[发明专利]一种基于不同型谱单框架控制力矩陀螺的陀螺群构型设计方法

权利要求书

1.一种基于不同型谱单框架控制力矩陀螺的陀螺群构型设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A：根据总体任务需求，确定卫星质量特性及姿态控制的需求；

步骤B：确定卫星姿态控制所需的执行机构总角动量；

步骤C：确定满足姿态控制总角动量需求的SGCMG群构型；

步骤D：根据重量约束，选择替换SGCMG群中的若干SGCMG；

步骤E：分析/仿真替换后SGCMG群的角动量是否满足姿态控制需求；

在所述步骤C中在根据角动量需求选择SGCMG群构型时，需要考虑SGCMG群的各项静态性能指标，同时在工程应用中应考虑可靠性和单机冗余设计；

在所述步骤D中需在SGCMG群构型效益影响可接受的前提下，确定替换SGCMG的数量；替换原则为优先替换控制力矩陀螺群中对整个构型的效益影响较小的位置上的控制力矩陀螺；

所述卫星姿态控制主要分为稳态控制和姿态机动控制两类，其中卫星稳态控制过程对执行机构角动量的要求没有卫星姿态机动的角动量需求大，因此在选择执行机构总角动量时应该针对卫星姿态机动模式来分析所需角动量；卫星机动有加速、减速和稳定过程，取最大的机动角速度为0.9ωmax，ωmax为执行机构群能够提供的最大角速度，0.1ωmax作为设计余量，则：

其中，θJD为姿态机动角度，tr、tf、tm和T分别为卫星加速时间、减速时间、匀速机动时间以及总的机动时间指标，α为陀螺群效益，h为控制力矩陀螺角动量，I为卫星姿态机动轴的惯量，根据上述公式推导得到

在估算执行机构的总角动量时，加减速过程及姿态稳定时间根据经验值估算；分别取为：加减速时间各为15秒，稳定时间为80秒，则将相关设计输入带入上式估算得到

α·h≥107Nms (3)；

所述确定满足姿态控制总角动量需求的SGCMG群构型：为了使系统具备回避奇异状态的能力，同时也使执行机构在一部分SGCMG失效的情况下仍能完成三自由度力矩输出，SGCMG系统必须设计成冗余的，即SGCMG个数必须大于三自由度控制的维数，在根据姿态控制总角动量需求选择SGCMG群时，至少需要满足3个条件：①SGCMG群的构型效益满足(3)；②为了避免陀螺群在控制过程中出现显性奇异，要求陀螺群工作在可控效益下的角动量球内，即SGCMG群的可控效益需要满足(3)；③在工程设计中需要考虑执行机构的备份，要求1个或2个SGCMG失效后，执行机构仍能满足姿态控制要求，即SGCMG群的失效效益需要满足(3)。

2.如权利要求1所述的一种基于不同型谱单框架控制力矩陀螺的陀螺群构型设计方法，其特征在于：在所述步骤B中根据卫星质量特性及姿态控制的需求确定卫星姿态控制所需的角动量。

3.如权利要求1所述的一种基于不同型谱单框架控制力矩陀螺的陀螺群构型设计方法，其特征在于：在所述步骤E中，为了确保完成SGCMG替换后的SGCMG群满足卫星的姿态控制需求，可以进行理论分析和数学仿真，确保设计结果满足任务需求。