本發(fā)明涉及一種帶有運動載荷的多級衛(wèi)星平臺姿態(tài)動態(tài)補償控制方法，屬于衛(wèi)星姿態(tài)控制領域。

背景技術：

1、高軌高光譜衛(wèi)星在成像過程中需要保持超高的姿態(tài)穩(wěn)定度來實現(xiàn)高分辨率的對地觀測能力，但是衛(wèi)星運動載荷的周期性運動對星體平臺產(chǎn)生擾動，加重了多級衛(wèi)星平臺的姿態(tài)耦合現(xiàn)象，嚴重影響多級衛(wèi)星平臺的姿態(tài)穩(wěn)定度與載荷的對地觀測能力；在多級控制系統(tǒng)快慢控制周期與敏感器存在時延的情況下，僅利用反饋測量的多級衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)不能完全消除運動載荷周期性的耦合擾動，進一步降低了多級衛(wèi)星平臺的姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定度。

2、面對帶有運動載荷的新型多級衛(wèi)星平臺，以往針對傳統(tǒng)單級衛(wèi)星的姿態(tài)前饋補償控制方法存在以下不足：(1)帶有運動載荷多級衛(wèi)星平臺的多級耦合現(xiàn)象嚴重，僅利用反饋測量的傳統(tǒng)單級姿態(tài)控制方法不能完全消除運動載荷周期性的耦合擾動，降低了多級衛(wèi)星平臺的姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定度；(2)多級衛(wèi)星平臺獨有的一、二級控制使多級控制系統(tǒng)包含兩種不同的控制周期，傳統(tǒng)的衛(wèi)星姿態(tài)補償控制方法不適用于具有不同控制周期的多級衛(wèi)星平臺；(3)工程應用中，前饋姿態(tài)補償?shù)男Ч麌乐匾蕾嚸舾衅鳒y量的真實性與角動量補償?shù)臏蚀_性，時延的存在導致姿態(tài)測量值與實際值相差巨大，降低了前饋姿態(tài)補償控制算法的補償效果。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，針對多級耦合擾動、快慢控制周期、前饋補償不精確與測量時延存在時的多級衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制問題，設計了一種帶有運動載荷的多級衛(wèi)星平臺姿態(tài)動態(tài)補償控制方法，該方法計算量不大，控制邏輯清晰簡潔，實用性較好。

2、本發(fā)明的技術方案是：一種帶有運動載荷的多級衛(wèi)星平臺姿態(tài)動態(tài)補償控制方法，包括：

3、根據(jù)帶有運動載荷的多級衛(wèi)星結構，建立多級衛(wèi)星的動力學模型；

4、根據(jù)得到的多級衛(wèi)星的動力學模型，設計多級衛(wèi)星上、下平臺的補償控制器，并對衛(wèi)星上、下平臺姿態(tài)進行補償；

5、根據(jù)建立的多級衛(wèi)星的動力學模型，設計多步預報動態(tài)前饋補償控制器，并對星體下平臺姿態(tài)進行動態(tài)前饋補償。

6、所述多級衛(wèi)星包括星體下平臺和上平臺，則多級衛(wèi)星的動力學模型包括多級衛(wèi)星上、下平臺的動力學模型，分別為：：

7、

8、式中，ωb分別表示下平臺角速度和角加速度，ib表示下平臺慣量矩陣，mds表示下平臺受到的干擾力矩，τb表示下平臺受到的控制力矩，mps表示上平臺對下平臺的作用力矩；ip表示上平臺的慣量，iguh,iwuh分別表示在上平臺坐標系下運動載荷的旋轉框架慣量和旋轉掃描鏡慣量，sgu,swu表示運動載荷的旋轉框架慣量積和旋轉掃描鏡慣量積，分別表示旋轉框架和旋轉掃描鏡的角加速度，tu表示上平臺受到的控制力矩；iσuh為旋轉框架慣量在旋轉框架坐標系下的表示，iωuh為旋轉掃描鏡慣量在旋轉掃描鏡坐標系下的表示；γz＝[0?0?1]t，γx＝[1?0?0]t；l表示上平臺受到的擾動力矩。

9、所述擾動力矩l具體表示為：

10、

11、其中ω表示旋轉掃描鏡角速度、為表示在旋轉框架坐標系下旋轉框架慣量的導數(shù)、表示旋轉框架角速度、為表示在旋轉掃描鏡坐標系下旋轉掃描鏡慣量的導數(shù)、ωp表示上平臺角速度、hs表示旋轉掃描附件角動量、vp表示上平臺速度、ps表示旋轉掃描鏡動量，為表示在上平臺坐標系下旋轉框架慣量的導數(shù)，為表示在上平臺坐標系下旋轉掃描鏡慣量的導數(shù)。

12、所述多級衛(wèi)星下平臺的補償控制器為

13、τb＝kbp1qbe+kbi1∫qbedt+kbd1δωbe+τcb

14、其中kbp1,kbi1,kbd1為下平臺姿態(tài)pid控制器的控制參數(shù)，分別表示比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)；qbe表示下平臺姿態(tài)誤差四元數(shù)，δωbe表示角速度誤差。

