一種使用動(dòng)量輪與磁力矩器聯(lián)合的速率阻尼方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用動(dòng)量輪與磁力矩器聯(lián)合的速率阻尼方法，根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度和動(dòng)量輪當(dāng)前的角動(dòng)量，計(jì)算衛(wèi)星總角動(dòng)量HT；當(dāng)角動(dòng)量較小時(shí)使用三軸動(dòng)量輪進(jìn)行快速阻尼；當(dāng)角動(dòng)量超出動(dòng)量輪的角動(dòng)量吸收能力時(shí)，使用三軸磁力矩器進(jìn)行速率阻尼。在磁阻尼過程中，一旦衛(wèi)星角動(dòng)量減小到一定范圍，則切換為使用動(dòng)量輪阻尼。本發(fā)明結(jié)合動(dòng)量輪和磁力矩器兩種速率阻尼的特點(diǎn)，在兩者之間實(shí)現(xiàn)合理的切換，減少速率阻尼所需的時(shí)間。
【專利說明】一種使用動(dòng)量輪與磁力矩器聯(lián)合的速率阻尼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用動(dòng)量輪與磁力矩器聯(lián)合的速率阻尼方法，可以在不使用推進(jìn)系統(tǒng)的情況下，充分發(fā)揮動(dòng)量輪阻尼速度快的特點(diǎn)，減少衛(wèi)星速率阻尼的時(shí)間。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)在軌運(yùn)行的衛(wèi)星發(fā)生故障導(dǎo)致姿態(tài)翻滾時(shí)，需要消除姿態(tài)角速度，即速率阻尼。一般衛(wèi)星都裝有推進(jìn)系統(tǒng)，使用推力器噴氣產(chǎn)生的力矩可以實(shí)現(xiàn)速率阻尼。
[0003]微小衛(wèi)星為了減小重量而不配置推力器等推進(jìn)系統(tǒng)，一般使用磁力矩器產(chǎn)生力矩進(jìn)行速率阻尼，稱為磁阻尼。然而磁力矩器產(chǎn)生的力矩很小，磁阻尼的時(shí)間一般非常長，往往需要幾個(gè)小時(shí)以上。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種使用動(dòng)量輪與磁力矩器聯(lián)合的速率阻尼方法，可以在不使用推進(jìn)系統(tǒng)的情況下，能夠減少速率阻尼所需的時(shí)間。
[0005]本發(fā)明包括如下技術(shù)方案:
[0006]一種使用動(dòng)量輪與磁力矩器聯(lián)合的速率阻尼方法，所述動(dòng)量輪為三軸動(dòng)量輪，磁力矩器為三軸磁力矩器，每個(gè)控制周期的速率阻尼方法步驟如下:
[0007](I)根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度和動(dòng)量輪當(dāng)前的角動(dòng)量，計(jì)算衛(wèi)星總角動(dòng)量Ht ；
[0008](2)判斷衛(wèi)星總角動(dòng)量Ht大??；
[0009]當(dāng)所述衛(wèi)星總角動(dòng)量Ht大于設(shè)定值H3小于設(shè)定值H2時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟(3);當(dāng)衛(wèi)星總角動(dòng)量Ht大于設(shè)定值H1時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟(4);當(dāng)衛(wèi)星總角動(dòng)量％小于等于設(shè)定值比時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟(5);當(dāng)H2 <HT SH1時(shí)，判斷上一周期的速率阻尼方式，當(dāng)上一周期為動(dòng)量輪速率阻尼時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟(3)，當(dāng)上一周期為磁力矩器阻尼時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟(4) ；H3<H2<H1 ；
[0010](3)根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度進(jìn)行動(dòng)量輪速率阻尼；然后本控制周期結(jié)束，等待進(jìn)入下一控制周期；
[0011](4)根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度進(jìn)行磁力矩器速率阻尼，同時(shí)動(dòng)量輪維持標(biāo)稱角動(dòng)量；然后本控制周期結(jié)束，等待進(jìn)入下一控制周期；
[0012](5)結(jié)束速率阻尼。
[0013]進(jìn)行動(dòng)量輪速率阻尼的方法如下:
