[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

说明书

一种基于变速控制力矩陀螺群的故障重构方法及系统，适用于具有大角度快速机动和快速进入稳定工作状态的控制领域。航天器配备变速控制力矩陀螺，可以实现在大角度姿态机动过程中采用CMG控制模式，稳态控制时可采用高精度的动量轮控制方式。在轨运行中，当出现某个CMG故障后，往往切除该CMG，使用其他正常CMG进行姿态控制。对于变速CMG，若发生CMG低速故障而其高速转子工作正常，则可以将该故障CMG与其他CMG通过重构，转动到某种框架角位置后按照动量轮组进行姿态控制，实现变速控制力矩陀螺群的故障重构使用。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种基于变速控制力矩陀螺群的故障重构方法及系统。

背景技术

商业遥感卫星国内外用户对高分辨率、敏捷对地观测任务需求提出的新一代敏捷卫星平台，具备航天器三轴姿态敏捷机动与快速稳定控制。航天器姿态执行机构，不仅具备大角度快速机动和快速进入稳定工作状态的控制能力，而且还具备在卫星成像时保持高的姿态指向精度和高稳定度的能力。为实现整星多轴快速姿态机动要求，卫星一般采用控制力矩陀螺(CMG)群及其相应控制算法。卫星广泛采用的技术手段为：

(1)采用控制力矩陀螺群进行卫星姿态控制。具体步骤为首先根据CMG实时测量的框架角，计算雅克比矩阵、奇异度及奇异回避向量，其次在根据奇异度计算奇异点规避参数，最后根据雅克比矩阵、期望力矩，计算各个CMG框架角速度指令，进行姿态控制。

(2)当某个CMG发生故障后，卫星采用其他执行机构进行姿态控制，当故障CMG高速滑行到位、新的CMG组合框架角运动到标称框架角后，卫星再转入新的CMG组合的姿态控制方式。

当出现某个CMG故障后，往往切除该CMG，使用其他正常CMG进行姿态控制。对于变速CMG，若发生CMG低速故障而其高速转子工作正常，则可以将该故障CMG与其他CMG通过重构，转动到某种框架角位置后按照动量轮组进行姿态控制，实现变速控制力矩陀螺群的故障重构使用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了变速控制力矩陀螺低速框架故障后的降级使用方法，能够有效提高航天器在轨的可靠运行。

本发明的技术解决方案是：一种基于变速控制力矩陀螺群的故障重构方法，包括如下步骤：

(1)建立N个变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)的角动量模型为：

其中，δ＝[δ₁，δ₂，…，δ_N]^T为控制力矩陀螺群框架角矢量阵。[sin(δ)]^d为sin(δ)的对角阵。B为控制力矩陀螺群框架角δ＝[0°,0°,…,0°]^T的角动量矢量阵；B为控制力矩陀螺群框架角δ＝[90°,90°,…,90°]^T的角动量矢量阵；h₀为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N个控制力矩陀螺群(CMGs)的动力学模型为：

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VSCMGs高速转子转速对角阵；D(δ)＝A_sI_sw，为VSCMGs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VSCMGs的高速转子加速度矢量。矩阵A_t可表示为