[发明专利]挠性敏捷卫星的联合执行机构控制方法

摘要

挠性敏捷卫星的联合执行机构控制方法，涉及卫星姿态控制技术领域，解决现有针对挠性卫星姿态进行快速机动或高精度跟踪控制时，具有强非线性、受多种约束以及挠性附件易振动的特点，进而导致难以满足控制需求等问题，针对联合两种执行机构的挠性敏捷卫星，结合挠性卫星姿态动力学，运动学和挠性附件的振动方程，建立了面向卫星姿态最优轨迹规划及预测未来姿态信息的非线性状态空间方程；在建立了姿态机动快速性、挠性附件振动抑制性、CMG群奇异性等综合指标基础上，基于伪光谱方法，实现对原连续优化问题的离散化，进而计算出卫星姿态机动的最优轨迹及CMG群框架角速度的最优轨迹；基于非线性模型预测控制技术，设计了反作用飞轮的控制。 1

主权项

1.挠性敏捷卫星的联合执行机构控制方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、选择惯性坐标系为参考坐标系，建立以金字塔构型CMG群和反作用飞轮为执行机构的挠性卫星姿态动力学及运动学方程；以挠性附件的模态坐标系为基准，建立挠性附件振动的动力学方程，通过定义新的状态变量，基于建立的三个方程获得用于CMG群框架角速度最优轨迹规划及预测卫星姿态未来信息的非线性连续状态空间方程，通过离散化方法，获得离散非线性状态空间方程；

步骤二、对步骤一建立的非线性连续状态空间方程，建立兼顾卫星姿态机动快速性、挠性附件振动抑制性能、金字塔构型CMG群奇异性及满足各种约束的优化控制问题；基于Legendre伪谱法，实现对优化控制问题的离散化求解，获得卫星姿态机动的最优状态轨迹及CMG群的最优框架角速度轨迹；

步骤三、将步骤二获得的CMG群的最优框架角速度轨迹带入步骤一建立的离散非线性状态空间方程，并根据当前测量的卫星姿态信息，建立卫星姿态的预测输出方程，实现对预测时域内的卫星姿态信息的预测；

步骤四、根据步骤三建立的预测输出方程，以步骤二获得的卫星姿态机动的最优状态轨迹为跟踪目标，建立兼顾卫星姿态跟踪快速性及鲁棒性的优化控制问题，经过对该优化控制问题的求解，获得反作用飞轮的非线性模型预测机动控制力矩；将规划得到的CMG群的最优框架角速度及飞轮机动控制力矩作用于卫星，驱动卫星姿态运动；

步骤五、采用离散控制技术，在每个采样时刻重复步骤三和步骤四，通过逐步更新卫星姿态信息，实现挠性卫星姿态机动的复合滚动控制。

2.根据权利要求1所述的挠性敏捷卫星的联合执行机构控制方法，其特征在于，步骤四中，获得反作用飞轮的非线性模型预测机动控制力矩的具体过程为：

步骤四一、卫星姿态机动优化指标的建立；

对于规划得到的k时刻的期望姿态四元数及期望角速度，表示为：

其中，q^h(k)表示k时刻的期望姿态四元数，w^h(k)表示k时刻的期望角速度；

反作用飞轮参与控制的目的是实现对规划轨迹的高精度跟踪控制，即对卫星姿态及角速度最优规划的跟踪；将卫星姿态及角速度的跟踪误差、飞轮控制力矩和终端偏差加权组合作为优化指标，定义如下：

式中：e(k+n)表示对最优轨迹的跟踪误差，u(k+m)为反作用飞轮的待设计控制力矩，矩阵Q,R,P为相应的跟踪误差、控制量和终端加权矩阵，N_p为预测时域，N_u为控制时域；

步骤四二、卫星姿态的预测；

根据k时刻的卫星姿态信息x(k)，基于规划获得的最优CMG群框架轴角速度轨迹，采用离散化的卫星姿态动力学及运动学方程，通过迭代计算，求取未来N_p预测步内的卫星姿态信息：

其中，预测时域内的规划CMG群框架轴角速度控制量为将相应时刻规划值折算成CMG群的控制力矩；

从以上N_p步预测时域内的系统状态可知，预测后的待设计自由变量为N_p时域步内的控制量{T_F(k),T_F(k+1),…T_F(k+N_p‑1)}，即反作用飞轮的待设计控制力矩u(k+m)；

当预测时域N_p超出控制时域N_u时，设定控制力矩输入在区间[N_u,N_p]保持不变，即：

T_F(k+N_u‑1₎＝T_F(k+N_u)＝…＝T_F(k+N_p‑1)

此时，卫星姿态的预测输出方程为：

步骤四三、卫星姿态机动律的实现；

挠性敏捷卫星姿态机动控制的优化问题为：

且满足由执行机构的能力带来的时域约束条件：

式中，T_Fmin表示飞轮力矩的下界，T_Fmax表示飞轮力矩的上界，ΔT_Fmin