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      衛(wèi)星分布式載荷的編隊(duì)方法與流程

      文檔序號(hào):11274233閱讀:376來(lái)源:國(guó)知局
      衛(wèi)星分布式載荷的編隊(duì)方法與流程

      本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星自主編隊(duì)飛行控制方法,特別涉及一種衛(wèi)星分布式載荷的編隊(duì)方法。



      背景技術(shù):

      衛(wèi)星載荷的編隊(duì)技術(shù)是不同于傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)的一項(xiàng)新興技術(shù),是指在同一顆衛(wèi)星不同位置處布置分布式載荷,并對(duì)這些載荷進(jìn)行編隊(duì),使其相對(duì)于某一主載荷保持高精度相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài),以共同完成某些任務(wù)。分布式光學(xué)成像等大口徑光學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星載荷編隊(duì)技術(shù)提出了高精度、高穩(wěn)定度、超靜力學(xué)環(huán)境等的要求。

      傳統(tǒng)的衛(wèi)星編隊(duì)技術(shù),即對(duì)不同的衛(wèi)星進(jìn)行編隊(duì),一般使用線性化之后的c-w方程來(lái)描述兩顆衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng);進(jìn)行編隊(duì)控制時(shí),也采用c-w方程來(lái)計(jì)算控制量。軌控時(shí),采用軌控推力器;姿控時(shí),采用動(dòng)量輪或姿控推力器兩種方式。

      文獻(xiàn)“申請(qǐng)公布號(hào)是cn104142686a的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利”公開(kāi)了一種衛(wèi)星自主編隊(duì)飛行控制方法。該方法通過(guò)軌控使用多次小脈沖噴氣、姿控使用動(dòng)量輪的方式,用于衛(wèi)星的編隊(duì)控制,減少了姿態(tài)噴氣控制對(duì)軌道的影響,提高了軌道控制執(zhí)行精度。該專(zhuān)利中,用噴氣推力器提供脈沖力矩,需要消耗大量工質(zhì),影響航天器壽命,且容易引起微振動(dòng),降低光學(xué)部件工作性能;動(dòng)量輪會(huì)存在速度飽和,此后動(dòng)量輪就不再吸收航天器的多余動(dòng)量矩,需要進(jìn)行卸載。此外,空間環(huán)境對(duì)常規(guī)編隊(duì)衛(wèi)星影響大,特別是對(duì)于低軌衛(wèi)星,編隊(duì)受到的環(huán)境干擾較復(fù)雜,常規(guī)編隊(duì)難度大??傮w而言,衛(wèi)星編隊(duì)技術(shù)的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)的控制精度較低,不適用于分布式光學(xué)成像這種高精度共相位控制要求。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      為了克服現(xiàn)有衛(wèi)星自主編隊(duì)飛行控制方法控制精度低的不足,本發(fā)明提供一種衛(wèi)星分布式載荷的編隊(duì)方法。該方法根據(jù)任務(wù)需求不同,在同一顆衛(wèi)星的不同位置處布置分布式載荷,載荷編隊(duì)由一個(gè)主載荷和若干個(gè)從載荷組成,編隊(duì)中所有載荷協(xié)同工作,完成給定任務(wù)。采用分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)將衛(wèi)星本體與載荷相連接,分離式電磁音圈作動(dòng)器代替可伸縮支腿作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),采用比例微分(pd)控制律,對(duì)分布式載荷進(jìn)行編隊(duì)控制。該方法滿足了分布式光學(xué)成像等大口徑光學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)提出的高精度、高穩(wěn)定度、超靜力學(xué)環(huán)境等要求,可完成多種空間任務(wù);同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不消耗工質(zhì),不引起微振動(dòng),且無(wú)需卸載,有效提高了衛(wèi)星載荷的控制精度,延長(zhǎng)了衛(wèi)星壽命。

      本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案:一種衛(wèi)星分布式載荷的編隊(duì)方法,其特點(diǎn)是包括以下步驟:

      步驟一、確定衛(wèi)星上各個(gè)部件的位置及其連接方式。

      設(shè)計(jì)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4。所述分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4以立方體的兩個(gè)斜界面作為上、下平臺(tái),立方體的六條棱作為分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的六個(gè)支腿。采用六個(gè)分離式電磁音圈作動(dòng)器2控制分布式載荷的六自由度運(yùn)動(dòng)。衛(wèi)星本體5分別與分布式主載荷1、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相連,所述分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的下平臺(tái)部分與衛(wèi)星本體5相連,分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的上平臺(tái)部分與分布式主載荷1相連。分離式電磁音圈作動(dòng)器2與分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4之間采用螺栓連接。

