一種基于球形電機(jī)三自由度動(dòng)量交換的衛(wèi)星姿態(tài)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星姿態(tài)控制領(lǐng)域，涉及一種衛(wèi)星姿態(tài)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星姿態(tài)控制對(duì)于星載儀器能否對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定向或跟蹤，進(jìn)而完成特定任務(wù) (如偵查、通信、中繼等）起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的衛(wèi)星姿態(tài)控制主要依靠噴氣反作用系統(tǒng)與 慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)，前者不僅消耗燃料，且會(huì)對(duì)星載敏感儀器造成污染；慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有飛 輪（RW)與控制力矩陀螺（CMG)兩類，其優(yōu)點(diǎn)是僅需太陽能供電，壽命長，精度高，污染小等。
[0003] 相比于RW，CMG具有轉(zhuǎn)矩放大效應(yīng)，但為了實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星平臺(tái)的三自由度動(dòng)量交換， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要將轉(zhuǎn)子安裝于可轉(zhuǎn)動(dòng)的外框架上。目前常用的CMG系統(tǒng)方案一般 采用單框架（VSCMG)或雙框架（DGCMG)結(jié)構(gòu)，前者轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可調(diào)，而后者轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定。 配置另外的外框架或使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可調(diào)實(shí)質(zhì)上都為系統(tǒng)提供了一個(gè)自由度，因此這兩種方案 都只具備兩自由度，無法依靠單獨(dú)一臺(tái)VSCMG或DGCMG完成與衛(wèi)星平臺(tái)的三維動(dòng)量交換。 另外，外框架的限制也增加了系統(tǒng)的奇異風(fēng)險(xiǎn)。目前解決方案一般要將若干CMG單元相配 合構(gòu)成CMG陀螺群（Cluster)，例如金字塔構(gòu)型，并且需要制定針對(duì)奇異點(diǎn)問題的操縱率， 龐大的伺服系統(tǒng)大大增加了姿態(tài)控制系統(tǒng)的重量、體積、成本以及能源消耗，目前的應(yīng)用多 見于大型空間站。最近有學(xué)者提出了一種將上述二者相結(jié)合的雙框架變速力矩控制陀螺 (DG-VSCMG)，這種方案雖然理論上具有三自由度，但由于雙框架的限制使得其轉(zhuǎn)矩放大作 用不理想，且機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制策略極為復(fù)雜，目前相關(guān)研宄較少。而為防止可能發(fā)生的欠驅(qū) 動(dòng)情況，慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)還必須備有冗余單元，目前許多在軌空間站都采用在三正交飛輪基 礎(chǔ)上增加第四個(gè)飛輪與三正交飛輪斜交，這進(jìn)一步增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種結(jié)構(gòu)和控制測(cè)量簡單，可以 減輕飛行器重量，節(jié)約星載空間并易于操縱的衛(wèi)星姿態(tài)控制方法。本發(fā)明采用球形電機(jī)作 為動(dòng)量交換裝置，并基于簡單的增量控制策略即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子角動(dòng)量大小與方向的同時(shí)控制， 能夠完成與衛(wèi)星平臺(tái)的三自由度動(dòng)量交換。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0005] -種基于球形電機(jī)三自由度動(dòng)量交換的衛(wèi)星姿態(tài)控制方法，此方法的球形動(dòng)量交 換裝置為球形電機(jī)，通過定子殼與衛(wèi)星平臺(tái)連接，包括下列步驟：
[0006] (1)確定控制歐拉軸轉(zhuǎn)角
[0007] 取姿態(tài)控制指$q4作為輸入量，以控制歐拉軸轉(zhuǎn)角Φ ,ef作為輸出量，確定控制歐 拉軸轉(zhuǎn)角：Φμ= 2arccos(q4)
[0008] 其中，％為姿態(tài)控制指令，是姿態(tài)四元數(shù)的標(biāo)量分量，Φ 是衛(wèi)星控制歐拉軸轉(zhuǎn) 角；
[0009] (2)確定分級(jí)控制歐拉軸轉(zhuǎn)角
[0010] 以⑴中的控制歐拉軸轉(zhuǎn)角力#為輸入量，各級(jí)控制歐拉軸轉(zhuǎn)角Φ ,為輸出量，確 定分級(jí)數(shù)η和各級(jí)控制歐拉軸轉(zhuǎn)角：
