[发明专利]一种基于内模原理的大型组合体姿态控制方法

摘要

本发明公开了一种基于内模原理的大型组合体姿态控制方法。大型组合体航天器质量达到百吨至千吨吨量级，与普通航天器采用磁力矩器进行卸载不同，工程上不存在与大型组合体干扰相匹配的磁力矩器。对大型组合体进行系统建模，包括对姿态动力学建模、执行机构的角动量动力学建模，对环境力矩，包括重力梯度力矩、气动力矩均进行了详细建模。考虑到重力梯度、气动力矩的频率成份均与轨道角速度相关，因此利用内模原理，对环境力矩的各频率成份幅值进行辨识，利用LQR方法设计状态空间系统的反馈控制器，实现了利用重力梯度力矩、气动力矩的大型组合体的姿态控制。

主权项

1.一种基于内模原理的大型组合体姿态控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)定义轨道坐标系XYZ，设原点位于航天器质心，Z轴指向地心，X轴指向飞行方向，Y轴与X、Z轴形成直角坐标系；本体坐标系X0Y0Z0，原点位于组合体的质心，X0轴、Y0轴、Z0轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴平行；航天器的角动量为：其中，上标n表示在轨道系内表示的变量，为标称角动量，表示为：其中，Jn为星体转动惯量，设在组合体本体坐标系内的转动惯量为J，从轨道坐标系到组合体本体坐标系的坐标转换矩阵为Abn，则：ω₀为轨道角速度的大小；为由于实际存在星体姿态角速度而引起的波动角动量；对角动量方程求导，得轨道系内星体的姿态动力学方程：其中，Tⁿ为重力梯度力矩气动力矩控制力矩组成的外作用力矩；(2)对重力梯度力矩和气动力矩进行建模，在姿态小角度假设下，重力梯度力矩表示为：为三轴姿态；对气动力矩建模，具有如下形式：其中，raero＝[rx ry rz]T为气动力压心到星体质心的距离，faero＝[fx fy fz]T为气动力；(3)系统姿态运动学方程表示为右上标×代表三维列阵的斜对角阵；下标nb代表本体坐标系相对轨道坐标系的变量；(4)控制力矩陀螺的角动量动力学方程为：其中，上标n表示变量在轨道系内表示，下标in代表轨道系相对惯性系的角速度，(5)由于航天器在轨运动时，干扰力矩由常值和轨道角速度的倍频成分构成，在已知其频率情况下，采用如下形式的内模原理对干扰力矩建模：f是基于内模原理的滤波变量；令u＝θx，θy，θz或u＝hcx，hcy，hcz，即分别对θx，θy，θz，hcx，hcy，hcz的相应频率成份完成建模；(6)构建联合动力学方程；将上面的姿态动力学、姿态运动学、控制力矩陀螺的角动量动力学方程联立，同时根据内模原理，加入可以抑制指定频率造成干扰的滤波变量，得到如下状态空间形式的方程其中：I为单位阵；f0表示可以抑制常值成份的外力矩对或造成干扰的滤波变量，f11、f12表示用于抑制1倍轨道角速度频率成份的外力矩对或造成干扰的滤波变量；f21、f22表示用于抑制2倍轨道角速度频率成份的外力矩对或造成干扰的滤波变量；f_0h、f_0θ、A_11h、A_11θ、A_12h、A_12θ、A_21h、A_21θ、A_22h、A_22θ为系数矩阵；(7)上面的联合动力学方程式为一个标准的状态空间方程，采用LQR方法，设计相应的反馈控制器，执行机构执行反馈控制器指令，实现姿态控制。