一種對(duì)地定向空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理方法
【專利摘要】一種對(duì)地定向空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理方法，基于自抗擾的思想首先設(shè)計(jì)一個(gè)線性二次型控制器作為基本控制器以滿足空間站姿態(tài)的穩(wěn)定控制需求，同時(shí)在姿態(tài)三軸分別設(shè)計(jì)一個(gè)觀測(cè)器在線觀察各軸所受外擾的總和并進(jìn)行辨識(shí)，通過設(shè)計(jì)合理的補(bǔ)償控制律，可以在滿足空間站姿態(tài)控制要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量的管理，從而避免控制力矩陀螺角動(dòng)量因急劇增長(zhǎng)快速飽和。本發(fā)明方法可以避免現(xiàn)有空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理采用內(nèi)模原理需要兩倍擴(kuò)充系統(tǒng)維數(shù)的問題，并可同時(shí)抑制常值以及1倍到4倍軌道頻率的諧波干擾。
【專利說明】
-種對(duì)地定向空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于航天器控制領(lǐng)域，具體設(shè)及一種航天器的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間站作為大型復(fù)雜的航天器，其質(zhì)量很大，受到的氣動(dòng)力矩強(qiáng)達(dá)IONm,由此造成 空間站的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一一控制力矩巧螺容易快速飽和而需要頻繁卸載。如果采用磁力矩器進(jìn) 行卸載，則需要設(shè)計(jì)7KW的磁力矩器，目前運(yùn)在工程上還無法實(shí)現(xiàn)。因此只能采用噴氣卸載 的方式，而噴氣卸載會(huì)造成燃料的頻繁消耗，影響空間站的在軌壽命。另外，長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì) 要求還需要空間站在進(jìn)行姿態(tài)控制的同時(shí)進(jìn)行必要的角動(dòng)量管理。
[0003] NASA在研制國(guó)際空間站期間，提出了基于內(nèi)模原理的實(shí)時(shí)角動(dòng)量管理方案，實(shí)現(xiàn) 了對(duì)地定向空間站的本體系和軌道系的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理。北京控制工程研究所在我 國(guó)空間站預(yù)研期間也提出了基于內(nèi)模原理的慣性系中角動(dòng)量管理方法。
[0004] 目前對(duì)地定向空間站采用內(nèi)模原理抑制常值和1到2倍軌道頻率外擾時(shí)，是在整個(gè) 閉環(huán)系統(tǒng)中串入需抑制的外擾內(nèi)模，運(yùn)就需要將系統(tǒng)擴(kuò)到24維，并設(shè)計(jì)一個(gè)3X24維的線性 二次型調(diào)節(jié)控制器，且只能應(yīng)對(duì)常值、1倍W及2倍軌道角速度氣動(dòng)干擾力矩，一旦更高頻率 的干擾力矩產(chǎn)生作用，那么除非在系統(tǒng)中再串入對(duì)應(yīng)于更高頻率擾動(dòng)的內(nèi)模進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng) 擴(kuò)維重新設(shè)計(jì)控制器，否則將無法達(dá)到良好的控制目標(biāo)，而維數(shù)的增加顯然會(huì)進(jìn)一步增加 系統(tǒng)的復(fù)雜度W及運(yùn)算量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)對(duì)地定向模式下的空間站， 提供了一種無需對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)維的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理方法，同時(shí)能夠抑制常值W及1倍到4 倍軌道頻率的氣動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制目標(biāo)的同時(shí)維持控制力矩巧螺角動(dòng)量不積累。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種對(duì)地定向空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理方法， 包括如下步驟：