[0011]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于球形電機(jī)三自由度動(dòng)量交換的衛(wèi)星姿態(tài)控制方法，此方法的球形動(dòng)量交換 裝置為球形電機(jī)，通過定子殼與衛(wèi)星平臺(tái)連接，包括下列步驟： (1) 確定控制歐拉軸轉(zhuǎn)角 取姿態(tài)控制指令％作為輸入量，以控制歐拉軸轉(zhuǎn)角Φ 作為輸出量，確定控制歐拉軸 轉(zhuǎn)角：Φ ref = 2arccos (q 4) 其中，％為姿態(tài)控制指令，是姿態(tài)四元數(shù)的標(biāo)量分量，Φ 是衛(wèi)星控制歐拉軸轉(zhuǎn)角； (2) 確定分級(jí)控制歐拉軸轉(zhuǎn)角 以（1)中的控制歐拉軸轉(zhuǎn)角Φ μ為輸入量，各級(jí)控制歐拉軸轉(zhuǎn)角Φ k為輸出量，確定分 級(jí)數(shù)η和各級(jí)控制歐拉軸轉(zhuǎn)角：
其中，I是第k次增量機(jī)動(dòng)的控制歐拉軸轉(zhuǎn)角，k是增量機(jī)動(dòng)的次序，取值為 {1，2,…，η}，η是設(shè)定的總的增量機(jī)動(dòng)級(jí)數(shù)，tk表示第k次機(jī)動(dòng)期望完成時(shí)刻，t C1= O ; (3) 確定各級(jí)增量控制力矩 以各級(jí)控制歐拉軸轉(zhuǎn)角Φ ,和期望完成時(shí)刻t k為輸入量，各級(jí)增量控制力矩T k為輸出 量，確定各級(jí)增量控制力矩： Tk=4Jit ,/(W1)2^tq1 q2 q3]T 其中，Tk為參考坐標(biāo)系N下第k級(jí)增量機(jī)動(dòng)的控制力矩矢量，J表示衛(wèi)星繞歐拉軸的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量，[Q1 q2 q3]T是姿態(tài)四元數(shù)的向量分量，也即歐拉軸； 然后將控制力矩Tk從參考坐標(biāo)系N變換到球形轉(zhuǎn)子虛框架坐標(biāo)系V以便于求取軌跡 控制指令： Tk= [τtτ8tJt= cvn*Tk, 其中，^是虛框架坐標(biāo)系V下的控制力矩分量列陣，τ h是類飛輪變速轉(zhuǎn)矩分量，τ t 是由衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的陀螺進(jìn)動(dòng)力矩分量，τ g是轉(zhuǎn)子傾斜加速轉(zhuǎn)矩分量，C vn為參考坐標(biāo)系N 到虛框架坐標(biāo)系V的變換矩陣，N坐標(biāo)系為衛(wèi)星姿態(tài)參考坐標(biāo)系，虛框架坐標(biāo)系V由虛擬單 框架確定，在任意時(shí)刻球形轉(zhuǎn)子都存在一個(gè)虛擬單框架，其框架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為零，將轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn) 角動(dòng)量方向定義為叾軸，#軸與轉(zhuǎn)子瞬時(shí)傾斜角動(dòng)量方向也即虛擬框架轉(zhuǎn)軸重合，i'軸由右 手定則確定； (4) 確定球形轉(zhuǎn)子軌跡控制指令 由力矩控制指令求得球形轉(zhuǎn)子的控制軌跡的計(jì)算公式為：
其中，j、Ω分別是轉(zhuǎn)子角速度在虛框架坐標(biāo)軸g、t上的投影分量，表示球形轉(zhuǎn)子本體 傾斜角速率、自轉(zhuǎn)角速率j、?分別是轉(zhuǎn)子角加速度在虛框架坐標(biāo)軸g、t上的投影分量， 表示傾斜角加速度，自轉(zhuǎn)角加速度；I g，It，Ih分別是球形轉(zhuǎn)子關(guān)于虛擬坐標(biāo)軸t、g、h的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量分量；《 Bg，ωΜ分別是衛(wèi)星平臺(tái)角速度ω B在虛擬坐標(biāo)系軸g、t上的投影分量； (5) 對(duì)球形轉(zhuǎn)子進(jìn)行軌跡跟蹤控制 將（4)中球形轉(zhuǎn)子虛框架坐標(biāo)系V下的控制軌跡指令變換到歐拉軸坐標(biāo)系下進(jìn)行軌跡 跟蹤控制； (6) 調(diào)整增量分級(jí)η 球形動(dòng)量交換裝置跟蹤軌跡控制指令，輸出力矩作用于衛(wèi)星平臺(tái)，完成三自由度角動(dòng) 量交換，機(jī)動(dòng)過程中若超過轉(zhuǎn)子最大傾角，則增大增量分級(jí)η，返回步驟（2)重新進(jìn)行衛(wèi)星 姿態(tài)調(diào)整。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于球形電機(jī)三自由度動(dòng)量交換的衛(wèi)星姿態(tài)控制方法，此方法的球形動(dòng)量交換裝置為球形電機(jī)，通過定子殼與衛(wèi)星平臺(tái)連接，包括下列步驟：(1)確定控制歐拉軸轉(zhuǎn)角；(2)確定分級(jí)控制歐拉軸轉(zhuǎn)角；(3)確定各級(jí)增量控制力矩；(4)確定球形轉(zhuǎn)子軌跡控制指令；(5)對(duì)球形轉(zhuǎn)子進(jìn)行軌跡跟蹤控制；(6)調(diào)整增量分級(jí)n。本發(fā)明的衛(wèi)星姿態(tài)控制方法可以減輕飛行器重量，節(jié)約星載空間并易于操縱。
【IPC分類】B64G1-28
【公開號(hào)】CN104724301
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510124996
【發(fā)明人】李桂丹, 李?？? 李斌
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月19日