環境中所承載的實時電流數值，當其指針偏轉超過示數量程一半時，即可判定航天器設備的在軌姿態已發生偏離現象。

1.3 航天器姿態控制器

航天器姿態控制器能夠控制航天器的實際行進，可在物聯網監測體系的作用下，通過內、外廣播同步輸出的方式，完成對電壓、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，以用于驅動FBG應變傳感器等下級設備應用元件[9]。電極板分別部署于航天器姿態控制器兩側，可在感知到外界光照射作用的同時，將電量感應主機填滿，以此同時，借助聚能器設備，更改轉換器元件的連接狀態，當前導向器、后導向器同時達到電量充盈狀態后，航天器后翼元件打開，使自然風力進入主機體中，此時姿態控制器可建立與聚能器設備間的電子量對應連接關系[10]。聚能器設備具備較強的電量感知能力，可根據電極板元件中的實際電流輸出量，記錄航天器的航行習慣，且由于主電機設備的存在，當航天器達到臨界航行狀態時，外廣播設備、內廣播設備開啟同步轉播形式，一方面避免電量感應主機出現過量的電子輸出行為，另一方面也可將發動機元件調試至最佳應用狀態。在整個航行過程中，物聯網監測體系僅起到一定強度的調頻與控制作用，并不能干擾航天器主機所輸出的實際行進行為指令[11]。航天器姿態控制器結構圖如圖2所示。

圖2 航天器姿態控制器結構圖

1.4 FBG應變傳感器

FBG應變傳感器的研究目標在于利用航天器光纖光柵與結構狀態監測設備，實現對航行結構在軌姿態的有效控制[12-13]。光纖光柵、結構狀態監測設備作為航天器在軌姿態監測系統的重要組成部分，其修復性能力由航天飛行器所處航行環境的不可維修性與空間惡劣性共同決定。為規避航天器姿態控制器對實際監測結果造成的抑制性影響，FBG應變傳感器的連接需具備如下應用特點：

1)較高水平的抗電磁干擾能力，在物聯網低磁光波輻射頻率下，FBG應變傳感器的實時監測能力可不被磁通信號干擾。

2)電磁絕緣性能相對良好，可在物聯網環境中，不借助光纖電信號驅動作用，實現對航天器在軌姿態行為的有效監測與控制。

3)耐高壓、電流傳輸性能穩定，可屏蔽由主動振動控制器帶來的航天器姿態變動行為。

4)傳感器設備體積小、質量輕，可直接裝載于航天器主機之中。

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行為的分布式監測需求。

2 基于ADRC的監測系統解調處理

在相關硬件設備元件的支持下，按照應變傳感器標定、姿態傳遞系數計算、航天器在軌姿態監測控制律制定的執行流程，實現基于ADRC(自抗擾控制理論)的航天器在軌姿態監測系統解調處理。

2.1 應變傳感器標定

在實施航天器應變傳感器標定的過程中，應將應變片設備粘貼于垂直的航天器懸臂梁表面，并在另一端施加等強度的標準力矩，從而使懸梁臂產生標準的應變形式，以便于后續的應變片靈敏度標定處理。當航天器懸臂梁中性層不產生應變效應時，材料表面的應變系數始終與航天器在軌姿態深度保持正比數值關系，由于應變片設備與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傳感器設備實際所發生的應變效應，則應與航天器的重力應變效應不完全相等[14-15]。在實施標定時，需要準確掌握懸臂梁厚度、航天器重力等參量的物理數值，并應在對應高度梯度數值處，對這些物理參量進行補償處理，從而得到最終的航天器應變傳感器標定結果[16-17]。應變傳感器標定原理如圖3所示。

圖3 應變傳感器標定原理

設α0代表最小的懸臂梁厚度取值結果，αn代表最大的懸臂梁厚度取值結果，n代表航天器的標準力矩系數，聯立上述物理量，可將物聯網環境下的航天器應變傳感器標定結果表示為：

(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應變傳感器的時間標定系數，w1、w2、…、wn分別代表n個不同的應變片靈敏度系數指標。

2.2 姿態傳遞系數

姿態傳遞系數是存在于航天器姿態控制器與主動振動控制器之間的監測解調處理指標，可聯合應變傳感器標定結果，建立必要的力學平衡微分方程，再以此為基礎，確定航天器在軌姿態在物聯網環境中所具備的行為傳遞能力。在物聯網應用環境中，設φ代表航天器在軌航行位移與實際監測位移之間的物理夾角，sinφ代表夾角φ的正弦計算值，cosφ代表夾角φ的余弦計算值，聯立公式(1)，可將航天器的姿態傳遞系數定義為：

(2)

2.3 基于ADRC的航天器在軌姿態的監測控制律

(3)