[0007] (1)運(yùn)用基于極點(diǎn)配置的線性二次型調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)空間站無干擾情況下姿態(tài)控制和 角動(dòng)量管理的基本控制器K;
[000引基本控制器K的設(shè)計(jì)方法如下： _ 0 化 Q ] 0
[0009] (11)輸入系統(tǒng)矩陣A= Al:.心0，輸入矩陣B= -S,，獲得矩陣A的維數(shù)n，獲得矩陣B -。。'年」 L巧' 的列數(shù)m;其中地是3 X 3單位陣

'空間站的固有慣量
W。為空間站的 軌道角速率；
[0010] (12)判斷A是否滿足相對(duì)穩(wěn)定度：
i中Re(MA))表示 系統(tǒng)矩陣A的各特征根的實(shí)部；
[00川如果滿足，則給Riccati方程的變量賦初值丫日=1 J = I ,Aj=A,Po = On,Qo = On;
[001 2] 如果不細(xì)足，則令Qo = On , R = Idm,其中On為n階零陣，Idm為m階的單位陣,求解如下 的Riccati方程得到Po;
[0013]
[0014] 然后令丫 0 = 1，j = 1 ,Aj =A- 丫 oBR-VPo，其中 Idn為n階的單位陣；
[0015] (13)求解如下的Riccati方程得到Qj
[0016] Q 巧 R-IrTq 廣 Qj(-Aj2)-(-Aj2)TQj = 〇n
[0017] (14)令C = O.Strace(BR-IRTQj) ,trace為求解矩陣的跡；
[001引若C = O則轉(zhuǎn)入步驟（15);
[0019] 否則求解下式得到Pj
[0020] P 巧 R-IRTp 廣 PjA-ATp 廣 Qj = On
[0021] 然后令a = trace (BR-iRTpj)，b = trace (BR-iRTpjAj)，記 =A廣丫巧R-iRTpj，i = i+1，回到巧驟（13);
[0022] (15)判I
[0023] 如果滿足，則令Pj+i = 〇, 丫 j+i = 〇;
[0024] 如果不滿足，則求解如下Riccati方程得到Pw，
[0025]
[0026] 然后令丫 W = I ,Aw=Aj- 丫 j+iBR-VPj+i;
[0027] (16)計(jì)算得 I
[0028] (2)在空間站=軸姿態(tài)控制通道設(shè)計(jì)一個(gè)2階的線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，并通過調(diào)試 得到=軸各觀測(cè)器的設(shè)計(jì)參數(shù)ell，el2，i = x，y，z，其中x為滾動(dòng)軸，y為俯仰軸，z為偏航軸；
[0029] 其中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為：
[0030]
[003。其4
I系數(shù)扣1，扣2保證多 項(xiàng)式 s2+0iis+0i2 是 Hurwitz 的，
[0032]
[0033] WitDtal為空間站=軸各自所受的外擾參數(shù)。
[0034] (3)利用星敏感器實(shí)時(shí)測(cè)量得到空間站本體相對(duì)軌道的姿態(tài)角0x0y0z，利用角速率 巧螺實(shí)時(shí)測(cè)量得到空間站本體相對(duì)軌道的姿態(tài)角速度4今4，從空間站的=軸控制力 矩巧螺實(shí)時(shí)獲取其角動(dòng)量hx hy hz;
[0035] (4)根據(jù)步驟(2)設(shè)計(jì)的線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器W及步驟(3)獲取的不同時(shí)刻的空間 站姿態(tài)信息，估計(jì)得到空間站=軸各自所受的外擾參數(shù)，并根據(jù)所述外擾參數(shù)計(jì)算得到各 軸需補(bǔ)償?shù)母蓴_分量A Uxd A Uyd A Uzd, W及角動(dòng)量管理通道需抵消的角動(dòng)量分量A hx A hy A hz；
[0036] 其中估計(jì)得到空間站S軸各自的外擾參掛的方巧為，
[0037] (41)將各軸的理論外擾總和記夫
本體系中空間站 =軸所受氣動(dòng)力矩關(guān)
然后將Witcrtal分解為如下形式表達(dá)， Witotai=bi〇+biisin( 〇Dt)+bi2sin(2〇Dt)+bi3sin(3〇Dt)+bi4sin(4〇Dt)，bi〇為常值分量，后續(xù)為軌 道頻率倍數(shù)的諧波分量，定義
[003引（42)利用觀測(cè)器在線運(yùn)行得到t化），*化+1)，*化+2)，*化+3)，*化+4)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的 氣動(dòng)干擾力矩Zi2[t化）]Zi2[t化+l)]Zi2[t化+2)]Zi2[t化+3)]Zi2[t化+4)]，運(yùn)用下式得到氣 動(dòng)力矩參數(shù)的估計(jì)值，
