[发明专利]一种基于鲁棒伪逆操纵率的SGCMG故障在轨预案设计方法

摘要

本发明公开了一种卫星采用单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为姿态控制执行机构时，基于鲁棒伪逆操纵率的单框架控制力矩陀螺故障预案设计方法，首先根据控制力矩陀螺群的构形和各个单框架控制力矩陀螺框架轴的方向布置，确定陀螺群的角动量H与力矩矩阵C；然后设计鲁棒伪逆操纵率；最后针对控制力矩陀螺在轨易出现的故障：通断故障、内转子转速不稳定故障、通讯故障、外框架卡死、外框架转速不变故障，基于鲁棒伪逆算法，通过星上自主诊断和预案设计，能够在n‑3个(n为控制力矩陀螺群中SGCMG的个数)SGCMG故障下也能基本保证星体姿态的正常对地控制。本发明能够提高卫星在轨实时自主诊断能力，减少对地面的依赖，避免地面解决措施的延时，增强安全性，降低整星风险。

主权项

1.一种基于鲁棒伪逆操纵率的SGCMG故障在轨预案设计方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤S1、根据控制力矩陀螺群的构型和各个陀螺框架轴的方向，确定陀螺群的角动量H和力矩输出矩阵C；步骤S2、根据最小化伪逆解和奇异可控原则设计控制力矩陀螺外框架转速鲁棒伪逆操纵率；步骤S3、对卫星在轨控制力矩陀螺故障进行自主诊断与预案执行；当所述故障为通断故障时，执行步骤S4；当所述故障为内转子转速不稳定故障时，执行步骤S5；当所述故障为通讯故障时，执行步骤S6；当所述故障为外框架卡死故障时，执行步骤S7；当所述故障为外框架转速不变故障时，执行步骤S8；步骤S4、对控制力矩陀螺的通断故障进行星上自主诊断，鲁棒伪逆操纵率切换解算正常控制力矩陀螺的外框架转速指令；步骤S5、对控制力矩陀螺的内转子转速不稳定故障进行星上自主诊断，鲁棒伪逆操纵率根据采集的控制力矩陀螺内转子转速自主解算控制力矩陀螺角动量输出，并解算控制力矩陀螺的外框架转速指令；所述的步骤S5具体包含以下步骤：步骤S51、若连续Δt次发生当前拍遥测控制力矩陀螺i内转子转速ω_i与额定转速的差值大于Δω，则判定当前使用的控制力矩陀螺的内转子转速出现故障，置故障状态标志F_SGCMGi为1；步骤S52、星上计算机通过实时采集到的内转子转速ω_i，实时计算出内转子的输出角动量；将鲁棒伪逆操纵率式中的常数h₀用向量h替换，将计算得到的各个控制力矩陀螺内转子输出角动量代入鲁棒伪逆算法的向量h中，解算出各个陀螺的转速指令，使得整个星体的输出力矩与期望力矩等价，从而保证星体姿态的运动；内转子角动量向量计算如下：式中J_i为内转子的转动惯量，为控制力矩陀螺参数，已知常量；将此向量h代入控制力矩陀螺伪逆操纵率中，计算中按照鲁棒伪逆操纵率更改为：式中符号.*的运算规则表示如下：假定向量则其中α为权系数，T_c为星上计算机计算出来的控制力矩指令，E是3×3单位阵，为控制力矩陀螺的外框架转速指令，C为(3×n)维矩阵，是框架角的三角函数，C＝(C₁、C₂…C_n)，可以写成：C＝Acosδ‑Bsinδ   (3)sinδ，cosδ为框架角的正、余弦对角阵，矩阵A和矩阵B的第i列矢量分别是框架角为90°和0°时第i个陀螺的角动量单位矢量：步骤S6、对控制力矩陀螺的通讯故障进行星上自主诊断，鲁棒伪逆操纵率进行故障控制力矩陀螺外框架角位置递推，计算故障控制力矩陀螺的力矩输出T_SGCMGi，并根据控制力矩指令解算出正常控制力矩陀螺的外框架转速指令；所述的步骤S6具体包含以下步骤：步骤S61、若星上计算机在与控制力矩陀螺i的通讯中发生奇偶校验、识别码、校验字节的通讯错误或通讯中断时，则本次数据异常；若连续Δt次发生通讯错误，则判定当前使用的控制力矩陀螺i出现通讯故障，置故障状态标志F_SGCMGi为1；步骤S62、星上诊断通讯故障发生后，姿轨控计算机以通讯故障发生前一拍t₀采集的控制力矩陀螺i的外框架角位置δ₀和外框架角速度进行控制力矩陀螺i当前框架角位置信息递推，实时积分运算控制力矩陀螺i的框架角位置δ_i：t表示当前时刻，根据递推出来的控制力矩陀螺i的框架角位置δ_i和通讯故障下保持不变前一拍的框架角速度控制力矩陀螺i的力矩输出如下所示：式中g_i为控制力矩陀螺i的框架轴矢量；将鲁棒伪逆操纵率中的控制力矩指令T更改为T_c′＝T_c‑T_SGCMGi    (6)鲁棒伪逆操纵率更改如下将C矩阵的第i列C_i置零，向量h中的第i个元素h_i取为控制力矩陀螺的额定内转子角动量数值h₀，T_c为星上计算机实时计算出来的控制力矩指令；步骤S7、对控制力矩陀螺的外框架卡死故障进行星上自主诊断，鲁棒伪逆操纵率控制力矩指令进行正常控制力矩陀螺的外框架角位置δ_i和外框架角速度解算，调节正常控制力矩陀螺的外框架角位置，使得整个控制力矩陀螺角动量输出平衡；步骤S8、对控制力矩陀螺的外框架转速不变故障进行星上自主诊断，鲁棒伪逆操纵率根据采集到的故障控制力矩陀螺外框架角位置δ_i和外框架角速度计算出故障控制力矩陀螺的力矩输出T_SGCMGi，并根据控制力矩指令解算出正常控制力矩陀螺的外框架转速指令所述的步骤S8具体包含以下步骤：步骤S81、若在通讯正常下，星上计算机连续Δt次采得控制力矩陀螺i的外框架角速度不变，则判断控制力矩陀螺i外框架转速不变故障，置故障标志F_SGCMGi为1；步骤S82、星上计算机根据采集到的故障控制力矩陀螺i的外框架角位置δ_i，和外框架角速度解算出控制力矩陀螺i的力矩输出，鲁棒伪逆解算中将发生故障的控制力矩陀螺力矩输出矩阵C中的C_i列置零处理，根据星上控制算法计算的控制力矩指令和故障力矩陀螺的输出力矩取反，一起作为星上剩余控制力矩陀螺群的指令力矩，进行解算，从而保证星上的作用力矩与姿态控制期望力矩等价，星体姿态保持稳定。