[发明专利]一种非对称旋转扫描载荷所致干扰力矩估计方法和系统

说明书

一种非对称旋转扫描载荷所致干扰力矩估计方法和系统，方法包括步骤如下：根据坐标转换计算得到载荷舱和磁悬浮关节转子所构成的旋转体在轨道坐标系内的转动惯量矩阵；计算得到旋转体在惯性坐标系内的角速度矢量；根据旋转体的转动惯量矩阵和角速度矢量计算得到载荷舱的角动量；根据欧拉方程建立旋转体的姿态动力学模型；将姿态动力学模型中的标称转速归类，得到因轨道角速度和旋转体角速度所导致的变惯量反作用力矩、陀螺力矩干扰模型；将卫星中旋转体的转动惯量和旋转体标称转速代入干扰模型，估计出旋转体所致的常值、一倍频和二倍频干扰力矩。本发明为磁悬浮旋转关节和卫星的控制、地面仿真和试验验证提供了施加干扰的依据。

技术领域

本发明涉及一种干扰力矩估计方法和系统，属于航天技术领域。

背景技术

磁悬浮轴承是一种利用磁场力将转子悬浮起来的一种高性能轴承。由于磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、无需润滑、低成本、低损耗、寿命长等众多优点，它既可应用于高速运动场合又可应用于低速运动场合等广泛的应用领域。

旋转扫描卫星通过载荷(如相机等)稳速旋转的摆扫、锥扫、环扫等实现了扫描轨迹与飞行轨迹相交，从而显著扩大载荷的扫描范围。在相机等载荷的快速扫描成像或拼接成像等模式下，可实现千公里级的超宽幅成像。

将磁悬浮轴承应用于旋转扫描卫星上，即构成磁悬浮旋转扫描成像遥感卫星，它可实现遥感载荷的超幅宽高分成像。该卫星主要包括提供能源、姿轨控、热控等系统服务的平台舱和主要由旋转扫描相机和星敏感器等构成的载荷舱。动、静两舱之间通过磁悬浮旋转关节软连接，磁悬浮旋转关节既可隔离平台舱的宽频扰振，又可对载荷舱的位姿进行二次精调，从而使得相机等载荷的指向具有超精超稳超静的“超”潜力，可为载荷成像营造一个良好的工作环境；同时也能调节定转子间的相对位置，保障无线通讯的快速有效数据传输。

为了将其“超”潜力转化为“超”能力，保障磁悬浮旋转扫描卫星的超宽幅高分成像，需要对载荷的指向控制等方法进行优化设计，并开展充分的系统性能试验验证。可是控制系统对干扰的处理方式往往是控制器设计中最基本的问题，根据内模原理，要想较好克服干扰的影响，控制器中需要包含准确的干扰模型；且地面实验为了准确模拟在轨存状态，也需要施加准确的干扰力矩的频率、大小和相位。可见，控制器设计和地面实验验证都需要卫星的准确干扰模型。

鉴于旋转扫描卫星为由载荷舱和平台舱等构成的多体结构，它们之间的动力学通过中间的磁悬浮轴承耦合；而在轨道面进行复杂旋转的载荷舱的转动惯量大小和角动量大小与方向都是姿态的非线性函数，它们与角速度耦合，使得载荷舱将受到变惯量的反作用力矩和角动量与角速度作用所产生的陀螺力矩、以及转轴和主惯量轴偏斜导致的不平衡力矩、还有相机分光轮等产生的偏流力矩等，显然前三项主要源于载荷舱旋转，影响卫星中载荷的姿态控制精度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种非对称旋转扫描载荷所致干扰力矩估计方法和系统，针对旋转扫描卫星的旋转体的径向转动惯量不等，使得旋转体在旋转过程中产生变惯量的反作用力矩、角动量与角速度耦合所致的陀螺力矩、以及动不平衡量在旋转过程中产生的不平衡力矩等。本发明从基本动力学出发，建立了非理想旋转体因旋转所致的常值、工频和二倍频干扰力矩估计模型，并针对垂轨环扫模式进行了干扰力矩估计。既为卫星磁悬浮旋转关节控制器和平台舱控制器的前馈控制奠定了模型基础，也为地面仿真和试验验证提供了施加干扰的依据。也为后续载荷舱姿态的超精超稳超静控制提供模型依据。

本发明的技术解决方案是：一种非对称旋转扫描载荷所致干扰力矩估计方法，包括如下步骤：

根据坐标转换计算得到载荷舱和磁悬浮关节转子所构成的旋转体在轨道坐标系内的转动惯量矩阵；

计算得到旋转体在惯性坐标系内的角速度矢量；

根据旋转体的转动惯量矩阵和角速度矢量计算得到载荷舱的角动量；

根据欧拉方程建立旋转体的姿态动力学模型；