[0039]
[0040] (43)采用如下公式計(jì)算補(bǔ)償?shù)母蓴_分量，W及角動(dòng)量管理通道要抵消的角動(dòng)量分 量，
[0041]
[0042]
[0043] (5)利用如下控制器計(jì)算得到空間站S軸對(duì)應(yīng)的控制力矩Ux Uy山；
[0044] 控制器如下：
[0045]
[0046]其中U=[Ux Uy Uz]T，目=[目X 目y 目z]T，f) = jA 4 ，h=[hx hy hz]T，Ah=[A hx Ahy Ahz]T:
[0047]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明基于自抗擾的思想設(shè)計(jì)空間站的姿態(tài) 控制和角動(dòng)量管理方案。通過設(shè)計(jì)2階觀測(cè)器在線估計(jì)空間站所受的外擾，可W避免原來基 于內(nèi)模原理需要擴(kuò)充系統(tǒng)維數(shù)的問題。觀測(cè)器得到空間站=軸所受外擾估計(jì)值后，通過辨 識(shí)算法可W得到外擾的常值分量和1到4倍軌道頻率的諧波分量，通過合理的補(bǔ)償方案實(shí)現(xiàn) 最后姿態(tài)控制精度和角動(dòng)量管理的折衷。本發(fā)明方法成功避免了基于內(nèi)模原理抑制常值和 1到4倍軌道頻率的諧波外擾需要將系統(tǒng)維數(shù)擴(kuò)充到36維，從而避免了系統(tǒng)復(fù)雜度的提升W 及運(yùn)算量增大的問題。
【附圖說明】
[004引圖1為本發(fā)明方法的流程圖；
[0049] 圖2為本發(fā)明空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 本發(fā)明的基本思想是避免原有的空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理采用內(nèi)模原理需 要兩倍擴(kuò)充系統(tǒng)維數(shù)的問題，而是基于自抗擾的思想首先設(shè)計(jì)一個(gè)線性二次型控制器作為 基本控制器滿足姿態(tài)的穩(wěn)定控制需求，同時(shí)=軸分別設(shè)計(jì)一個(gè)觀測(cè)器觀察各軸所受的總和 外擾，并進(jìn)行辨識(shí)，通過合理的補(bǔ)償，可W在滿足空間站姿態(tài)控制要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量管 理，即避免控制力矩巧螺角動(dòng)量急劇增長(zhǎng)快速飽和。
[0051] 如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖。本發(fā)明方法首先根據(jù)本體系中空間站的姿 態(tài)控制和角動(dòng)量管理的動(dòng)力學(xué)模型及總體提供的空間站物理參數(shù)離線運(yùn)用極點(diǎn)配置的線 性二次型調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本控制器K，=軸分別設(shè)計(jì)一個(gè)2階線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，同 時(shí)離線預(yù)調(diào)得到觀測(cè)器的相關(guān)參數(shù)。然后將設(shè)計(jì)的控制器和觀測(cè)器參數(shù)上傳到星載計(jì)算 機(jī)，星載計(jì)算機(jī)的姿態(tài)控制單元根據(jù)設(shè)計(jì)的觀測(cè)器在線實(shí)時(shí)估計(jì)各軸無法測(cè)量的氣動(dòng)力 矩，同時(shí)在線辨識(shí)氣動(dòng)力矩參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)的控制律和補(bǔ)償算法，對(duì)氣動(dòng)力矩進(jìn)行合理的補(bǔ) 償，實(shí)現(xiàn)對(duì)地定向空間站在本體系中的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理。
[0052] W下對(duì)本發(fā)明方法的步驟進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0053] (1)首先定義空間站本體坐標(biāo)系Sb(Oxyz):其原點(diǎn)在空間站質(zhì)屯、0，X軸沿空間站內(nèi) 某特征軸方向，Z軸也為空間站內(nèi)某特征軸方向，y軸與其它兩軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。一般的， =軸通常取為空間站慣性主軸方向，即X軸為滾動(dòng)軸，V軸為俯仰軸，Z軸為偏航軸。
[0054] 在此條件下，設(shè)本體系中空間站的慣量
