[发明专利]一种控制力矩陀螺群的高精度力矩输出控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种敏捷卫星姿态控制执行机构控制力矩陀螺群的高精度力矩输出控制方法，通过该方法的设计弥补单框架控制力矩陀螺的奇异性缺陷，提高控制力矩陀螺群的力矩输出精度。

背景技术

敏捷卫星借助姿态的敏捷机动具有大幅宽和高分辨率成像的双重能力，已成为小卫星重要的发展方向之一。目前，卫星姿态控制系统的执行机构主要包括三大类：(1)推力器；(2)飞轮执行机构：包括反作用轮、(偏置)动量轮、框架动量轮和控制力矩陀螺；(3)环境力矩执行机构。控制力矩陀螺因其能够输出大力矩的优点成为空间站等大型卫星进行姿态控制的最佳选择。单框架控制力矩陀螺又因其力矩放大和动态性能良好的特点成为高敏捷小卫星姿态执行机构的最佳选择。

单框架控制力矩陀螺输出力矩的原理是通过以一定的角速度改变高速转子的角动量方向，从而达到力矩输出的目的。而单个的控制力矩陀螺只具有一个自由度的力矩输出能力，因此要进行卫星姿态的三轴稳定控制，需要至少三个以上的控制力矩陀螺。由多个控制力矩陀螺组成的控制力矩陀螺群具有两个问题：(1)控制力矩陀螺群的构型，不同的构型具有不同的力矩输出能力；(2)控制力矩陀螺群的奇异性问题，当操纵这群控制力矩陀螺输出力矩时，控制力矩陀螺群的力矩方程矩阵中的列矢量会出现相互平行的情况，这种状态会导致控制力矩陀螺群不能在与各列矢量的正交方向输出力矩，或者当力矩方程矩阵中的列矢量位于同一个平面内时，控制力矩陀螺群也不能在垂直于此平面的方向上输出力矩，以上情况下控制力矩陀螺群失去三维控制能力，陷入奇异状态。所以操纵律设计所面临的最主要的基本问题是解决控制力矩陀螺群的奇异问题。

控制力矩陀螺群操纵律奇异回避性能的设计决定着卫星姿态执行机构的力矩输出精度，直接影响卫星的姿态稳定精度。因此，控制力矩陀螺群操纵律的奇异性是影响控制力矩陀螺应用必须突破的关键技术。现有的控制力矩陀螺操纵律设计有三类方法：伪逆操纵律、零运动操纵律、鲁棒操纵律设计。伪逆操纵律是直接对控制力矩陀螺群的构型矩阵求逆，当矩阵的维数小于3时，矩阵的逆不存在，因此，该操纵律算法不能够回避控制力矩陀螺群的奇异性问题；零运动操纵律能够回避控制力矩陀螺群的部分奇点，不能够回避全部奇异区域；鲁棒操纵律设计其实是伪逆操纵律的变形，唯一不同的是在此算法中，加入了可变的参数矩阵项，用这种操纵律计算得到的框架角速率命令来操纵控制力矩陀螺群，最终产生的输出力矩相对期望力矩就会有一定的偏差。也就是说，这种算法是牺牲控制力矩陀螺群力矩的输出精度来换取奇异的回避。因此，目前这三类控制力矩陀螺的操纵律设计方法均不能够满足对高敏捷卫星姿态控制的高精度要求。

中国专利：200810222230.7，名称“一种操纵律奇异回避的航天器姿态控制系统”中涉及控制力矩陀螺群的力矩输出控制方面的内容，主要是采用零运动算法、查表法和操纵律伪逆算法的切换解决航天器姿态控制系统中控制力矩陀螺群的奇异问题，该设计方法虽然在一定程度上避免了控制力矩陀螺群的奇异问题，但是零运动算法仅仅能够回避部分奇异点，另外零运动算法不能够回避的奇异区域需要经过计算用查表的方法解决，这种设计方法导致操纵律算法频繁切换，计算出的框架角速度跳跃性大，给力矩的高精度输出引入了误差，并且计算量大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对控制力矩陀螺群的奇异性问题，提供了一种控制力矩陀螺群的高精度力矩输出控制方法。

本发明的技术解决方案是：一种控制力矩陀螺群的高精度力矩输出控制方法，包括下列步骤：

(1)首先根据控制力矩陀螺群的构型、框架角位置建立控制力矩陀螺群的动力学模型，所述的动力学模型采用整个控制力矩陀螺群的角动量表示；