[发明专利]一种操纵律奇异回避的航天器姿态控制系统

权利要求书

1、一种操纵律奇异回避的航天器姿态控制系统，其特征在于包括：姿态控制器(1)、姿态测量单元(2)、陀螺群操纵律单元(3)、控制力矩陀螺群(4)和框架角位置测量单元(6)；姿态测量单元(2)实时监测航天器(7)的姿态信息并分别送至姿态控制器(1)和陀螺群操纵律单元(3)；框架角位置测量单元(6)实时监测控制力矩陀螺群(4)的框架角位置并送至姿态控制器(1)；姿态控制器(1)根据传来的姿态信息和框架角位置信息，确定控制力矩陀螺群(4)所需的力矩控制信号并送至陀螺群操纵律单元(3)；陀螺群操纵律单元(3)从姿态控制器(1)接收力矩控制信号，从姿态测量单元(2)接收航天器(7)的姿态信息，根据所述力矩控制信号和姿态信息判断控制力矩陀螺运转是否进入奇异区，并分别计算出奇异和不奇异两种情况下控制力矩陀螺的框架角速率值，将所述框架角速率值输入控制力矩陀螺群(4)的框架伺服系统，从而改变控制力矩陀螺群(4)的输出力矩，实现对航天器的高精度控制；所述的陀螺群操纵律单元(3)包括控制力矩陀螺角动量表(10)、伪逆操纵律算法模块(11)和零运动算法模块(12)，期望力矩值首先进入控制力矩陀螺角动量表(10)，由控制力矩陀螺角动量表(10)判断控制力矩陀螺运转是否进入奇异区，如果进入奇异区且该区域可回避则调用伪逆操纵律算法模块(11)和零运动算法模块(1 2)联合计算控制力矩陀螺的框架角速率值，如果进入奇异区且该区域不可回避则直接由控制力矩陀螺角动量表(10)查询给出控制力矩陀螺群(4)的框架角速率值，如果不经过奇异区则调用伪逆操纵律算法模块(11)计算或直接由控制力矩陀螺角动量表(10)查询给出控制力矩陀螺群(4)的框架角速率值。

2、根据权利要求1所述的一种操纵律奇异回避的航天器姿态控制系统，其特征在于：还包括姿态任务管理单元(5)，姿态任务管理单元(5)从姿态测量单元(2)接收航天器(7)的姿态信息，同时将任务分为任务执行过程和等待任务执行过程，当任务执行时，将航天器姿态机动所需的力矩值送至陀螺群操纵律单元(3)，由陀螺群操纵律单元(3)给出对应的框架角速率值并输入控制力矩陀螺群(4)的框架伺服系统；当等待任务执行时，陀螺群操纵律单元(3)接收姿态测量单元(2)的姿态信息和外部输入的有效载荷任务信息得到控制力矩陀螺群(4)在下一任务所需的期望力矩值，并判别控制力矩陀螺群在执行下一任务时是否进入奇异区，姿态任务管理单元(5)通过判断结果控制控制力矩陀螺群(4)的框架旋转，如果进入奇异区，控制陀螺群操纵律单元(3)将控制力矩陀螺群(4)的框架角位置调整至远离奇异区；如果不进入奇异区时，控制力矩陀螺群(4)保持当前框架角位置。

3、根据权利要求1或2所述的一种操纵律奇异回避的航天器姿态控制系统，其特征在于：所述的控制力矩陀螺角动量表(10)包含控制力矩陀螺群框架角速率(8)与控制力矩陀螺群角动量导数(9)的对应关系，以及奇异区域所对应的控制力矩陀螺框架角位置(13)信息，两组对应信息联合组成控制力矩陀螺角动量表(10)，可以判断控制力矩陀螺群是否进入奇异区域，同时也可以直接选择框架角速率值回避控制力矩陀螺群的奇异性。

4、根据权利要求1或2所述的一种操纵律奇异回避的航天器姿态控制系统，其特征在于：所述的调用伪逆操纵律算法模块(11)和零运动算法模块(12)联合计算控制力矩陀螺的框架角速率值的方法为：

首先计算奇异判别式D＝det(CC^T)的值，其中C为控制力矩陀螺群角动量的Jacobian矩阵，其表达式为：

C=J(σ)=-cβcosδ1sinδ2...cβcosδi-1-sinδi...cβcosδn-1-sinδnsinδ1-cβcosδ2...sinδi-1cβcosδi...sinδn-1cβcosδnsβcosδ1sβcosδ2...sβcosδi-1sβcosδi...sβcosδn-1sβcosδn,]]>

i＝1，2，…，n为控制力矩陀螺的个数，式中cβ＝cosβ，sβ＝sinβ；

如果D→0，采用零运动算法δ·0=α[En-CT(CCT)-1C]∂D∂δ]]>与伪逆操纵律算法δ·=C+h·=CT(CCT)-1h·]]>的结果相加得到框架角速率值，式中∂DT∂δ=(∂D∂δ1,∂D∂δ2,...,∂D∂δn),]]>陀螺群角动量的导数h·=-u-ω~h,]]>u为姿态控制器(1)的力矩控制信号、h=Σi=1nhi(δi)=M·h0]]>为陀螺群角动量值，

M=-cβsinδ1-cosδ2...cβsinδi-1cosδi...cβsinδn-1cosδn-cosδ1-cβsinδ2...-cosδi-1cβsinδi...-cosδn-1cβsinδnsβsinδ1sβsinδ2...sβsinδi-1sβsinδi...sβsinδn-1sβsinδn,]]>i＝1，2，…，n为控制力矩陀螺的个数，ω~=0-ωzωyωz0-ωx-ωyωx03×3]]>为星体角速率ω＝[ω_xω_yω_z]^T的反对称阵，h₀为陀螺群的角动量最大值，E_n为n阶单位矩阵；

如果D＞0，且远离零值，则直接由控制力矩陀螺角动量表(10)查询或者调用伪逆操纵律算法模块(11)计算得到框架角速率值。