其中Ii，l2，l3為S軸主 慣量，其中的非對(duì)角線元素 Ipq, {p，q=l，2,3}為空間站慣量積，I作為空間站固有物理參數(shù) 在總體設(shè)計(jì)時(shí)即已確定。對(duì)應(yīng)S軸控制力矩巧螺的角動(dòng)量h =比X hy hz ] T，輸出的控制力矩 為U= [Ux Uy Uz]T，設(shè)本體系中空間站S軸所受氣動(dòng)力矩為W= [Wx Wy Wz]T，空間站本體相對(duì) 軌道的滾動(dòng)角、俯仰角與偏航角為0=[0x 0y 0z]T，角速度為^二[為^么了，空間站的軌 道角速率為《0,由此得到系統(tǒng)的狀態(tài)變量X =|> # 。
[0055] 在本體系中建立空間站=軸禪合的動(dòng)力學(xué)方程如下：
[0化6]

[0化引動(dòng)力學(xué)方程中，^0是本體系中空間站的姿態(tài)角動(dòng)力學(xué)表達(dá)，^0是本體系中姿態(tài) dt dt 角速度的動(dòng)力學(xué)表達(dá)，運(yùn)兩個(gè)表達(dá)式組成了空間站的姿態(tài)控制通道^々是控制力矩巧螺的 山 動(dòng)力學(xué)方程，代表的是空間站的角動(dòng)量管理通道。
[0059] 各軸的氣動(dòng)干擾力矩在本體系中可W分解成常值分量加諧波分量如下：
[0060] wi = ai〇+aiisin( c〇Dt)+ai2sin(2 c〇Dt)+a^sin(3c〇Dt)+ai4sin(4c〇Dt)(i = x，y，z)
[0061 ]其中ai日為i軸氣動(dòng)力矩常值部分，曰11，曰12，曰31，曰14為1軸氣動(dòng)力矩各軌道頻率諧波 分量部分。
[0062] (2)鑒于W往的空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理都是運(yùn)用內(nèi)模原理并結(jié)合基于極點(diǎn) 配置的線性二次型調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)控制方案。本發(fā)明方法運(yùn)用基于極點(diǎn)配置的線性二次型調(diào)節(jié) 器設(shè)計(jì)空間站無擾情況下姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理的3 X 9維的基本控制器K。
[0063] 對(duì)于如下所示的線性時(shí)不變系統(tǒng)
[0064]
[0065] 其中x(t)為n維列向量，u(t)為m維列向量。
[0066] 線性二次型最優(yōu)控制化QR)即為設(shè)計(jì)一個(gè)輸入量u(t)使得如下的性能指標(biāo)最小
[0067]
[006引其中Q為n Xn的非負(fù)陣，R為m Xm的正定陣。
[0069] 滿足如上性能指標(biāo)的u(t)的最優(yōu)解為
[0070] u(t)=-Kx(t)=-rVPx(t)
[0071 ] 其中P為n X n的非負(fù)陣，是如下Riccati方程的解。
[0072] PBR-IBTp-PA-ATp-Q = On
[0073] 經(jīng)過反饋控制輸入后的閉環(huán)系統(tǒng)變?yōu)?br>[0074]
[0075] 基于極點(diǎn)配置的線性二次型調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法詳細(xì)介紹如下。
[0076] Stepl ：
[0077] 輸入系統(tǒng)矩降
，輸入矩P
獲得矩陣A的維數(shù)n，獲得 矩陣B的列數(shù)m。判斷A是否滿足相對(duì)穩(wěn)定度：
，其中Re(AkU))表 示系統(tǒng)矩陣A的各特征根的實(shí)部。
[007引注:A中所有(n個(gè))特征根的實(shí)部報(bào)^，稱為滿足。只要有一個(gè)不滿足，貝嚇為不 滿足。
[0079] 如果滿足，則給Riccati方程的變量賦初值丫日=1 ,j = l ,Aj=A,Po = On,Qo = On。
[0080] 如果不滿足，則令Qo = On,R= Idm，其中On為n階零陣，Idm為m階的單位陣，R-嗦示R 的逆，求解如下的Riccati方程得到Po。
[0081]
[0082] 然后令丫 0 = 1，j = 1，Aj = A- 丫 oBR-iRTpo，其中 Idn為n階的單位陣。
[0083] Step2：
[0084] 求解如下的Riccati方程得到Qj [00 化]Q 巧 R-VQj-Qj(-A/)-(-Aj2)TQj = 〇n [0086] StepS ：
[0087]令C = O.Strace(BR-IRTQj) ,trace為求解矩陣的跡。
[008引若C = O則轉(zhuǎn)入Step4;否則求解下式得到Pj
[0089] P 巧 R-IRTp 廣 PjA-ATp 廣 Qj = On
[0090] 然后令a = 1:race(BR-lBTpj),b = 1:race(BR-lB化Aj)，?
