[发明专利]一种基于变速控制力矩陀螺群的故障重构方法及系统

权利要求书

1.一种基于变速控制力矩陀螺群的故障重构方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)建立包含N个变速控制力矩陀螺的陀螺群的角动量模型，具体为：

其中，δ＝[δ₁，δ₂，…，δ_N]^T为变速控制力矩陀螺群框架角矢量阵，[sin(δ)]^d为sin(δ)的对角阵，B为变速控制力矩陀螺群框架角δ＝[0°,0°,…,0°]^T的角动量矢量阵；A为变速控制力矩陀螺群框架角δ＝[90°,90°,…,90°]^T的角动量矢量阵；h₀为变速控制力矩陀螺的标称角动量；h为N个变速控制力矩陀螺群的合成角动量，H_i是第i个变速控制力矩陀螺群的标称角动量在航天器本体系三轴的分量；

(2)建立包含N个变速控制力矩陀螺的陀螺群的动力学模型，具体为：

式中，是N个变速控制力矩陀螺群的合成角动量的变化率，C(δ,Ω)＝A_tI_sw[Ω]^d，[Ω]^d＝diag(Ω)为变速控制力矩陀螺群高速转子转速对角阵；D(δ)＝A_sI_sw[Ω]^d，为变速控制力矩陀螺群的框架角速度矢量，I_sw＝[I_sw1 I_sw2…I_swN]^T是变速控制力矩陀螺群的高速转子转轴惯量，为变速控制力矩陀螺群的高速转子加速度矢量；矩阵A_t可表示为

cβ＝cos(β)，sβ＝sin(β)，cδ_i＝cos(δ_i)，sδ_i＝sin(δ_i)，i＝1,2,…,N；δ_i为第i个变速控制力矩陀螺框架转角；Α_s为角动量分配阵，且Α_s为Α_t的导数；

(3)当某变速控制力矩陀螺发生低速故障后，重新计算组合的标称框架角δ_CMG0和按照高速转子的标称角动量h₀；

重新计算组合的标称框架角δ_CMG0和按照高速转子的标称角动量h₀，具体为：

(3.1)对N个变速控制力矩陀螺遍历进行如下计算:

h_wi,1＝sin(δ_i)*A(1,i)+cos(δ_i)*B(1,i)；

h_wi,2＝sin(δ_i)*A(2,i)+cos(δ_i)*B(2,i)；

h_wi,3＝sin(δ_i)*A(3,i)+cos(δ_i)*B(3,i)；

h_wi＝[h_wi,1 h_wi,2 h_wi,3]^T；

其中h_wi为(3×1)向量，是第i个变速控制力矩陀螺的高速转子角动量，A(1,i)、A(2,i)、A(3,i)分别矢量阵A中的第i列中的第一行、第二行和第三行元素；B(1,i)、B(2,i)、B(3,i)分别矢量阵B中的第i列中的第一行、第二行和第三行元素；

(3.2)对向量h_wi进行归一化处理；

(3.3)计算高速转子角动量矢量C_wh为

C_wh＝[h_w1 h_w2......h_wN]^T；

(3.4)对于不使用的变速控制力矩陀螺，将C_wh对应的列清为零；计算动量轮组分配阵D_wh计算为

(3.5)计算动量轮模式的奇异度量，具体为

J_D＝e₁₁e₂₂e₃₃+e₂₁e₃₂e₁₃+e₃₁e₂₃e₁₂-e₁₃e₂₂e₃₁-e₁₂e₂₁e₃₃-e₁₁e₃₂e₂₃

其中J_D为动量轮模式的奇异度量,选取标称框架角δ_CMG0使得动量轮组构型奇异度J_D最大,

(3.6)选取h₀使得合成角动量H为零,将标称角动量值初始值选为全零；

合成角动量为：

其中：h_0i为选取的第i个变速控制力矩陀螺的高速转子的标称角动量；

(4)按照选定的变速控制力矩陀螺组合、其标称框架角δ_CMG0和高速转子的标称角动量h₀，将低速框架角转动到位后锁定，高速转子转动到h₀后进行三轴姿态控制；

(5)将变速控制力矩陀螺切换为动量轮组工作，根据新的角动量包络调整姿态机动的角速度和角加速度以及相关控制器参数，从而完成基于变速控制力矩陀螺群的故障重构。