[发明专利]基于控制力矩输出约束的姿态机动动态优化方法及介质

说明书

基于控制力矩输出约束的姿态机动动态优化方法及介质，属于航天器姿态控制领域。本发明在姿态机动加速段和减速段，对机动所需的框架角速度组合根据输出约束限幅计算动态优化系数值以充分挖掘控制力矩陀螺组合的控制能力；根据加速机动角度动态调整转减速段的时间点。采用本发明方法很好地解决了卫星充分挖掘控制力矩陀螺组合控制能力的姿态机动动态优化问题。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，具体涉及基于控制力矩输出约束的姿态机动动态优化方法及介质。

背景技术

配置控制力矩陀螺组合作为姿态控制执行机构的卫星具有敏捷机动能力。控制力矩陀螺进行姿态控制时，依靠框架角的变化产生输出力矩，其瞬时输出力矩始终与框架轴和角动量方向垂直，大小与框架角速度成正比，方向随框架角而不断改变，综合考虑执行机构能力和允许的控制误差可以给出框架角速度限幅作为输出约束。目前一般的姿态机动方法，是在机动开始时进行姿态角和角速度的静态规划，在整个机动过程中使用控制力矩陀螺组合控制星体跟踪规划好的姿态角和角速度。但这类方法未能充分挖掘控制力矩陀螺组合的控制能力，原因在于基于规划求解框架角速度时需要根据实时框架角位置进行解算，所得到的框架角速度一般未充分使用到作为输出约束的框架角速度限幅。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于控制力矩输出约束的姿态机动动态优化方法及介质，在姿态机动加速段和减速段，对机动所需的框架角速度组合根据输出约束限幅计算动态优化系数值以充分挖掘控制力矩陀螺组合的控制能力；根据加速机动角度动态调整转减速段的时间点。采用该方法很好地解决了卫星充分挖掘控制力矩陀螺组合控制能力的姿态机动动态优化问题。

本发明的技术解决方案是：基于控制力矩输出约束的姿态机动动态优化方法，包括：

在姿态机动开始时计算指定机动对应的欧拉轴角机动方向和欧拉轴角机动角度，并初始化动态优化机动规划角度值和机动规划角速度值，进入姿态机动加速段；

在姿态机动加速段，实时根据欧拉轴角机动方向和框架角位置值解算参考框架角速度，根据参考框架角速度和输出约束限幅计算动态优化系数值，根据动态优化系数值和参考框架角速度更新参考角加速度、动态优化机动规划角度和角速度，根据参考角加速度值、动态优化机动规划角度和角速度，以及星上定姿给出的姿态四元数估计值和角速度估计值计算指令框架角速度值；

当满足匀速段条件时转入匀速段，当满足减速段条件时转入减速段；

在匀速段，根据指定星体角速度实时更新参考角加速度值、动态优化机动规划角度和角速度，根据参考角加速度值、动态优化机动规划角度和角速度，以及星上定姿给出的姿态四元数估计值和角速度估计值计算指令框架角速度值；当机动角度余量不大于减速机动角度值时，转入减速段；

在减速段，实时根据框架角位置值解算参考框架角速度，根据参考框架角速度和输出约束限幅计算动态优化系数值，根据动态优化系数值和参考框架角速度更新参考角加速度值、动态优化机动规划角度和角速度，根据参考角加速度值、动态优化机动规划角度和角速度，以及星上定姿给出的姿态四元数估计值和角速度估计值计算指令框架角速度值；

根据指令框架角速度值对框架角进行控制，实现姿态机动，并实时采集新的框架角位置值、姿态四元数估计值和星体角速度估计值，用于下一时刻的指令框架角速度值更新。

进一步地，所述计算指定机动对应的欧拉轴角机动方向和欧拉轴角机动角度的方法包括如下步骤：

计算机动相对四元数其中，表示四元数乘法计算，q_t0为机动目标姿态四元数，q_bos为机动起点时刻的卫星本体相对于卫星轨道系的姿态四元数，记q_bos的矢量部分和标量部分为别为和n_bos，则q_bos^-1的矢量部分和标量部分为别为和n_bos；