Aj+i=A廣丫巧R-iRTpj，j = j+1，回至化tep2。
[0091] Step4：
[0092] 判 i
,
[0093] 注:Ai+ 化中所有(n個(gè))特征根的實(shí)部都《0,稱為滿足。只要有一個(gè)不滿足，貝U 稱為不滿足。
[0094] 如果滿足，則令Pj+i = 〇, 丫 j+i = 〇。
[0095] 如果不滿足，則求解如下Riccati方程得到Pj+i。
[0096]
[0097] 然后令丫 W = I ,Aw=Aj- 丫 j+iBR-VPj+i
[009引 StenS:
[0099]
[0100] St邱1~steps,是基于極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)線性二次型調(diào)節(jié)器化QR)控制器的算法流程， 之所W設(shè)計(jì)LQR控制器作為基本控制器，是因?yàn)楸景l(fā)明采用的自抗擾思想是基于雙通道原 理來設(shè)計(jì)控制方案抑制系統(tǒng)擾動(dòng)，首先可W設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)無擾表達(dá)的基本控制器LQR控制 器來滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定要求，最后通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器來觀測(cè)系統(tǒng)所受外擾，并設(shè)計(jì)合理的 補(bǔ)償方案，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)抑制的目的。
[0101] (3)根據(jù)步驟(1)建立的空間站S軸禪合的動(dòng)力學(xué)方程，在S軸i = x，y，z姿態(tài)控制 通道設(shè)計(jì)一個(gè)2階的線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，并離線調(diào)試得到S軸觀測(cè)器的設(shè)計(jì)參數(shù)011，權(quán)2。
[0102] 觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法如下：
[0103] 令
其中
，在=軸的姿態(tài)控制通道 將外干擾力矩總量WitDtal作為擴(kuò)張狀態(tài)，得到角速度動(dòng)力學(xué)方程擴(kuò)張狀態(tài)形式如下：
[0104]
其中
，有
[0106]
[0107]
[0108] 針對(duì)擴(kuò)張狀態(tài)動(dòng)力學(xué)方程，各軸分別設(shè)計(jì)一個(gè)如下形式的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器得到角 速度觀測(cè)值Zil，W及各軸外擾總和觀測(cè)值Zi2 :
[0109]
[0110] E 多項(xiàng)式 s2+0iis+0i2 是 Hurwitz 的。
[0111] (4)地面工作人員將步驟(2)和(3)離線設(shè)計(jì)得到的空間站控制器K，W及2階線性 擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的參數(shù)權(quán)1，012,通過地面控制計(jì)算機(jī)上傳給星載計(jì)算機(jī)姿態(tài)控制單元。
[0112] (5)空間站運(yùn)行時(shí)，其測(cè)量系統(tǒng)的星敏感器可實(shí)時(shí)測(cè)量得到空間站本體相對(duì)軌道 的姿態(tài)角0X 0y 0Z傳輸給星載計(jì)算機(jī)。
[0113] (6)空間站運(yùn)行時(shí)，其測(cè)量系統(tǒng)的角速率巧螺可實(shí)時(shí)測(cè)量得到空間站本體相對(duì)軌 道的姿態(tài)角速度咬咬^^專輸給星載計(jì)算機(jī)。
[0114] (7)星載計(jì)算機(jī)姿態(tài)控制單元根據(jù)步驟(3)設(shè)計(jì)的觀測(cè)器W及上傳的觀測(cè)器參數(shù)， 在線估計(jì)得到各軸的外擾總和Zx2 Zy2 Zz2。