[0014]根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度? = [4 r% 4計(jì)算需要?jiǎng)恿枯啴a(chǎn)生的星體三軸控制力矩!；、1；和Tz，計(jì)算公式為:
TrI\?γ
[0015]Ty = ^Kd ■ my，
Τ,?ζ
[0016]其中Kd為增益系數(shù)，為3X3對(duì)角線矩陣；
[0017]根據(jù)需要?jiǎng)恿枯啴a(chǎn)生的星體三軸控制力矩，分別向三軸動(dòng)量輪發(fā)送控制指令。
[0018]動(dòng)量輪速率阻尼的方法如下:
K
[0019]根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度.& = [!% Ar用公式Μ =計(jì)算三軸磁力矩器所需產(chǎn)生的磁矩Μ，其中B為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量在衛(wèi)星本體系的三軸分量，?表示兩個(gè)矢量叉乘，Km為增益系數(shù)；根據(jù)三軸磁力矩器所需產(chǎn)生的磁矩M向三軸磁力矩器施加控制電壓。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0021]本發(fā)明當(dāng)角動(dòng)量較小時(shí)使用三軸動(dòng)量輪進(jìn)行快速阻尼；當(dāng)角動(dòng)量超出動(dòng)量輪的角動(dòng)量吸收能力時(shí)，使用三軸磁力矩器進(jìn)行速率阻尼。在磁阻尼過程中，一旦衛(wèi)星角動(dòng)量減小到一定范圍，則切換為使用動(dòng)量輪阻尼。本發(fā)明結(jié)合動(dòng)量輪和磁力矩器兩種速率阻尼的特點(diǎn)，在兩者之間實(shí)現(xiàn)合理的切換，減少速率阻尼所需的時(shí)間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的速率阻尼方法所基于的衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖。
[0023]圖2為本發(fā)明的速率阻尼方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]如圖1所示，衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)包括姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)、動(dòng)量輪、磁力矩器以及陀螺。陀螺可以測(cè)量衛(wèi)星的角速度。姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)采集陀螺測(cè)量的角速度。
[0025]姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)的速率阻尼控制為閉環(huán)控制。每個(gè)控制周期內(nèi)，姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)首先采集陀螺測(cè)量的角速度和動(dòng)量輪當(dāng)前角動(dòng)量，計(jì)算出當(dāng)前星體的總角動(dòng)量。然后，對(duì)總角動(dòng)量的大小進(jìn)行判斷，當(dāng)總角動(dòng)量較小時(shí)，使用動(dòng)量輪進(jìn)行速率阻尼，計(jì)算所需的控制力矩；當(dāng)總角動(dòng)量較大時(shí)，使用磁力矩器進(jìn)行速率阻尼計(jì)算所需的磁矩，同時(shí)動(dòng)量輪進(jìn)行標(biāo)稱轉(zhuǎn)速保持控制。最后姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)算的控制力矩和磁矩分別向磁力矩器和動(dòng)量輪發(fā)送指令。閉環(huán)控制過程中，隨著衛(wèi)星角動(dòng)量的變化，會(huì)在磁力矩器速率阻尼和動(dòng)量輪速率阻尼之間切換，直到衛(wèi)星的總角動(dòng)量接近零。
[0026]如圖2所示，本發(fā)明的速率阻尼方法，具體包括如下步驟:
[0027](I)使用陀螺測(cè)量衛(wèi)星三個(gè)軸的姿態(tài)角速度? = [?Λ.Sy再根據(jù)動(dòng)量輪當(dāng)前的角動(dòng)量[Hx Hy Hz HJT，使用如下的公式計(jì)算衛(wèi)星角動(dòng)量Ht:
7/λΓ] Γ//,1 Γ?；
[0028]II ν! = Hv +?/" ?ν
[y/J
[0029]Ht =^H2xl.+H;+Η%
[0030]其中Jci為星體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣。Hx，Hy, Hz分別是沿衛(wèi)星三個(gè)慣量主軸安裝的動(dòng)量輪的角動(dòng)量。最后得到的Ht為星體和動(dòng)量輪整體的總角動(dòng)量大小。
[0031](2)根據(jù)Ht的大小判斷是使用動(dòng)量輪進(jìn)行速率阻尼還是使用磁力矩器進(jìn)行速率阻尼。