式中，f代表航天器的終止位移坐標，f0代表起始位移坐標，η代表基于物聯網的航天器在軌航行適應性監測指標。

航天器在軌姿態監測控制律基于ADRC原理，可根據橫向在軌應變效應原理，將航天器主機調試至最佳行進狀態，通過ADRC提取最佳行進狀態信號，能夠在物聯網感應器的作用下，更改監測設備所記錄的航行數據參量，并將其信息文件的形式，反饋至相關物聯網設備元件之中。

通過ADRC原理提取航天器在軌姿態感知參量的最佳行進狀態信號：

β=Q(r2-h)

(4)

ξ=h*Ah(1-r2)

(5)

式中，β、ξ分別代表兩個不同的航天器在軌姿態感知參量最佳行進狀態信號，r為跟蹤速度因子，h為濾波因子。在物聯網監測環境中，上述兩項物理量的數值水平越高，最終計算所得的航天器在軌姿態監測控制律條件也就越符合實際應用需求。在上述物理量的支持下，聯立公式(3)、(4)、(5)，可將航天器在軌姿態監測控制律表達式定義為：

(6)

其中：u1、u2分別代表兩個不同的航天器在軌姿態指標，xmin代表最小的位姿變動感知量。至此，實現各項軟、硬件執行環境的搭建，在物聯網應用環境的支持下，完成新型航天器在軌姿態監測系統設計。

3 系統應用與測試

為驗證基于物聯網及ADRC的航天器在軌姿態監測系統的實際應用價值，設計如下對比實驗。規定航天器設備的起始放置位置為在軌姿態的初始記錄節點，航天器設備的終止放置位置為在軌姿態的最終記錄節點，將物聯網傳感器與航天器設備相連，在整個航行過程中，利用傳輸導線導出各個時間節點處的物理參量指標，以用作后續的實驗結果研究與分析，其中實驗組主機搭載基于物聯網及ADRC的航天器在軌姿態監測系統，對照組主機搭載光纖傳感型監測系統。

在特殊航天環境中，由于電磁波干擾條件的存在，航天器設備極易偏離預設的軌跡路徑。已知電磁波能夠影響航天器監測信號的解調偏差結果，一般情況下，解調偏差量越大，航天器設備偏離預設軌跡的行為越明顯。

表1記錄了實驗組、對照組航天器監測信號橫向解調偏差量的數值對比情況。

表1 橫向解調偏差量

分析表1可知，隨著實驗時間的延長，實驗組橫向解調偏差量基本保持相對穩定的數值波動變化狀態，且第一組均值結果低于第二組均值結果，整個實驗過程中的最大數值結果僅能達到17.0%。對照組橫向解調偏差量在第一個實驗組別中始終保持小幅穩定上升的數值變化趨勢 ，在第二個實驗組別中雖出現小幅穩定趨勢，但整體依然呈現不斷上升的數值變化狀態，整個實驗過程中的最大數值結果達到了36.6%，與實驗組最大值相比，上升了19.6%。

綜上可認為，隨著基于物聯網及ADRC的航天器在軌姿態監測系統的應用，航天器監測信號橫向解調偏差量出現了明顯下降的數值變化趨勢，可在特殊航天環境中，防止航天器設備偏離預設的軌跡路徑。

表2記錄了實驗組、對照組航天器監測信號縱向解調偏差量的數值對比情況。

表2 縱向解調偏差量

分析表2可知，隨著實驗時間的延長，實驗組縱向解調偏差量在第一個實驗組別中保持先上升、再穩定、最后下降的數值變化趨勢，在第二個實驗組別中則保持先上升、再下降的數值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數值結果達到了20.8%。對照組縱向解調偏差量在第一個實驗組別中保持先穩定、再上升的數值變化趨勢，在第二個實驗組別中則保持連續上升的數值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數值結果達到了52.0%，與實驗組最大值相比，上升了31.2%。

綜上可認為，隨著基于物聯網及ADRC的航天器在軌姿態監測系統的應用，航天器監測信號縱向解調偏差量也出現了明顯下降的數值變化趨勢，在特殊航天環境中，能夠較好地抑制航天器設備偏離預設軌跡路徑。

4 結束語

在物聯網環境中，聯合主動振動控制器、FBG應變傳感器等多個設備應用元件，建立一個相對穩定的硬件執行環境，再通過ADRC原理及應變傳感器標定處理的方式，實現基于物聯網及ADRC的航天器的在軌姿態監測系統設計。由于姿態傳遞系數結果不斷趨于清晰，橫向在軌應變效應可輔助航天器在軌姿態監測控制律提供更為可信的監測系統解調處理結果，且隨著橫向解調偏差值、縱向解調偏差值物理量的不斷減小，可在特殊航天環境中，有效屏蔽電磁波的物理干擾作用，確保航天器設備不會輕易偏離預設的軌跡路徑。