      步驟二、確定分布式載荷的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。

      在分布式主載荷1、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6上分別安裝星敏感器,用于測(cè)量載荷相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)信息,并利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,得到需要的相對(duì)姿態(tài)信息。在分布式主載荷1、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6上安裝干涉激光器,用于測(cè)量相對(duì)位置信息。

      步驟三、衛(wèi)星本體5的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)建模與控制。

      參考坐標(biāo)系選取衛(wèi)星本體坐標(biāo)系oxyz,將衛(wèi)星本體5當(dāng)作剛體模型,采用小角度機(jī)動(dòng)假設(shè),即姿態(tài)角均為小量,其正弦值為0,余弦值為1,兩個(gè)小量的乘積忽略,將模型線性化,其模型如下:

      其中,ωx,ωy,ωz分別為衛(wèi)星本體5繞參考坐標(biāo)系oxyz三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,ψ,θ,分別為衛(wèi)星的偏航、俯仰和滾動(dòng)角,為衛(wèi)星本體的慣量矩,為衛(wèi)星本體5姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的控制力矩,為分布式主載荷1通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)衛(wèi)星本體5產(chǎn)生的反作用力矩,為第一個(gè)分布式從載荷3通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)衛(wèi)星本體5產(chǎn)生的反作用力矩,為第二個(gè)分布式從載荷6通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)衛(wèi)星本體5產(chǎn)生的反作用力矩。

      為使衛(wèi)星本體5保持穩(wěn)定,即衛(wèi)星本體5的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)用來(lái)補(bǔ)償分布式載荷對(duì)衛(wèi)星本體5的影響,采用公式(2)對(duì)衛(wèi)星本體5進(jìn)行穩(wěn)定控制:

      加入控制力矩后,衛(wèi)星本體5的動(dòng)力學(xué)模型為:

      其中,為衛(wèi)星本體5姿態(tài)控制三通道的微分參數(shù),為衛(wèi)星本體5姿態(tài)控制三通道的比例參數(shù)。

      步驟四、分布式載荷的位置和姿態(tài)的動(dòng)力學(xué)建模。

      將衛(wèi)星上的分布式主載荷1看作剛體,參考坐標(biāo)系為分布式主載荷1的本體坐標(biāo)系op1xp1yp1zp1,假設(shè)分布式主載荷1為正方體,則同樣的采用小角度機(jī)動(dòng)假設(shè),將模型線性化,其姿態(tài)模型如下:

      其中,為分布式主載荷1繞參考坐標(biāo)系op1xp1yp1zp1的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,ψp1,θp1,為分布式主載荷1的偏航、俯仰和滾動(dòng)角,為分布式主載荷1的慣量矩,為衛(wèi)星本體5通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2產(chǎn)生的對(duì)分布式主載荷1的控制力矩,且

      以衛(wèi)星本體坐標(biāo)系oxyz為參考坐標(biāo)系,建立分布式主載荷1的位置模型。假設(shè)分布式主載荷1只受到分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4通過(guò)分離式電磁音圈作動(dòng)器2施加的力和力矩,并假設(shè)載荷為剛體,建立的位置模型如下:

      其中,為分布式主載荷1質(zhì)心相對(duì)于衛(wèi)星本體5的速度,x1,y1,z1為分布式主載荷1質(zhì)心相對(duì)于衛(wèi)星本體5的位置,m1為分布式主載荷1的質(zhì)量,為衛(wèi)星本體5通過(guò)stewart平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2施加給分布式主載荷1的控制力。

      將第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6看作剛體,姿態(tài)建模時(shí)分別選取第一個(gè)分布式從載荷3的本體坐標(biāo)系op2xp2yp2zp2和第二個(gè)分布式從載荷6的本體坐標(biāo)系op3xp3yp3zp3為參考坐標(biāo)系;位置建模時(shí)選取分布式主載荷1的本體坐標(biāo)系op1xp1yp1zp1為參考坐標(biāo)系,建立模型分別為:

      其中,為第一個(gè)分布式從載荷3繞參考坐標(biāo)系op2xp2yp2zp2的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,ψp2,θp2,為第一個(gè)分布式從載荷3的偏航、俯仰和滾動(dòng)角,為第一個(gè)分布式從載荷3的慣量矩,為衛(wèi)星本體5通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2產(chǎn)生的對(duì)第一個(gè)分布式從載荷3的控制力矩,且為第一個(gè)分布式從載荷3質(zhì)心相對(duì)于分布式主載荷1的速度,x2,y2,z2為第一個(gè)分布式從載荷3質(zhì)心相對(duì)于分布式主載荷1的位置,m2為第一個(gè)分布式從載荷3的質(zhì)量,為衛(wèi)星本體5通過(guò)stewart平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2施加給第一個(gè)分布式從載荷3的控制力。

      其中,為第二個(gè)分布式從載荷6繞參考坐標(biāo)系op3xp3yp3zp3的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,ψp3,θp3,為第二個(gè)分布式從載荷6的偏航、俯仰和滾動(dòng)角,為第二個(gè)分布式從載荷6的慣量矩,為衛(wèi)星本體5通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2產(chǎn)生的對(duì)第二個(gè)分布式從載荷6的控制力矩,且為第二個(gè)分布式從載荷6質(zhì)心相對(duì)于分布式主載荷1的速度,x3,y3,z3為第二個(gè)分布式從載荷6質(zhì)心相對(duì)于分布式主載荷1的位置,m3為第二個(gè)分布式從載荷6的質(zhì)量,為衛(wèi)星本體5通過(guò)stewart平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2施加給第二個(gè)分布式從載荷6的控制力。

      步驟五、分布式主載荷1相對(duì)于衛(wèi)星本體的位置和姿態(tài)的確定。

      采用干涉激光器得到分布式主載荷1相對(duì)于衛(wèi)星本體5的位置關(guān)系,并將其投影在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系oxyz中,得到分布式主載荷1相對(duì)于衛(wèi)星本體5的位置為[x1,y1,z1]t

      用星敏感器測(cè)得分布式主載荷1相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的滾動(dòng)、俯仰和偏航角為衛(wèi)星本體5相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的滾動(dòng)、俯仰和偏航角為假設(shè)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的變換矩陣為a0,分布式主載荷本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的變換矩陣為a1。由于這兩個(gè)坐標(biāo)變換矩陣均為標(biāo)準(zhǔn)正交矩陣,即有at=a-1,故分布式主載荷本體坐標(biāo)系相對(duì)于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的變換矩陣分別為所以分布式主載荷1相對(duì)于衛(wèi)星本體5的姿態(tài)角分別為:

      步驟六、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相對(duì)于分布式主載荷1的位置和姿態(tài)的確定。

      采用干涉激光器得到第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相對(duì)于分布式主載荷1的位置關(guān)系,并將其投影在分布式主載荷1的本體坐標(biāo)系op1xp1yp1zp1中,得到兩個(gè)從載荷相對(duì)于主載荷的位置分別為:[x2,y2,z2]t、[x3,y3,z3]t。

      用星敏感器測(cè)得分布式主載荷1、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的滾動(dòng)、俯仰和偏航角分別為假設(shè)分布式主載荷1本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的變換矩陣為a1,第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6的本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的變換矩陣分別為a2和a3。則第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6本體坐標(biāo)系相對(duì)于分布式主載荷1本體坐標(biāo)系的變換矩陣分別為所以第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相對(duì)于分布式主載荷1的姿態(tài)角分別為:

      步驟七、分布式載荷編隊(duì)的控制方法。

      在完成某一任務(wù)時(shí),要求將參考姿態(tài)和位置與實(shí)際姿態(tài)和位置的差值作為控制系統(tǒng)輸入,采用比例微分控制方法,則分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)分布式主載荷1產(chǎn)生的控制力和控制力矩應(yīng)為:

      其中,為分布式主載荷1位置控制中三通道的微分參數(shù),為分布式主載荷1位置控制中三通道的比例參數(shù);為分布式主載荷1姿態(tài)控制中三通道的微分參數(shù),為分布式主載荷1姿態(tài)控制中三通道的比例參數(shù)。

      其次,要求將第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相對(duì)于分布式主載荷1的參考姿態(tài)和位置與其相對(duì)于分布式主載荷1的實(shí)際姿態(tài)和位置的差值作為控制系統(tǒng)的輸入,采用比例微分控制方法,則分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)第一個(gè)分布式從載荷3產(chǎn)生的控制力和控制力矩應(yīng)為:

      其中,為第一個(gè)分布式從載荷3位置控制中三通道的微分參數(shù),為第一個(gè)分布式從載荷3位置控制中三通道的比例參數(shù);為第一個(gè)分布式從載荷3姿態(tài)控制中三通道的微分參數(shù),為第一個(gè)分布式從載荷3姿態(tài)控制中三通道的比例參數(shù)。

      采用比例微分控制方法,分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)第二個(gè)分布式從載荷6產(chǎn)生的控制力和控制力矩為:

      其中,為第二個(gè)分布式從載荷6位置控制中三通道的微分參數(shù),為第二個(gè)分布式從載荷6位置控制中三通道的比例參數(shù);為第二個(gè)分布式從載荷6姿態(tài)控制中三通道的微分參數(shù),為第二個(gè)分布式從載荷6姿態(tài)控制中三通道的比例參數(shù)。

      步驟八、分離式電磁音圈作動(dòng)器2作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生控制力和控制力矩。

      分離式電磁音圈作動(dòng)器2的模型假設(shè)為已知,通電電流與產(chǎn)生的輸出力的關(guān)系如公式(13)所示:

      f=bil(13)

      其中b,l為分離式電磁音圈作動(dòng)器的固有屬性,當(dāng)做已知量,i為通過(guò)線圈的電流,為可控變量。

      進(jìn)行姿態(tài)控制時(shí),設(shè)某一作動(dòng)器的輸出力與軸線方向的垂直距離為d,形成沿該載荷軸線方向的力矩,用于控制姿態(tài)角的偏差。

      步驟九、部分參數(shù)的設(shè)定。

      利用試湊法整定步驟七中所有比例微分參數(shù),先調(diào)節(jié)比例參數(shù),再調(diào)節(jié)微分參數(shù),這兩個(gè)步驟反復(fù)進(jìn)行,直到滿足系統(tǒng)要求的性能為止。同時(shí),完成步驟八中分離式電磁音圈作動(dòng)器2的固有參數(shù)b和l的測(cè)定,以及分離式電磁音圈作動(dòng)器2相對(duì)于分布式主載荷1、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6的軸線垂直距離d的測(cè)量。

      本發(fā)明的有益效果是:該方法根據(jù)任務(wù)需求不同,在同一顆衛(wèi)星的不同位置處布置分布式載荷,載荷編隊(duì)由一個(gè)主載荷和若干個(gè)從載荷組成,編隊(duì)中所有載荷協(xié)同工作,完成給定任務(wù)。采用分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)將衛(wèi)星本體與載荷相連接,分離式電磁音圈作動(dòng)器代替可伸縮支腿作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),采用比例微分(pd)控制律,對(duì)分布式載荷進(jìn)行編隊(duì)控制。該方法滿足了分布式光學(xué)成像等大口徑光學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)提出的高精度、高穩(wěn)定度、超靜力學(xué)環(huán)境等要求,可完成多種空間任務(wù);同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不消耗工質(zhì),不引起微振動(dòng),且無(wú)需卸載,有效提高了衛(wèi)星載荷的控制精度,延長(zhǎng)了衛(wèi)星壽命。

      下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

      附圖說(shuō)明

      圖1是本發(fā)明衛(wèi)星分布式載荷的編隊(duì)方法的流程圖。

      圖2是本發(fā)明方法所涉及的分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的構(gòu)型圖;

      圖3是本發(fā)明方法所涉及的分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的三維模型圖;

      圖4是本發(fā)明方法所涉及的衛(wèi)星本體、分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)、分離式電磁音圈作動(dòng)器和分布式載荷的連接關(guān)系示意圖;

      圖5是本發(fā)明方法中分布式載荷編隊(duì)的控制框圖。

      圖中,1-分布式主載荷,2-分離式電磁音圈作動(dòng)器,3-第一個(gè)分布式從載荷,4-分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái),5-衛(wèi)星本體,6-第二個(gè)分布式從載荷。

      具體實(shí)施方式

      參照?qǐng)D1-5。本發(fā)明衛(wèi)星分布式載荷的編隊(duì)方法具體步驟如下:

      步驟一、確定衛(wèi)星上各個(gè)部件的位置及其連接方式。

      設(shè)計(jì)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4。所述分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4以立方體的兩個(gè)斜界面作為上、下平臺(tái),立方體的六條棱作為分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的六個(gè)支腿。采用六個(gè)分離式電磁音圈作動(dòng)器2代替可伸縮作動(dòng)器,用于控制分布式載荷的六自由度運(yùn)動(dòng)。假設(shè)衛(wèi)星上有三個(gè)分布式載荷,分別為分布式主載荷1、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6,確定各個(gè)分布式載荷在衛(wèi)星上的位置,分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4將衛(wèi)星本體5分別與分布式主載荷1、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相連,即分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的下平臺(tái)部分與衛(wèi)星本體5相連,上平臺(tái)部分與分布式主載荷1相連。分離式電磁音圈作動(dòng)器2與分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4之間采用螺栓連接。

      步驟二、確定分布式載荷的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)的測(cè)量方法。

      在每個(gè)分布式載荷上安裝慣性測(cè)量系統(tǒng)如星敏感器,用于測(cè)量載荷相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)信息,并利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,得到需要的相對(duì)姿態(tài)信息。在每個(gè)分布式載荷上安裝干涉激光器,用于測(cè)量相對(duì)位置信息。

      步驟三、衛(wèi)星本體5的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)建模與控制。

      對(duì)于衛(wèi)星本體5,不考慮分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4、分布式主載荷1、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6。由于衛(wèi)星本體5的軌道運(yùn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星分布式載荷編隊(duì)影響不大,故只考慮衛(wèi)星本體5的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。參考坐標(biāo)系選取衛(wèi)星本體坐標(biāo)系oxyz,將其當(dāng)作剛體模型,不考慮環(huán)境因素的影響,并采用小角度機(jī)動(dòng)假設(shè),即姿態(tài)角均為小量,其正弦值為0,余弦值為1,兩個(gè)小量的乘積忽略,將模型線性化,其模型如下:

      其中,ωx,ωy,ωz分別為衛(wèi)星本體5繞參考坐標(biāo)系oxyz三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,ψ,θ,分別為衛(wèi)星的偏航、俯仰和滾動(dòng)角,為衛(wèi)星本體的慣量矩,為衛(wèi)星本體5姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的控制力矩,為分布式主載荷1通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)衛(wèi)星本體5產(chǎn)生的反作用力矩,為第一個(gè)分布式從載荷3通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)衛(wèi)星本體5產(chǎn)生的反作用力矩,為第二個(gè)分布式從載荷6通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)衛(wèi)星本體5產(chǎn)生的反作用力矩。

      由于衛(wèi)星本體5質(zhì)量較大,故分離式電磁音圈作動(dòng)器2產(chǎn)生的輸出力對(duì)衛(wèi)星本體5的位置改變可忽略不計(jì)。

      為使衛(wèi)星本體5保持穩(wěn)定,即衛(wèi)星本體5的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)補(bǔ)償分布式載荷對(duì)本體的影響,采用公式(2)所示的控制律對(duì)衛(wèi)星本體5進(jìn)行穩(wěn)定控制:

      加入控制力矩后,衛(wèi)星本體5的動(dòng)力學(xué)模型為:

      其中,為衛(wèi)星本體5姿態(tài)控制三通道的微分參數(shù),為衛(wèi)星本體5姿態(tài)控制三通道的比例參數(shù)。

      步驟四、分布式載荷的位置和姿態(tài)的動(dòng)力學(xué)建模。

      將衛(wèi)星上的分布式主載荷1看作剛體,參考坐標(biāo)系為分布式主載荷1的本體坐標(biāo)系op1xp1yp1zp1,假設(shè)分布式主載荷1為正方體,則同樣的采用小角度機(jī)動(dòng)假設(shè),將模型線性化,其姿態(tài)模型如下:

      其中,為分布式主載荷1繞參考坐標(biāo)系op1xp1yp1zp1的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,ψp1,θp1,為分布式主載荷1的偏航、俯仰和滾動(dòng)角,為分布式主載荷1的慣量矩,為衛(wèi)星本體5通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2產(chǎn)生的對(duì)分布式主載荷1的控制力矩,且

      以衛(wèi)星本體坐標(biāo)系oxyz為參考坐標(biāo)系,建立分布式主載荷1的位置模型。假設(shè)分布式主載荷1只受到分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4通過(guò)分離式電磁音圈作動(dòng)器2施加的力和力矩,并假設(shè)載荷為剛體,建立的位置模型如下:

      其中,為分布式主載荷1質(zhì)心相對(duì)于衛(wèi)星本體5的速度,x1,y1,z1為分布式主載荷1質(zhì)心相對(duì)于衛(wèi)星本體5的位置,m1為分布式主載荷1的質(zhì)量,為衛(wèi)星本體5通過(guò)stewart平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2施加給分布式主載荷1的控制力。

      對(duì)于第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6,同樣的將其看作剛體,姿態(tài)建模時(shí)分別選取第一個(gè)分布式從載荷3的本體坐標(biāo)系op2xp2yp2zp2和第二個(gè)分布式從載荷6的本體坐標(biāo)系op3xp3yp3zp3為參考坐標(biāo)系;位置建模時(shí)選取分布式主載荷1的本體坐標(biāo)系op1xp1yp1zp1為參考坐標(biāo)系,其它假設(shè)與建模方法均與分布式主載荷1相同,建立模型分別為:

      其中,為第一個(gè)分布式從載荷3繞參考坐標(biāo)系op2xp2yp2zp2的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,ψp2,θp2,為第一個(gè)分布式從載荷3的偏航、俯仰和滾動(dòng)角,為第一個(gè)分布式從載荷3的慣量矩,為衛(wèi)星本體5通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2產(chǎn)生的對(duì)第一個(gè)分布式從載荷3的控制力矩,且為第一個(gè)分布式從載荷3質(zhì)心相對(duì)于分布式主載荷1的速度,x2,y2,z2為第一個(gè)分布式從載荷3質(zhì)心相對(duì)于分布式主載荷1的位置,m2為第一個(gè)分布式從載荷3的質(zhì)量,為衛(wèi)星本體5通過(guò)stewart平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2施加給第一個(gè)分布式從載荷3的控制力。

      其中,為第二個(gè)分布式從載荷6繞參考坐標(biāo)系op3xp3yp3zp3的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,ψp3,θp3,為第二個(gè)分布式從載荷6的偏航、俯仰和滾動(dòng)角,為第二個(gè)分布式從載荷6的慣量矩,為衛(wèi)星本體5通過(guò)分離式stewart驅(qū)動(dòng)平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2產(chǎn)生的對(duì)第二個(gè)分布式從載荷6的控制力矩,且為第二個(gè)分布式從載荷6質(zhì)心相對(duì)于分布式主載荷1的速度,x3,y3,z3為第二個(gè)分布式從載荷6質(zhì)心相對(duì)于分布式主載荷1的位置,m3為第二個(gè)分布式從載荷6的質(zhì)量,為衛(wèi)星本體5通過(guò)stewart平臺(tái)4的分離式電磁音圈作動(dòng)器2施加給第二個(gè)分布式從載荷6的控制力。

      步驟五、分布式主載荷1相對(duì)于衛(wèi)星本體的位置和姿態(tài)的確定。

      采用干涉激光器可直接得到分布式主載荷1相對(duì)于衛(wèi)星本體5的位置關(guān)系,并將其投影在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系oxyz中,得到分布式主載荷1相對(duì)于衛(wèi)星本體5的位置為[x1,y1,z1]t。

      用星敏感器測(cè)得分布式主載荷1相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的滾動(dòng)、俯仰和偏航角為衛(wèi)星本體5相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的滾動(dòng)、俯仰和偏航角為假設(shè)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的變換矩陣為a0,分布式主載荷本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的變換矩陣為a1。由于這兩個(gè)坐標(biāo)變換矩陣均為標(biāo)準(zhǔn)正交矩陣,即有at=a-1,故分布式主載荷本體坐標(biāo)系相對(duì)于衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的變換矩陣分別為所以分布式主載荷1相對(duì)于衛(wèi)星本體5的姿態(tài)角分別為:

      步驟六、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相對(duì)于分布式主載荷1的位置和姿態(tài)的確定。

      采用干涉激光器可直接得到第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相對(duì)于分布式主載荷1的位置關(guān)系,并將其投影在分布式主載荷1的本體坐標(biāo)系op1xp1yp1zp1中,得到兩個(gè)從載荷相對(duì)于主載荷的位置分別為:[x2,y2,z2]t、[x3,y3,z3]t。

      用星敏感器測(cè)得分布式主載荷1、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的滾動(dòng)、俯仰和偏航角分別為假設(shè)分布式主載荷1本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的變換矩陣為a1,第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6的本體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的變換矩陣分別為a2和a3。則第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6本體坐標(biāo)系相對(duì)于分布式主載荷1本體坐標(biāo)系的變換矩陣分別為所以第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相對(duì)于分布式主載荷1的姿態(tài)角分別為:

      步驟七、分布式載荷編隊(duì)的控制方法。

      對(duì)于衛(wèi)星分布式載荷的編隊(duì)技術(shù),在完成某一任務(wù)時(shí),首先衛(wèi)星的分布式主載荷1要按一定的精度相對(duì)于衛(wèi)星本體5的某一位置保持定向,故要求將參考姿態(tài)和位置與實(shí)際姿態(tài)和位置的差值作為控制系統(tǒng)輸入,采用比例微分(pd)控制方法,則分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)分布式主載荷1產(chǎn)生的控制力和控制力矩應(yīng)為:

      其中,為分布式主載荷1位置控制中三通道的微分參數(shù),為分布式主載荷1位置控制中三通道的比例參數(shù);為分布式主載荷1姿態(tài)控制中三通道的微分參數(shù),為分布式主載荷1姿態(tài)控制中三通道的比例參數(shù)。

      其次,第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6要相對(duì)于分布式主載荷1保持高精度相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài),即要求將第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6相對(duì)于分布式主載荷1的參考姿態(tài)和位置與其相對(duì)于分布式主載荷1的實(shí)際姿態(tài)和位置的差值作為控制系統(tǒng)的輸入,采用pd控制方法,則分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)第一個(gè)分布式從載荷3產(chǎn)生的控制力和控制力矩應(yīng)為:

      其中,為第一個(gè)分布式從載荷3位置控制中三通道的微分參數(shù),為第一個(gè)分布式從載荷3位置控制中三通道的比例參數(shù);為第一個(gè)分布式從載荷3姿態(tài)控制中三通道的微分參數(shù),為第一個(gè)分布式從載荷3姿態(tài)控制中三通道的比例參數(shù)。

      采用pd控制方法,分離式電磁音圈作動(dòng)器2對(duì)第二個(gè)分布式從載荷6產(chǎn)生的控制力和控制力矩為:

      其中,為第二個(gè)分布式從載荷6位置控制中三通道的微分參數(shù),為第二個(gè)分布式從載荷6位置控制中三通道的比例參數(shù);為第二個(gè)分布式從載荷6姿態(tài)控制中三通道的微分參數(shù),為第二個(gè)分布式從載荷6姿態(tài)控制中三通道的比例參數(shù)。

      步驟八、分離式電磁音圈作動(dòng)器2作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生控制力和控制力矩。

      在上述步驟中,給定各個(gè)分布式載荷的參考位置和姿態(tài)后,由于空間環(huán)境和衛(wèi)星本體上存在各種干擾,使得各個(gè)分布式載荷偏離基準(zhǔn)狀態(tài),故需要對(duì)其進(jìn)行位置和姿態(tài)的補(bǔ)償。各個(gè)分布式載荷的位置和姿態(tài)信息可由步驟二中的測(cè)量裝置得出,然后反饋給控制系統(tǒng),得出參考值與實(shí)際值的差值,按照步驟七所述的pd控制方法進(jìn)行補(bǔ)償。

      分離式電磁音圈作動(dòng)器的模型假設(shè)為已知,通電電流與產(chǎn)生的輸出力的關(guān)系如公式(13)所示:

      f=bil(13)

      其中b,l為分離式電磁音圈作動(dòng)器的固有屬性,可當(dāng)做已知量,i為通過(guò)線圈的電流,為可控變量。

      進(jìn)行姿態(tài)控制時(shí),設(shè)某一作動(dòng)器的輸出力與軸線方向的垂直距離為d,形成沿該載荷軸線方向的力矩,用于控制姿態(tài)角的偏差。

      步驟九、上述步驟中各種參數(shù)的設(shè)定。

      此步驟需完成步驟七中所出現(xiàn)的所有比例微分參數(shù)的設(shè)定,利用試湊法整定這幾個(gè)參數(shù),先調(diào)節(jié)比例參數(shù),再調(diào)節(jié)微分參數(shù),這兩個(gè)步驟反復(fù)進(jìn)行,直到滿足系統(tǒng)要求的性能為止。同時(shí),還需完成步驟八中分離式電磁音圈作動(dòng)器2的固有參數(shù)b和l的測(cè)定,以及分離式電磁音圈作動(dòng)器2相對(duì)于分布式主載荷1、第一個(gè)分布式從載荷3和第二個(gè)分布式從載荷6的軸線垂直距離d的測(cè)量。

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