15、下平臺采用角動量的方式對下平臺姿態(tài)進行控制補償，在下平臺的控制周期t中，對于下平臺的姿態(tài)補償力矩τcb具體為：

16、

17、其中δhb為下平臺t周期內的角動量補償值，計算方法如下：

18、

19、其中，t表示上平臺的控制周期；f2i為第i個t周期內上平臺受到的運動掃描鏡的平均干擾力矩，具體計算方式如下：

20、

21、其中符號表示變量在t周期內的平均值。

22、所述多級衛(wèi)星上平臺的補償控制器為

23、τp＝kpp1qpe+kpi1∫qpedt+kpd1δωpe+f2'

24、其中kpp1,kpi1,kpd1表示上平臺姿態(tài)pid控制器的控制參數(shù)，分別表示比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)；qpe表示上平臺姿態(tài)誤差四元數(shù)，δωpe表示角速度誤差；

25、上平臺采用力補償?shù)姆绞綄πl(wèi)星上平臺的擾動進行補償，上平臺的姿態(tài)補償力矩為

26、根據(jù)建立的多級衛(wèi)星的動力學模型，設計多步預報動態(tài)前饋補償控制器，并對星體下平臺姿態(tài)進行動態(tài)前饋補償，包括：

27、根據(jù)多級衛(wèi)星的動力學模型，設置采樣周期t，將多級衛(wèi)星的動力學模型離散化為

28、x(k+1)＝fx(k)+g[u(k)+w(k)]

29、其中，u(k)表示離散系統(tǒng)的輸入，w(k)表示系統(tǒng)的非線性輸入；g表示輸入矩陣，f表示系統(tǒng)矩陣；

30、則多步預報觀測器如下：

31、

32、其中表示預報狀態(tài)值，k表示增益矩陣，c為觀測矩陣；

33、令多步預報誤差則多步預報誤差方程為：

34、

35、找到誤差增益矩陣k使fn+1-kc的特征根在單位圓內，并將預報值代替下平臺的測量值qbe、δωbe，并更新星體下平臺控制器τb；

36、設計動態(tài)前饋姿態(tài)補償控制器，對星體下平臺進行姿態(tài)動態(tài)前饋補償，所述星體下平臺動態(tài)前饋補償控制器為：

37、τb＝kbp1qbe'+kbi1∫qbe'dt+kbd1δωbe'+τck

38、其中，qbe',δωbe'為多步預報觀測器預報值，τck表示星體下平臺的動態(tài)前饋補償力矩。

39、所述輸入矩陣g與系統(tǒng)矩陣f的計算方法如下：

40、g＝g1b

41、

42、其中a表示多級衛(wèi)星連續(xù)模型中的狀態(tài)矩陣，b表示輸入矩陣，i表示單位矩陣。

43、所述星體下平臺的動態(tài)前饋補償力矩τck的計算方式如下：

44、τck＝τcb+α(τpb-τcb)

45、其中τpb表示asp平臺對下平臺的反作用力，α表示動態(tài)補償系數(shù)增益。

46、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

47、(1)僅利用反饋測量的傳統(tǒng)單級姿態(tài)控制方法不能完全消除多級衛(wèi)星平臺中運動載荷所產(chǎn)生的周期性耦合擾動，本發(fā)明提供的一種帶有運動載荷的多級衛(wèi)星平臺姿態(tài)動態(tài)補償控制方法，結合運動掃描附件的精細化動力學模型及其運動規(guī)律，利用多級衛(wèi)星平臺擾動的傳遞特性，對以asp平臺為基礎的上平臺控制系統(tǒng)和下平臺的一級控制系統(tǒng)同時設計多級衛(wèi)星系統(tǒng)的姿態(tài)前饋補償控制器，可提高多級衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定性；

48、(2)本發(fā)明首次針對多級衛(wèi)星平臺特有的快慢控制周期特點，在下平臺控制周期內計算下平臺受到的擾動，并基于角動量守恒原理設計了下平臺的姿態(tài)前饋補償控制器；在上平臺控制周期內利用運動載荷的期望軌跡計算擾動力矩，并基于力矩補償?shù)姆绞皆O計了上平臺的姿態(tài)前饋補償控制器。本發(fā)明設計的姿態(tài)前饋補償控制器在多級衛(wèi)星平臺特有的快慢控制周期情況下，可實現(xiàn)多級擾動的同步、精確補償。

49、(3)本發(fā)明提出的多步預報動態(tài)補償控制方法，通過設計多步預報觀測器，實現(xiàn)了星體平臺姿態(tài)的實時觀測；通過設計動態(tài)補償增益，實現(xiàn)了擾動的動態(tài)精確補償。解決了傳統(tǒng)衛(wèi)星前饋補償不精確、測量時延導致的姿態(tài)擾動問題，實現(xiàn)了多級衛(wèi)星擾動的動態(tài)精確補償。