[发明专利]一种基于鲁棒伪逆操纵率的SGCMG故障在轨预案设计方法

说明书

本发明公开了一种卫星采用单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为姿态控制执行机构时，基于鲁棒伪逆操纵率的单框架控制力矩陀螺故障预案设计方法，首先根据控制力矩陀螺群的构形和各个单框架控制力矩陀螺框架轴的方向布置，确定陀螺群的角动量H与力矩矩阵C；然后设计鲁棒伪逆操纵率；最后针对控制力矩陀螺在轨易出现的故障：通断故障、内转子转速不稳定故障、通讯故障、外框架卡死、外框架转速不变故障，基于鲁棒伪逆算法，通过星上自主诊断和预案设计，能够在n‑3个(n为控制力矩陀螺群中SGCMG的个数)SGCMG故障下也能基本保证星体姿态的正常对地控制。本发明能够提高卫星在轨实时自主诊断能力，减少对地面的依赖，避免地面解决措施的延时，增强安全性，降低整星风险。

技术领域

本发明涉及单框架控制力矩陀螺故障(SGCMG)在轨预案设计方法，具体涉及一种基于鲁棒伪逆操纵率的SGCMG故障在轨预案设计方法。

背景技术

随着空间技术的发展，现代卫星结构尺寸越来越复杂，星体转动惯量大，且具有快速姿态机动的要求，对星上执行机构提出了输出角动量大，力矩输出大的要求。单框架控制力矩陀螺通过控制外框架转动，能够在较短时间内将较高角动量控制到要求目标指向，且输出连续的、较精确的力矩，输出力矩的范围大，能够满足大惯量卫星大角度姿态快速机动要求同时满足高精度高稳定度指标。

整个单框架力矩陀螺包括三大部分：即内转子飞轮、内框架系统、外框架系统，内转子飞轮安装在内框架上，以恒定高速旋转；内框架安装在外框架上，并低速旋转。内框架高速转动的轮体以固定的转速保持角动量，通过控制外框架转动，在垂直于框架与轮体角动量的方向产生陀螺力矩：

式中：为外框架转动速度，H为控制力矩陀螺的轮体角动量，陀螺力矩T_SGCMG作用到星体上使得运动状态变化。

根据SGCMG的力矩特性，当进行单轴控制时，至少需要两个SGCMG(如图1所示，星体Z向采用两个控制力矩陀螺，X、Y向采用反作用飞轮控制)；当进行三轴姿态控制时，至少需要三个SGCMG，又由于SGCMGs自身固有的奇异问题，需要附加冗余度来解决，因此要实现三轴姿态控制则系统需要配置4个或4个以上的控制力矩陀螺构成控制力矩陀螺群(SGCMGs)(如图2和图3所示的五棱锥构型和金字塔构型)。

故由于控制力矩陀螺的结构复杂，在轨容易发生的故障状况多，在轨使用时易出现以下故障：通断状态、内转子转速不稳定、通讯故障、外框架卡死、外框转速不变，当发生上述故障时，将会对星体姿态带来较大影响，严重时将会影响整星任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于鲁棒伪逆操纵率的SGCMG故障在轨预案设计方法，通过星上算法自主智能设计，它能够在n-3个(n为控制力矩陀螺群中SGCMG的个数)SGCMG故障下也能基本保证星体姿态的正常对地控制，从而有效提高卫星在轨实时自主诊断能力，减少对地面的依赖，避免地面解决措施的延时，增强安全性，降低整星风险。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于鲁棒伪逆操纵率的SGCMG故障在轨预案设计方法，包含以下步骤：

步骤S1、根据控制力矩陀螺群的构型和各个陀螺框架轴的方向，确定陀螺群的角动量H和力矩输出矩阵C；

步骤S2、根据最小化伪逆解和奇异可控原则设计控制力矩陀螺外框架转速鲁棒伪逆操纵率；

步骤S3、对卫星在轨控制力矩陀螺故障进行自主诊断与预案执行；当所述故障为通断故障时，执行步骤S4；当所述故障为内转子转速不稳定故障时，执行步骤S5；当所述故障为通讯故障时，执行步骤S6；当所述故障为外框架卡死故障时，执行步骤S7；当所述故障为外框架转速不变故障时，执行步骤S8；

步骤S4、对控制力矩陀螺的通断故障进行星上自主诊断，鲁棒伪逆操纵率智能切换解算正常控制力矩陀螺的外框架转速指令；