[0115] (8)星載計(jì)算機(jī)姿態(tài)控制單元在線迭代辨識(shí)得到各軸外擾的參數(shù)，并分析計(jì)算得 到各軸需補(bǔ)償?shù)母蓴_分量A Uxd A Uyd A Uzd, W及角動(dòng)量管理通道需抵消的角動(dòng)量分量A hx A hy A hz。
[0116] 詳細(xì)的設(shè)計(jì)算法如下：
[0117] Stepl:辨識(shí)總外擾參數(shù)。
[0118] 假設(shè)各軸的理論外擾總和可記為
詳見動(dòng)力 學(xué)方程），將WitDtal分解為一個(gè)新的常值分量biO加上軌道鎖軍借數(shù)相巧的諧汲分量，可得如 下形式表達(dá)
[0119] Witotai = bi〇+biisin( ? 〇t)+bi2sin(2 ? 〇t)+bi3sin(3 ? 〇t)+bi4sin(4 ? 〇t) (i = x,y, Z) O
[0120] 需要說明的是，Zi2是用于估計(jì)Witotal = biW+di。也即Witotal是各軸真實(shí)所受外擾之 和的模型表達(dá)，是無法測(cè)量獲得的，Zi2是通過設(shè)計(jì)觀測(cè)器得到的WitDtal的估計(jì)值。
[01別]概屆擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器輸出的總夕晰觀測(cè)值邸，運(yùn)用迭代算法可辨識(shí)得到bi0，bil，bi2，bi3，bi4 AAA 巧 A A /\ /s r\ /\ 相應(yīng)的估計(jì)值6,.。，的々.2,6。々.4。定義^=6,.0,;,,-=枯3邊(巧/) + 6。5的2邸)+如3;地巧,0 + 6,4 51〇(4句^ 貝 Ij 有 Zi2 = Zib+Zic。
[0122] 觀測(cè)器在線運(yùn)行時(shí)可得到t化），*化+1)，*化+2)，*化+3)，*化+4)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的氣動(dòng) 干擾力矩Zi2[Uk)] Zi2[t化+1)] Zi2[t化+2)] Zi2[t化+3)] Zi2[t化+4)]，鑒于氣動(dòng)力矩的 諧波分量是R知頻率的巿弦巧I敬紐合，反巧下而的貸法可得窗I氣動(dòng)力巧參敬的化計(jì)估。
[0123]
[0124] 隨著空間站的在軌運(yùn)行，Zi2[t 化）]Zi2[t 化+1)] Zi2[t 化+2)] Zi2[t 化+3)] Zi2[t 化+4)]隨著*化），*化+1)，*化+2)，*化+3)，*化+4)的推進(jìn)也逐漸更新。
[0125] Step2:計(jì)算補(bǔ)償?shù)母蓴_分量，W及角動(dòng)量管理通道要抵消的角動(dòng)量分量。
[01%]姿態(tài)控制通道和角動(dòng)量管理通道通過控制力矩U= [Ux Uy Uz]T禪合在一起，在控 制量中補(bǔ)償姿態(tài)通道(角速度動(dòng)力學(xué)方程中）的外擾就會(huì)在角動(dòng)量管理通道(控制力矩巧螺 動(dòng)力學(xué)方程中）引入不必要的補(bǔ)償，因此角動(dòng)量管理通道需要抵消過補(bǔ)償。
[0127]俯仰方向上氣動(dòng)力矩的常值分量會(huì)隨時(shí)間積累，如果常值分量在俯仰軸的角動(dòng)量 管理通道中被引入抵消，相當(dāng)于在角動(dòng)量管理通道中重新引入一個(gè)干擾積累項(xiàng)，因此只有 在角動(dòng)量管理通道中抵消不積累的干擾項(xiàng)(干擾的諧波分量），才不會(huì)引起角動(dòng)量的重新積 累。通過迭代計(jì)算辨識(shí)出總干擾項(xiàng)中的諧波分量系數(shù)byl，by2，by3，by4從而得到俯仰軸上的諧 波干擾總和Zy。W及對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償控制分量A Uyd = -Zy。。然后在俯仰軸的角動(dòng)量管理通道中抵 消運(yùn)些不引起角動(dòng)量積累的干擾項(xiàng)W保證控制精度和角動(dòng)量的均衡。而滾動(dòng)/偏航方向不 引起角動(dòng)量積累的部分為常值項(xiàng)，辨識(shí)出滾動(dòng)/偏航軸總干擾項(xiàng)中的常值干擾部分Zxb = bxO, Zzb = bz日并得到對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償控制量Allxd = -Zxb, A Uzd =-Zzb。最后在滾動(dòng)/偏航的角動(dòng)量 管理通道抵消運(yùn)些不引起角動(dòng)量積累的干擾項(xiàng)W保證控制精度和角動(dòng)量的均衡。即有：
