[发明专利]一种平流层卫星六自由度动力学建模与级联控制方法

权利要求书

1.一种平流层卫星六自由度动力学建模与级联控制方法，其特征在于：该方法具体步骤如下： 

第一部分：建立平流层卫星的六自由度动力学模型 

步骤一建立地面坐标系、帆坐标系、球气流坐标系和帆气流坐标系； 

步骤二选取气球系绳点的经度、纬度和高度，系绳的倾角和侧偏角以及气动帆的偏航角为系统的广义坐标，并分别计算出对应各广义坐标的非保守的广义力； 

步骤三分别计算出气球、系绳和气动帆的动能和势能，这里气球仅考虑其平动动能，而系绳和气动帆则考虑其平动动能和转动动能，以地面坐标系水平面为势能零点； 

步骤四根据第二类拉格朗日方程得到平流层卫星的六自由度动力学模型，并将其整理为矩阵形式； 

第二部分：设计基于级联子系统的平流层卫星经向偏移控制律 

步骤五根据预定纬度轨道位置和经度偏移位置规划消除平流层卫星经向偏移的期望轨迹； 

步骤六从六自由度动力学模型提取“球-绳子系统”模型，并用反馈线性化方法设计跟踪平流层卫星经向期望轨迹所需的系绳侧偏角； 

步骤七从六自由度动力学模型提取“绳-帆子系统”模型，并用反馈线性化方法设计跟踪系绳侧偏角所需的气动帆偏航角； 

步骤八从六自由度动力学模型提取“帆-舵子系统”模型，并用反馈线性化方法设计跟踪气动帆偏航角所需的方向舵偏角； 

步骤九根据控制律设计中“舵控制帆”、“帆控制绳”和“绳控制球”的要求，选取对应的级联子系统控制参数使得：“帆-舵子系统”的闭环系统响应速度快于“绳-帆子系统”的闭环系统响应速度，且“绳-帆子系统”的闭环系统响应速度快于“球-绳子系统”的闭环系统响应速度，从而实现平流层卫星经向偏移的高精度控制。 

2.根据权利要求1所述的一种平流层卫星六自由度动力学建模与级联控制方法，其特征在于：步骤一中所述的“建立地面坐标系、帆坐标系、球气流坐标系和帆气流坐标系”基于以下假设： 

i)视地面坐标系为惯性坐标系； 

ii)气球始终处于浮重平衡状态且不考虑其转动； 

iii)系绳为直线状并忽略其扭转及气动力影响； 

iv)气动帆始终于铅垂面内运动； 

v)忽略高度方向气流影响； 

定义相关坐标系如下： 

1)地面坐标系O_ex_ey_ez_e：原点O_e为地面一固定点；O_ex_e轴朝正东方向；O_ez_e轴竖直向下；O_ey_e轴与O_ex_e、O_ez_e构成右手坐标系； 

2)气动帆坐标系O_Sx_Sy_Sz_S：与气动帆固连，原点O_S为帆系绳点，O_Sx_S轴沿平衡杆向前；O_Sz_S轴在帆对称平面内垂直O_Sx_S向下；O_Sy_S轴与O_Sx_S、O_Sz_S构成右手系； 

3)球气流坐标系O_Bx_Bay_Baz_Ba：原点O_B为球系绳点，O_Bx_Ba轴沿气球空速方向；O_Bz_Ba轴在含O_Bx_Ba的铅垂平面内垂直O_Bx_Ba向下；O_By_Ba轴垂直于面O_Bx_Baz_Ba向右； 

4)帆气流坐标系O_Sx_Say_Saz_Sa：原点O_S为帆系绳点，O_Sx_Sa轴指向气动帆空速方向；O_Sz_Sa轴在包含O_Sx_Sa的铅垂平面内垂直O_Sx_Sa向下；O_Sy_Sa轴垂直面O_Sx_Saz_Sa向右。