[发明专利]一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，适用于航天器控制系统地面测试时的动量轮力矩测量，也可推广应用于其它类似转动机构的有低转速测量需要的场合。

背景技术

动量轮是航天器上最常用的执行机构之一，是实现航天器姿态闭环控制的重要环节。其基本原理是，通过调节动量轮转速，进行动量轮与航天器本体之间的角动量交换，进而实现航天器姿态转角控制。其本质是动量轮与航天器本体之间的相互力矩作用。在航天器控制系统地面测试中，需要根据动量轮输出的转速信息，计算动量轮作用于航天器的反作用力矩，并作为航天器姿态动力学模型的输入，经解算后获得航天器的姿态信息。因此，动量轮的力矩测量是控制系统地面测试中的一项重要工作。

动量轮的力矩测量方式可分为两大类：

(1)采用专门的硬件设备进行测量，通常是将动量轮置于单轴气浮台上，并将气浮台与力矩器联接，基于力矩平衡原理利用力矩器的输出来测量动量轮的力矩(参考文献：邵长胜，邓正隆.卫星姿控仿真系统中的力矩传感器.宇航学报,2000,21(4):90-94)。这类方法需要研制专门的硬件设备，成本昂贵，使用复杂。

(2)以转速测量为基础的测量方法，其基本原理是通过转速差分获得角加速度，再将角加速度与转动惯量相乘即得动量轮的反作用力矩。这类方法属于软件式测量方法，实现起来比较简单，基本上不需要增加额外的硬件设备，因而在控制系统的地面测试中获得了广泛应用。这类方法又可分为3种子类：a)直接利用测量的角速度信息进行差分计算，由于转速采集存在时延和误差(尤其是低转速时)，这种直接计算方法存在较大弊端，通常只在要求不高的场合使用；b)对转速数据进行滤波处理，这种方法虽然可以降低测量噪声带来的误差，但却引入了更多的时间滞后；c)利用控制电压或电机电流等信息、结合转速信息，构建线性状态观测器(参考文献[1]：王炳全，李瀛，杨涤.改善反作用轮低速性能的补偿观测器方法.空间科学学报,1999,19(4):362-367。参考文献[2]：李连军，戴金海.反作用轮低速特性观测补偿方法.国防科技大学学报，2005,27(1):39-43)，其缺点是需要额外引入动量轮的控制电压或电流信息，而绝大多数动量轮通常都不提供控制电压或驱动电流的地面测量接口；当然，控制电压等测量信息是可以通过星上遥测得到的，但受遥测机制的限制，这些遥测信息有0.5s(快帧)甚至8s以上(慢帧)的时延，因此是难以直接应用于观测器中的。

综上所述，现有的动量轮力矩测量方法都存在一定的局限性。尤其是对于低转速(300转/分钟以下)贫信息(仅能获得转速脉冲信息)条件下的力矩测量而言，第二大类方法(即软件式测试方法)效果不佳。主要困难在于，在低转速时动量轮的转速测点很少(目前工程上使用的动量轮测速方式多为每转出24或36个脉冲的方式)，存在较大的时延和测量误差，若直接根据转速信息进行差分求导来计算反作用力矩，其误差往往非常大，以至于无法使用；并且低转速时尤其是零转速附近摩擦力矩的特性非常复杂，基于建模的观测器方法也难以取得好效果。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有以转速测量为基础的动量轮力矩测量方法的不足，提出一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，既克服了直接利用原始转速信息进行差分求导的弊端，又避免了额外引入动量轮控制电压或电流信息的困难，有效提高了力矩测量的准确性和实时性，尤其适用于低转速贫信息条件下的动量轮力矩测量。

本发明的技术解决方案：一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，其特征在于步骤如下：

(1)将动量轮转速的历史测量值及当前k时刻测量值按时间顺序排成一个转速测量值序列，计算当前k时刻的转速均方差，根据该均方差和k-1时刻计算的平均相对建模误差的大小自动调整建模数据长度，k为大于等于1的整数。

(2)根据步骤(1)获得的建模数据长度，构建新陈代谢型离散灰色预测模型，由该模型计算得到动量轮转速的一步预测值，将该预测值与历史预测值按时间顺序排成一个转速预测值序列。

(3)根据步骤(1)得到的转速测量值序列和步骤(2)得到的转速预测值序列，计算当前k时刻的平均相对建模误差。

(4)根据步骤(3)得到的当前k时刻的平均相对建模误差决定当前时刻的力矩计算模型，根据该模型计算得到当前时刻的力矩。

(5)将步骤(3)得到的平均相对建模误差返回到步骤(1)。

所述的步骤(1)中自动调整建模数据长度的方法如下：

(1)初始时令建模数据长度N为区间[5,15]中的某一个值；