[发明专利]一种双回路卫星姿态跟踪控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天测量与控制技术领域，具体的说，是一种适用于微小卫星的双回路卫星姿态跟踪控制装置及方法。

背景技术

目前大部分对姿态机动能力和高精度稳定控制有较高要求的卫星姿控分系统，比如大部分零动量控制卫星的姿控分系统，普遍采用常规PID轮控算法实施卫星控制。随着卫星姿态控制需求的不断提高，对卫星姿态控制提出了更多的机动和控制精度的要求，而现有控制方法无法同时兼顾实现卫星姿态跟踪控制和较高的跟踪控制精度。

因此，为了减少星上姿控算法的复杂程度以及提高姿控软件的可靠性，满足任务多样化的控制需求、提高卫星适应能力，需要对现有卫星姿态跟踪控制方式进行改进。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种双回路卫星姿态跟踪控制装置及方法，其能够减少星上姿控算法的复杂程度以及提高姿控软件的可靠性，满足任务多样化的控制需求、提高卫星适应能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种双回路卫星姿态跟踪控制装置，包括内环回路和外环回路构成的姿控闭环；所述内环回路包括依次连接的内环控制器、结构滤波模块、延迟模块以及陀螺敏感器；所述外环回路包括依次连接的外环控制器、内环控制器、结构滤波模块、延迟模块、积分模块以及星敏感器；其中，所述内环回路中的内环控制器、结构滤波模块以及延迟模块与所述外环回路共用，所述外环回路的带宽小于所述内环回路；通过内环回路消除卫星姿态角速度偏差，通过外环回路消除卫星姿态角度偏差并控制系统的稳定性。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种采用本发明所述的双回路卫星姿态跟踪控制装置的双回路卫星姿态跟踪控制方法，包括以下步骤：（1）外环控制器根据输入的姿态跟踪角度导引律控制系统稳定及卫星姿态角误差为零；（2）内环控制器对输入的卫星姿态角速度进行抑制后，经过结构滤波模块低通滤波以及延迟模块延迟后为卫星星体提供控制力矩，控制力矩与干扰力矩共同作用于卫星星体+卫星太阳能帆板耦合动力学模型后输出的角速度信号；（3）陀螺敏感器测得卫星姿态角速度信息输出一包含测速误差的测量角速度，反馈至所述内环控制器，消除卫星姿态角速度偏差；（4）积分模块将卫星星体+卫星太阳能帆板耦合动力学模型输出的角速度信号积分得到姿态角信号，之后星敏感器输出一包含测角误差的测量姿态角，反馈至所述外环控制器，消除卫星姿态角度偏差并控制系统的稳定性。

本发明的优点在于：基于内外环双环姿态控制结构，内环消除卫星姿态角速度偏差，外环消除姿态角度偏差并保证系统的稳定性，同时解决高精度稳态控制和高精度姿态跟踪控制；同时设计了前馈结构控制器来保证卫星对姿态机动能力。通过双回路PID轮控+前馈控制的设计，兼顾解决了高精度稳态控制和高精度姿态跟踪控制问题，减少了星上姿控算法的复杂程度和提高姿控软件的可靠性，满足任务多样化的控制需求，提高卫星适应能力，提高用户体验。

附图说明

图1，本发明所述的双回路卫星姿态跟踪控制装置的架构图；

图2，本发明所述的双回路卫星姿态跟踪控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种双回路卫星姿态跟踪控制装置及方法的具体实施方式做详细说明。

参见图1，本发明所述的双回路卫星姿态跟踪控制装置架构图。所述装置包括内环回路和外环回路构成的姿控闭环，也即双回路PID轮控。

所述内环回路包括依次连接的内环控制器111、结构滤波模块112、延迟模块113以及陀螺敏感器114。所述外环回路包括依次连接的外环控制器121、内环控制器111、结构滤波模块112、延迟模块113、积分模块122以及星敏感器123。其中，所述内环回路中的内内环控制器111、结构滤波模块112以及延迟模块113与所述外环回路共用，所述外环回路的带宽小于所述内环回路；通过内环回路消除卫星姿态角速度偏差，通过外环回路消除卫星姿态角度偏差并控制系统的稳定性。

深入分析现有卫星控制算法技术的局限性，仿真发现，为了提高卫星姿态机动控制能力，通常将常规PID控制算法中的PID参数提高，从而提高了卫星带宽，但是这样的参数设计对角速度测量单机的噪声特性有较强的响应，从而引入了测量单机噪声，降低了控制精度。本发明提出的双回路控制中内环回路对角速度进行控制，能较好的降低角速度测量单机的噪声响应特性，提高了卫星控制精度。也即，利用内环回路抑制速度噪声和干扰，消除卫星姿态角速度偏差。本发明提出的双回路控制中外环回路对角度进行控制，也即用带宽较窄的外环回路克服角度噪声的影响，增强了系统稳定性，提高控制稳态裕度。