[012 引
[0129] 的分量為
[0130]
[0131] (9)空間站在軌運(yùn)行時(shí)的控制力矩巧螺可實(shí)時(shí)傳輸其角動(dòng)量hx hy hz給星載計(jì)算 機(jī)。
[0132] (10)星載計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)的控制器計(jì)算得到滾動(dòng)軸、俯仰軸W及偏航軸對(duì)應(yīng)的控 制力矩Ux Uy Uz,并將其W指令形式傳送給控制力矩巧螺?？刂屏厍陕萁邮盏娇刂浦噶詈?解算輸出相應(yīng)的控制力矩，從而保證空間站的正常在軌飛行，如圖2所示。
[0133] 設(shè)計(jì)的控制器如下：
[0134]
'01 「日-
[0135] 其中Ah=[ Ahx Ahy Ahz]T，-《自為系統(tǒng)的基本控制器，-K日為在角動(dòng)量 Jt] [Ah_ -Z Sb 管理通道抵消不積累的干擾分量，-2，.。為控制器中補(bǔ)償干擾?？刂破鞯倪\(yùn)S個(gè)部分構(gòu) 之-寸_ 成一個(gè)有機(jī)整體實(shí)現(xiàn)必要的干擾抑制，從而最后實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制精度和角動(dòng)量管理的折衷。
[0136] 在后續(xù)的計(jì)算過程中，重復(fù)步驟巧)~（10)，在設(shè)計(jì)上傳的控制器參數(shù)K和設(shè)計(jì)的2 階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器下，空間站既能穩(wěn)定飛行保正設(shè)定的控制精度要求，同時(shí)維持控制力矩 巧螺的角動(dòng)量hx hy hz保持不變，實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量管理。
[0137] 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種對(duì)地定向空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 運(yùn)用基于極點(diǎn)配置的線性二次型調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)空間站無干擾情況下姿態(tài)控制和角動(dòng) 量管理的基本控制器K; (2) 在空間站三軸姿態(tài)控制通道設(shè)計(jì)一個(gè)2階的線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，并通過調(diào)試得到 三軸各觀測(cè)器的設(shè)計(jì)參數(shù)βη，，i = X，y，z，其中X為滾動(dòng)軸，y為俯仰軸，z為偏航軸； (3) 利用星敏感器實(shí)時(shí)測(cè)量得到空間站本體相對(duì)軌道的姿態(tài)角θχ θγ θζ，利用角速率陀 螺實(shí)時(shí)測(cè)量得到空間站本體相對(duì)軌道的姿態(tài)角速度4 4 4，從空間站的三軸控制力矩 陀螺實(shí)時(shí)獲取其角動(dòng)量hx hy hz; (4) 根據(jù)步驟(2)設(shè)計(jì)的線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器以及步驟(3)獲取的不同時(shí)刻的空間站姿 態(tài)信息，估計(jì)得到空間站三軸各自所受的外擾參數(shù)，并根據(jù)所述外擾參數(shù)計(jì)算得到各軸需 補(bǔ)償?shù)母蓴_分量Διω Auyd AUzd，以及角動(dòng)量管理通道需抵消的角動(dòng)量分量Ahx Ahy Δ hz； (5) 利用如下控制器計(jì)算得到空間站三軸對(duì)應(yīng)的控制力矩ux uy uz; 控制器如下：2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對(duì)地定向空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理方法，其特征 在于:所述步驟(1)中基本控制器K的設(shè)計(jì)方法如下："0 " (11) 輸入系統(tǒng)矩Κ ?