[0032]當(dāng)Ht大于設(shè)定值H1時(shí)，使用磁力矩器進(jìn)行速率阻尼；當(dāng)大于設(shè)定值H3小于設(shè)定值H2時(shí)，使用動(dòng)量輪進(jìn)行速率阻尼。
[0033]H2的取值設(shè)置應(yīng)比動(dòng)量輪的最大角動(dòng)量略小,保證動(dòng)量輪能夠吸收所有的角動(dòng)量。為了避免速率阻尼在兩種方式之間頻繁切換，考慮測(cè)量誤差后，H1的取值略大于H2。例如，動(dòng)量輪最大角動(dòng)量為0.5Nms，則可設(shè)置H1 = 0.4，H2 = 0.3。
[0034]當(dāng)總角動(dòng)量Ht處于H2和H1之間時(shí)，維持之前的速率阻尼狀態(tài)。如果之前為動(dòng)量輪速率阻尼，則繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)量輪速率阻尼；如果之前是磁力矩器阻尼，則繼續(xù)進(jìn)行磁力矩器速率阻尼。當(dāng)剛開始速率阻尼時(shí)，默認(rèn)當(dāng)前的速率阻尼狀態(tài)為動(dòng)量輪速率阻尼。
[0035]a.磁力矩器速率阻尼
[0036]根據(jù)當(dāng)前地球磁場(chǎng)在衛(wèi)星本體系的三軸分量和衛(wèi)星的角速度計(jì)算三軸磁力矩器所需產(chǎn)生的磁矩:
[0037]Μ = -^.(ΒΦω)
I碑
[0038]其中B為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量在衛(wèi)星本體系的三軸分量，可以利用磁場(chǎng)模型計(jì)算得到，也可使用磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量得到。》表示兩個(gè)矢量叉乘。Km為增益系數(shù)。增益系數(shù)Km的典型值取15，可以根據(jù)磁力矩器的大小、衛(wèi)星軌道所處的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的具體值進(jìn)行選取。姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)所需的三軸磁矩，對(duì)三軸磁力矩器施加一定的電壓，使其產(chǎn)生磁矩。
[0039]磁力矩器速率阻尼的同時(shí)，動(dòng)量輪需要維持標(biāo)稱角動(dòng)量。維持標(biāo)稱角動(dòng)量的控制算法如下:
[0040]AHx = Hx0-Hx
[0041]Δ Hy = Hy0-Hy
[0042]AHz = Hz0-Hz
[0043]4= IJtx + Km ■ At - AHx，Ikx = mlf(I；a, Imx);
[0044]I； = Ihy + Km ■ Δ/.Miy，Ihy = mlf(l；v, /,腿);
[0045]Ils = J1l + κ.獲-M-Mii, 4 = mlf(!I—,/,腿)；
[0046]Tx = Ihx+KpH.Δ Hx
[0047]Ty = Ihy+KpH.AHy
[0048]Tz = Ihz+KpH.Δ Hz
[0049]TxTyTz分別是需要?jiǎng)恿枯啴a(chǎn)生的星體三軸控制力矩。
[0050]其中Hxtl, Hy0, Hz0為三個(gè)動(dòng)量輪的標(biāo)稱角動(dòng)量，一般均設(shè)置為O。IlxJlyJi為三軸角動(dòng)量積分值，為上一周期三軸角動(dòng)量積分值，積分值初始值均為O。Ihx, Ihy和
Ihz為限幅后的三軸角動(dòng)量積分值；KPH為比例項(xiàng)控制參數(shù)，Kih為積分控制參數(shù)，Ifflax為積分限幅值，這三個(gè)參數(shù)取值可根據(jù)動(dòng)量輪的具體參數(shù)進(jìn)行選取，典型值為Kph = 0.05, Kih =0.0025。Δ t為控制周期。mlf (a, b)函數(shù)為限幅函數(shù)，當(dāng)a彡b時(shí)，返回值為b ;當(dāng)a < _b時(shí)，返回值為_b ;當(dāng)_b〈a〈b時(shí)，返回值為a。
[0051]b.動(dòng)量輪速率阻尼
[0052]根據(jù)星體的角速度計(jì)算需要?jiǎng)恿枯啴a(chǎn)生的星體三軸控制力矩:
?1 p/
[0053]Ty =^Κ?.\ ?,.Λ」
[0054]其中Kd為增益系數(shù)，為3X3對(duì)角線矩陣，可根據(jù)動(dòng)量輪的力矩大小等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0055]姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)所需的三軸力矩，分別向動(dòng)量輪發(fā)送控制指令，使其產(chǎn)生所需要的力矩。
[0056](3)姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)每個(gè)控制周期重復(fù)上述步驟(I)和步驟(2)。若速率阻尼初始時(shí)，角動(dòng)量Ht較小，則會(huì)使用動(dòng)量輪進(jìn)行阻尼，如果在阻尼過程中由于衛(wèi)星受到干擾的作用，角動(dòng)量Ht增大了，在步驟(2)中會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為磁力矩器速率阻尼。
