[发明专利]一种大干扰和小惯量情况下的快速姿态机动方法及系统

权利要求书

1.一种大干扰和小惯量情况下的快速姿态机动方法，其特征在于在每个控制周期内执行如下步骤：

第一步，根据上拍的控制量和当拍采集得到的角速度，结合姿态动力学方程进行干扰力矩快速估计；

第二步，根据步骤一的干扰力矩估计结果，考虑到控制时延，利用姿态动力学方程进行本体四元数和角速度预测；

第三步，根据目标四元数和步骤二预测的本体四元数，计算本体姿态相对于目标姿态的四元数误差，根据该四元数误差大小确定当拍所处的控制区；所述的控制区包括恒定目标角速度控制区、抛物线目标角速度控制区和姿态角控制区；

第四步，基于步骤二预测的本体姿态四元数和角速度结合第一步中的干扰力矩估计结果，计算当前控制区内的控制量；

第五步，将步骤四计算得到的控制量送入脉宽调制器，得到对应发动机的喷气时间。

2.根据权利要求1所述的一种大干扰和小惯量情况下的快速姿态机动方法，其特征在于：步骤一中按照下述公式进行干扰力矩快速估计：

其中ξ为干扰估计的中间状态变量，ω为角速度矢量，J为卫星的惯量阵，T为控制力矩，λ为控制干扰力矩估计收敛速度的参数，Δt为控制周期，为干扰力矩估计结果，下表k和k+1分别表示上拍和当拍的控制周期序号。

3.根据权利要求1所述的一种大干扰和小惯量情况下的快速姿态机动方法，其特征在于步骤二通过下述公式进行预测：

其中，下标k和k+1分别表示上拍和当拍的控制周期序号，T_d为时延大小，ω_pre和(q_0,pre,q_v,pre)分别为预测的T_d秒后的本体角速度和四元数,ω_k+1和(q_0,k+1,q_v,k+1)分别为估计的当拍本体角速度和四元数,J_k+1为估计的当拍惯量阵，为估计的当拍干扰力矩。

4.根据权利要求1所述的一种大干扰和小惯量情况下的快速姿态机动方法，其特征在于：第三步中的控制区根据该四元数误差大小δθ进行划分，

若|δθ|≥θ_L,属于恒定目标角速度控制区；

若θ_S≤|δθ|θ_L，属于抛物线目标角速度控制区；

若|δθ|θ_S，则为姿态角控制区；

所述的θ_L为大误差角阈值，θ_S为小误差角阈值，均根据实际需求进行设置。

5.根据权利要求4所述的一种大干扰和小惯量情况下的快速姿态机动方法，其特征在于：

在恒定目标角速度控制区，控制姿态系统以恒定的目标角速度往回漂移；

在抛物线目标角速度控制区，控制姿态系统以抛物线形式的目标角速度往回漂移；

在姿态角控制区，基于姿态角进行控制。

6.根据权利要求5所述的一种大干扰和小惯量情况下的快速姿态机动方法，其特征在于：

在恒定目标角速度控制区，目标角速度ω_d为:

ω_d＝-ω_Lq_err,v

在抛物线目标角速度控制区，目标角速度ω_d为；

其中，ω_L为设定的角速度大小，a_d为角加速度大小，q_err,v为本体相对于惯性系的四元数的矢量部分。

7.根据权利要求6所述的一种大干扰和小惯量情况下的快速姿态机动方法，其特征在于：

a_d的设定值不应该大于实际发动机可能产生的最大力矩，

8.根据权利要求1所述的一种大干扰和小惯量情况下的快速姿态机动方法，其特征在于：所述第四步中采用PID控制中的比例、微分控制加上干扰力矩实时前馈的方式计算控制量。