[发明专利]卫星执行机构在线重构的半物理平台以及控制方法

摘要

本发明公开了卫星执行机构在线重构的半物理平台以及控制方法，属于航空航天的技术领域。所述半物理平台包括遥控计算机、遥测计算机、星载控制计算机、模型仿真计算机。控制方法中，星载控制计算机，根据传感器姿态测量值确定卫星姿态角以及角速度，根据目标控制信号解算控制律和分配律得到执行机构的实际控制信号，执行机构在实际控制信号的作用下产生姿态控制力矩。本专充分利用系统资源，简化控制系统设计；提高了系统鲁棒性；降低了控制器设计的复杂度。

主权项

卫星执行机构在线重构的控制方法，其特征在于：利用如下卫星执行机构在线重构的半物理平台得到卫星姿态重构控制方案，卫星执行机构在线重构的半物理平台，包括：遥控计算机，通过交换机发送目标控制信号至星载控制计算机；模型仿真计算机，采集执行机构的转速信号，解算出作用在卫星本体上的控制力矩，然后根据建立的卫星动力学模型、运动学模型得出卫星姿态角和角速度的理论值，接着将根据姿态传感器模型得到的传感器姿态测量值发送给星载控制计算机；星载控制计算机装有VxWorks操作系统，根据姿态测量值确定卫星姿态角以及角速度，根据控制目标解算控制律得到目标控制信号，再解算分配律得到执行机构的实际控制信号，执行机构在实际控制信号的作用下产生姿态控制力矩，卫星姿态角以及角速度通过交换机传输至遥测计算机；遥测计算机，用于实时动态显示卫星姿态角、角速度以及执行机构的实际控制信号；控制方法具体包括如下步骤：步骤A，在飞轮正常工作时，利用拟PD控制率u＝KPα+KDω+ω×Jω得出飞轮的实际控制信号u，其中，α、ω为卫星的姿态角和角速率，KP和KD为比例和微分系数，J为卫星转动惯量；步骤B，在卫星某一轴飞轮出现故障且有同一轴备份飞轮时，切换备份飞轮替代故障飞轮，利用拟PD控制率u*＝KPα+KDω+ω×Jω得出备份飞轮实际控制信号u*；步骤C，在卫星某一轴飞轮出现故障，没有同轴备份飞轮但有冗余配置的飞轮时，解算控制律、分配律得到故障下各飞轮实际控制信号：步骤C‑1，根据控制目标使用拟PD控制律ν1＝KPα+KDω+ω×Jω得到步骤C所述故障情形下的目标控制信号ν1，ν1为控制力矩，步骤C‑2，由飞轮安装矩阵C得到步骤C所述故障情形下的目标控制信号ν1与实际控制信号u1的关系式：ν1＝Cu1得到步骤C所述故障情形下的实际控制信号u1，步骤C‑3，由飞轮失效矩阵E，确定控制效率矩阵Cf：Cf＝CE，结合步骤C所述故障情形下的目标控制信号ν1与实际控制信号u1的关系式，考虑能量最优使用伪逆法进行控制分配，得到分配律表达式：uf为飞轮实际控制量在步骤C所述故障情形下的的伪逆形式；步骤C‑4，考虑飞轮实际输出力矩约束问题，采用基于零空间方法的分配修正方案，对伪逆法得到的初始分配结果进行修正，得到实际控制信号；步骤D，在卫星某一轴飞轮出现故障，没有同轴备份飞轮但卫星三个惯量主轴上装有磁力矩器时，解算控制律、分配律得到其它有效飞轮和磁力矩器的实际控制信号：步骤D‑1，根据控制目标使用拟PD控制律ν2＝KPα+KDω+ω×Jω得到步骤D所述故障情形下的目标控制信号ν2，步骤D‑2，根据执行机构故障情况，将步骤D所述故障情形下的目标控制信号ν2分解为有效飞轮提供的控制量MW和磁力矩器提供的控制量MM：ν2＝MW+MM；步骤D‑3，根据磁力矩器工作原理和地磁场模型得到磁力矩器提供的控制量MM，再由步骤D‑2的表达式确定有效执行机构提供的控制量MW。