[发明专利]航天器自治协同粗精分层主被一体三超控制参数确定方法

说明书

一种航天器自治协同粗精分层主被一体三超控制参数确定方法，适用于天文观测、高分辨率对地观测等具有载荷超高精度确定需求的领域。针对具有超高精度、超高稳定度、超敏捷控制的航天器三超控制提供了控制参数设计方法，基于指标分解的方法分别对航天器三超控制系统各控制器参数进行设计，提升了设计效率与控制性能。主要设计思路为：1)首先根据三超控制系统架构，建立星体、载荷、快速反射镜三级控制的控制模型；2)根据三超控制系统模型，推导三级控制的各级控制回路传递函数；3)根据选定的敏感器与执行机构的噪声特性，通过频域分析的方法设计各级控制器参数，使得各级控制回路的功率谱密度满足设计指标，实现航天器的三超控制性能。

技术领域

本发明涉及一种实现航天器的星体-载荷-快速反射镜三级姿态控制系统以及参数设计方法，属于航天器姿态控制领域。

背景技术

目前，航天器普遍采用飞轮、控制力矩陀螺等含有高速转子的部件作为姿态控制系统的执行机构。这些高速转动部件不可避免地会产生高频抖动以及微振动，直接影响载荷的工作性能。这无法满足天文观测、极高分辨率对地观测等这类具有光学载荷高性能控制要求的航天任务需求。而航天器多级复合控制系统正是根据这类光学载荷高精度姿态控制需求应运而生。航天器多级复合控制系统是指具有“超高精度指向”、“超高稳定度控制”、“超敏捷控制”等三超控制性能的航天器平台。

在传统航天器控制系统中，星体和载荷刚性连接，星体中的抖动和微振动直接传递到载荷，影响光学载荷高品质成像性能。而目前的姿态控制方法受限于姿态敏感器等测量精度和测量带宽限制，无法实现对高频抖动的隔离抑制。目前的控制系统存在以下不足：

1、无法实现星体的高频微振动的隔离抑制

在目前航天器的姿态控制系统中，载荷和星体采用刚性连接。航天器星体中存在的挠性振动和高频微振动直接传递到载荷，造成光学载荷无法进一步提高成像质量。而传统的航天器姿态系统，受限于控制器带宽和执行机构的精度无法实现对挠性振动和高频微振动的主动控制，进一步提高星体的控制精度和稳定度受到限制。

2、难以实现载荷光轴超高精度指向和超高稳定度控制

在目前的航天器控制系统仿真模型中只有星体一级模型，不包含主动指向超静平台以及快速反射镜数学模型。受限于敏感器测量带宽、执行机构响应带宽等因素无法进一步提高载荷的指向精度和稳定度。在包含主动指向超静平台以及快速反射镜的卫星控制系统模型中，需要设计航天器多级复合指向控制方案，同时针对多级复合控制设计部件较多、各通道传递关系复杂的问题，给出一种基于频域分析的指标分解和参数设计方法，实现对多级复合控制的快速最优设计，实现航天器的三超控制性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种航天器自治协同粗精分层主被一体三超控制参数确定方法，基于指标分解的方法分别对航天器三超控制系统各控制器参数进行设计，与传统的试凑方法设计参数相比提升了设计效率与控制性能，为未来航天器光学载荷超高精度指向、超高稳定度控制、高品质成像提供技术基础。

本发明的技术解决方案是：

航天器自治协同粗精分层主被一体三超控制参数确定方法，包括如下步骤：

(1)对航天器多级系统建立三级控制模型，包括星体控制回路的控制模型、载荷控制回路的控制模型以及快速反射镜控制回路的控制模型；

(2)根据三级控制模型和航天器多级系统所采用的敏感器类型，计算出CMG、星敏感器、星体陀螺分别传递到星体姿态角的传递函数；

(3)计算星体角速度、载荷控制器、载荷陀螺、星敏感器、载荷相对姿态测量分别传递到载荷姿态角的传递函数；