入矩陣-?，獲得矩陣A的維數(shù)n，獲得矩陣B的列 ^ ~ 人 數(shù)m;其中Id3是3X3單位陣，空間站的固有慣量ω。為空間站的 軌道角速率；(12) 判斷Α是否滿足相對(duì)穩(wěn)定度其中Re(Ak(A))表示系統(tǒng) 矩陣A的各特征根的實(shí)部； 如果滿足，則給Ri ccat i方程的變量賦初值γ 〇 = 1，j = 1，Aj = A，Pq = On，Q〇 = On; 如果不滿足，則令Qo = On，R = Idm，其中0"為11階零陣，I心為111階的單位陣，求解如下的 Riccati方程得到Po;然后令γ 〇 = 1，j = 1，Aj=A- γ 〇BR-VPo,其中IdAn階的單位陣； (13) 求解如下的Riccati方程得到Qj QjBr(-Aj2) -(-Aj2) TQj = 0n ； (14) 令〇 = 0.51:抑〇6(131?-1131'(^)，1^〇6為求解矩陣的跡； 若c = 0則轉(zhuǎn)入步驟(15); 否則求解下式得到Pj PjBr1BTPj-PjA-ATPj-Qj = On 然后令8 = ，b = trace(BR-ii^PjAj)，記;κ、.Α」+ι = Aj- γ jBR-VPj，j = j+1，回到步驟(13); (15) 判靡如果滿足，則令Pj+i=〇, γ』+ι=〇; 如果不滿足，則求解如下Riccati方程得到Pj+i，然后令 γ j+i = 1，Aj+i=Aj- γ j+iBR-VPj+i; (16) 計(jì)算得到3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種對(duì)地定向空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理方法，其特 征在于:所述步驟(2)中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為：其口系數(shù)βη，β?2保證多項(xiàng)式 s2+0iis+0i2 是 Hurwitz 的，?Ζ. Α ?Ζ. γ· ·. 1 , ·Δ\ -Ζ- 1 J .Λ ι厶 yi? ，witcital為空間站三軸各自所受的外擾參數(shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種對(duì)地定向空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理方法，其特征 在于:所述步驟(4)中估計(jì)得到空間站三軸各自的外擾參數(shù)的方法為： (41) 將各軸的理論外擾總和記）本體系中空間站 三軸所受氣動(dòng)力矩為，然后將Witotal分解為如下形式表達(dá)， Wit〇tai=biQ+biisin( 〇。1：)+1^28；[11(2〇。1：)+1^38；[11(3〇。1：)+1^48；[11(4〇。1：)，1^()為常值分量，后續(xù)為軌 道頻率倍數(shù)的諧波分量，定義、=h，z,_. sin(w,/) + /v sin(2i((,.〇 + t sin(:V^./) + /，,.4sin(4印力 (42) 利用觀測(cè)器在線運(yùn)行得到t(k)，t(k+l)，t(k+2)，t(k+3)，t(k+4)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的氣動(dòng) 干擾力矩212[1:(1〇!^2[1:(1^+1)!^2[1:(1^+2)!^2[1:(1^+3)!^2[1：(1^+4)]，運(yùn)用下式得到氣動(dòng)力 矩參數(shù)的估計(jì)值，(43) 采用如下公式計(jì)算補(bǔ)償?shù)母蓴_分量，以及角動(dòng)量管理通道要抵消的角動(dòng)量分量，
【文檔編號(hào)】G05D1/08GK105955287SQ201610415487
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日
【發(fā)明人】劉萍, 孫振東
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院