[发明专利]一种平流层卫星六自由度动力学建模与级联控制方法

摘要

一种平流层卫星六自由度动力学建模与级联控制方法，第一部分：建立平流层卫星的六自由度动力学模型。首先建立相关坐标系，再选取广义坐标并计算广义力，计算系统的动能和势能，得到系统的动力学模型。第二部分：基于级联子系统的平流层卫星经向运动控制，提取出“球-绳子系统”、“绳-帆子系统”和“帆-舵子系统”三个级联子系统；分解为三个级联子控制问题并用反馈线性化理论依次设计子系统的控制律：先在“球-绳子系统”设计实现气球经向控制所需的系绳侧偏角，接着在“绳-帆子系统”中设计跟踪系绳侧偏角所需的气动帆偏航角，最后在“帆-舵子系统”中设计跟踪气动帆偏航角所需的舵偏角，最终实现平流层卫星的经向的高精度控制。

主权项

一种平流层卫星六自由度动力学建模与级联控制方法，其特征在于：该方法具体步骤如下： 第一部分：建立平流层卫星的六自由度动力学模型 步骤一建立地面坐标系、帆坐标系、球气流坐标系和帆气流坐标系； 步骤二选取气球系绳点的经度、纬度和高度，系绳的倾角和侧偏角以及气动帆的偏航角为系统的广义坐标，并分别计算出对应各广义坐标的非保守的广义力； 步骤三分别计算出气球、系绳和气动帆的动能和势能，这里气球仅考虑其平动动能，而系绳和气动帆则考虑其平动动能和转动动能，以地面坐标系水平面为势能零点； 步骤四根据第二类拉格朗日方程得到平流层卫星的六自由度动力学模型，并将其整理为矩阵形式； 第二部分：设计基于级联子系统的平流层卫星经向偏移控制律 步骤五根据预定纬度轨道位置和经度偏移位置规划消除平流层卫星经向偏移的期望轨迹； 步骤六从六自由度动力学模型提取“球‑绳子系统”模型，并用反馈线性化方法设计跟踪平流层卫星经向期望轨迹所需的系绳侧偏角； 步骤七从六自由度动力学模型提取“绳‑帆子系统”模型，并用反馈线性化方法设计跟踪系绳侧偏角所需的气动帆偏航角； 步骤八从六自由度动力学模型提取“帆‑舵子系统”模型，并用反馈线性化方法设计跟踪气动帆偏航角所需的方向舵偏角； 步骤九根据控制律设计中“舵控制帆”、“帆控制绳”和“绳控制球”的要求，选取对应的级联子系统控制参数使得：“帆‑舵子系统”的闭环系统响应速度快于“绳‑帆子系统”的闭环系统响应速度，且“绳‑帆子系统”的闭环系统响应速度快于“球‑绳子系统”的闭环系统响应速度，从而实现平流层卫星经向偏移的高精度控制。