[发明专利]一种趋向目标框架角的控制力矩陀螺群操纵律实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星频繁进行任意轴向任意角度的机动任务中，确保控制力矩陀螺群持续大力矩输出能力的操纵技术，具体地，涉及一种趋向目标框架角的控制力矩陀螺群操纵律实现方法。

背景技术

单框架控制力矩陀螺群是一种被广泛采用的大力矩执行机构，通过合适的冗余配置，能够响应任意轴向的力矩指令，实现卫星任意轴向的快速姿态机动。从国外的使用情况来看，工程上主要采用带零运动的伪逆操纵律来实现对控制力矩陀螺群的控制。

目前国内在零运动操纵律的设计方面主要仍然是采用经典的梯度方式，该方法通过奇异量度来衡量当前框架角状态远离奇异的程度，而框架角空间是一个高维度空间，仅靠奇异量度这个一维标量并不能完整描述当前框架角与各个奇异状态之间的相对位置关系。

采用梯度函数设计的操纵律在控制过程中，只以奇异量度的局部最大值作为控制目标，控制系统并不能直观了解到当前框架角与奇异框架角之间的全局关系，因此这类零运动具有一定的局限性，无法适应复杂的机动任务。此外，其算法在对奇异量度求偏导过程中，计算量较大，不利于星上计算机在轨实现。

随着对卫星快速、连续姿态机动能力要求的不断提高，需要设计出切实能够用于在轨卫星的控制力矩陀螺群操纵律，为实现对框架角位置的可控，需要研制以指定框架角为目标框架角的控制力矩陀螺群操纵律。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种趋向目标框架角的控制力矩陀螺群操纵律实现方法，在框架角空间选定一个目标框架角位置，通过设计合适的零运动，规划出系统在框架角空间的运动路径，在响应指令力矩的同时回避途中的奇异点，实现连续大力矩输出能力。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种趋向目标框架角的控制力矩陀螺群操纵律实现方法，包括如下步骤：

步骤S1，根据控制力矩陀螺群当前框架角位置，计算力矩矩阵C、奇异量度D和投影矩阵R；

步骤S2，根据控制律给出的指令力矩T_c和步骤S1中得到的参数，计算框架转速指令中对应的力矩产生运动和指令力矩T_c对应的饱和奇异框架角状态δ^sj(j＝1)，并在此基础上计算指令力矩T_c对应的剩下的2^n-1个奇异框架角状态δ^sj(j＝2，...，2ⁿ)；

步骤S3，计算2ⁿ个奇异框架角状态的评价指标t_j并排序，获得评价指标t_j取得最小正值时对应的奇异框架角状态δ^sk；

步骤S4，判断当前所处姿态机动阶段，针对不同阶段设定相应的机动目标框架角和零运动大小上限值；

步骤S5，根据约束条件确定不同阶段零运动大小的约束系数，综合比较获得最终零运动大小，并与力矩产生运动合并，输出控制力矩陀螺群框架转速指令。

优选地，在步骤S2中，所述力矩产生运动与力矩矩阵C和指令力矩T_c之间的关系为：

优选地，在步骤S3中，通过排序选择当前最优先需要回避的奇异框架角状态，评价指标排序采用如下方式：

式中：

<Δδ_j>为向量Δδ_j的单位向量；

||Δδ_j||为向量Δδ_j的模长；

Δδ_j＝δ^sj-δ，δ为当前框架角位置向量；

为上一控制周期的框架角速度向量；

通过排序得到使评价指标取t_j最小正值的奇异框架角状态，记录其下标j＝k，将δ^sk作为当前首先需要回避的奇异框架角状态。

优选地，在步骤S4中，所述姿态机动阶段包括加速匀速阶段、减速阶段和稳定阶段；针对所处姿态机动阶段，设定不同阶段的机动目标框架角和零运动大小上限值，其中，加速匀速阶段机动目标框架角为饱和奇异框架角状态且零运动大小限幅减速阶段机动目标框架角为预设初始框架角δ₀且零运动大小限幅稳定阶段机动目标框架角为保持预设初始框架角δ₀位置且零运动大小限幅