[0057]若速率阻尼初始時(shí)，角動(dòng)量Ht較大，則會(huì)使用磁力矩器進(jìn)行阻尼，在阻尼過程中，角動(dòng)量Ht不斷減小，當(dāng)小于H2時(shí)，在步驟(2)中會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為動(dòng)量輪速率阻尼。速率阻尼一直持續(xù)到Ht小于Η3(設(shè)置為很小的角動(dòng)量，如0.0lNms)時(shí)，就完成了整個(gè)速率阻尼過程。
[0058]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種使用動(dòng)量輪與磁力矩器聯(lián)合的速率阻尼方法，所述動(dòng)量輪為三軸動(dòng)量輪，磁力矩器為三軸磁力矩器，其特征在于，每個(gè)控制周期的速率阻尼方法步驟如下: (1)根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度和動(dòng)量輪當(dāng)前的角動(dòng)量，計(jì)算衛(wèi)星總角動(dòng)量Ht； (2)判斷衛(wèi)星總角動(dòng)量Ht大小； 當(dāng)所述衛(wèi)星總角動(dòng)量Ht大于設(shè)定值H3小于設(shè)定值H2時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟(3);當(dāng)衛(wèi)星總角動(dòng)量Ht大于設(shè)定值H1時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟(4);當(dāng)衛(wèi)星總角動(dòng)量Ht小于等于設(shè)定值H3時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟(5);當(dāng)H2 < Ht < H1時(shí)，判斷上一周期的速率阻尼方式，當(dāng)上一周期為動(dòng)量輪速率阻尼時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟(3)，當(dāng)上一周期為磁力矩器阻尼時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟(4) ；H3<H2<H1 ； (3)根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度進(jìn)行動(dòng)量輪速率阻尼；然后本控制周期結(jié)束，等待進(jìn)入下一控制周期； (4)根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度進(jìn)行磁力矩器速率阻尼，同時(shí)動(dòng)量輪維持標(biāo)稱角動(dòng)量；然后本控制周期結(jié)束，等待進(jìn)入下一控制周期； (5)結(jié)束速率阻尼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用動(dòng)量輪與磁力矩器聯(lián)合的速率阻尼方法，其特征在于，進(jìn)行動(dòng)量輪速率阻尼的方法如下: 根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度A = Wr 4T計(jì)算需要?jiǎng)恿枯啴a(chǎn)生的星體三軸控制力矩Tx、Ty和Tz，計(jì)算公式為: Tx?χ
Tv = -Κυ ■ ?γ， Γ:」 [4 其中Kd為增益系數(shù)，為3X3對(duì)角線矩陣； 根據(jù)需要?jiǎng)恿枯啴a(chǎn)生的星體三軸控制力矩，分別向三軸動(dòng)量輪發(fā)送控制指令。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用動(dòng)量輪與磁力矩器聯(lián)合的速率阻尼方法，其特征在于，動(dòng)量輪速率阻尼的方法如下:
K 根據(jù)陀螺測(cè)量的角速度0=[0 ? Α 了利用公式M=—十算三軸磁力矩器所需產(chǎn)生的磁矩Μ，其中B為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量在衛(wèi)星本體系的三軸分量表示兩個(gè)矢量叉乘，Km為增益系數(shù)；根據(jù)三軸磁力矩器所需產(chǎn)生的磁矩M向三軸磁力矩器施加控制電壓。
【文檔編號(hào)】B64G1/24GK104176275SQ201410339276
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】韓冬, 邢林峰, 郝金華, 諶穎, 龔宇蓮, 李鶴, 謝曉兵, 徐子荔, 畢鵬波, 蓋曉亮, 謝紅 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所