一種使用動量輪與磁力矩器聯合的速率阻尼方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用動量輪與磁力矩器聯合的速率阻尼方法，根據陀螺測量的角速度和動量輪當前的角動量，計算衛(wèi)星總角動量HT；當角動量較小時使用三軸動量輪進行快速阻尼；當角動量超出動量輪的角動量吸收能力時，使用三軸磁力矩器進行速率阻尼。在磁阻尼過程中，一旦衛(wèi)星角動量減小到一定范圍，則切換為使用動量輪阻尼。本發(fā)明結合動量輪和磁力矩器兩種速率阻尼的特點，在兩者之間實現合理的切換，減少速率阻尼所需的時間。
【專利說明】一種使用動量輪與磁力矩器聯合的速率阻尼方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用動量輪與磁力矩器聯合的速率阻尼方法，可以在不使用推進系統(tǒng)的情況下，充分發(fā)揮動量輪阻尼速度快的特點，減少衛(wèi)星速率阻尼的時間。

【背景技術】
[0002]當在軌運行的衛(wèi)星發(fā)生故障導致姿態(tài)翻滾時，需要消除姿態(tài)角速度，即速率阻尼。一般衛(wèi)星都裝有推進系統(tǒng)，使用推力器噴氣產生的力矩可以實現速率阻尼。
[0003]微小衛(wèi)星為了減小重量而不配置推力器等推進系統(tǒng)，一般使用磁力矩器產生力矩進行速率阻尼，稱為磁阻尼。然而磁力矩器產生的力矩很小，磁阻尼的時間一般非常長，往往需要幾個小時以上。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供了一種使用動量輪與磁力矩器聯合的速率阻尼方法，可以在不使用推進系統(tǒng)的情況下，能夠減少速率阻尼所需的時間。
[0005]本發(fā)明包括如下技術方案:
[0006]一種使用動量輪與磁力矩器聯合的速率阻尼方法，所述動量輪為三軸動量輪，磁力矩器為三軸磁力矩器，每個控制周期的速率阻尼方法步驟如下:
[0007](I)根據陀螺測量的角速度和動量輪當前的角動量，計算衛(wèi)星總角動量Ht ；
[0008](2)判斷衛(wèi)星總角動量Ht大??；
[0009]當所述衛(wèi)星總角動量Ht大于設定值H3小于設定值H2時，轉入步驟(3);當衛(wèi)星總角動量Ht大于設定值H1時，轉入步驟(4);當衛(wèi)星總角動量％小于等于設定值比時，轉入步驟(5);當H2 <HT SH1時，判斷上一周期的速率阻尼方式，當上一周期為動量輪速率阻尼時，轉入步驟(3)，當上一周期為磁力矩器阻尼時，轉入步驟(4) ；H3<H2<H1 ；
[0010](3)根據陀螺測量的角速度進行動量輪速率阻尼；然后本控制周期結束，等待進入下一控制周期；
[0011](4)根據陀螺測量的角速度進行磁力矩器速率阻尼，同時動量輪維持標稱角動量；然后本控制周期結束，等待進入下一控制周期；
[0012](5)結束速率阻尼。
[0013]進行動量輪速率阻尼的方法如下:
[0014]根據陀螺測量的角速度? = [4 r% 4計算需要動量輪產生的星體三軸控制力矩!；、1；和Tz，計算公式為:
TrI\?γ
[0015]Ty = ^Kd ■ my，
Τ,?ζ
[0016]其中Kd為增益系數，為3X3對角線矩陣；
[0017]根據需要動量輪產生的星體三軸控制力矩，分別向三軸動量輪發(fā)送控制指令。
[0018]動量輪速率阻尼的方法如下:


K
[0019]根據陀螺測量的角速度.& = [!% Ar用公式Μ =計算三軸磁力矩器所需產生的磁矩Μ，其中B為磁場強度矢量在衛(wèi)星本體系的三軸分量，?表示兩個矢量叉乘，Km為增益系數；根據三軸磁力矩器所需產生的磁矩M向三軸磁力矩器施加控制電壓。
[0020]本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于:
[0021]本發(fā)明當角動量較小時使用三軸動量輪進行快速阻尼；當角動量超出動量輪的角動量吸收能力時，使用三軸磁力矩器進行速率阻尼。在磁阻尼過程中，一旦衛(wèi)星角動量減小到一定范圍，則切換為使用動量輪阻尼。本發(fā)明結合動量輪和磁力矩器兩種速率阻尼的特點，在兩者之間實現合理的切換，減少速率阻尼所需的時間。

【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)控制計算機、動量輪、磁力矩器以及陀螺。陀螺可以測量衛(wèi)星的角速度。姿態(tài)控制計算機采集陀螺測量的角速度。
[0025]姿態(tài)控制計算機的速率阻尼控制為閉環(huán)控制。每個控制周期內，姿態(tài)控制計算機首先采集陀螺測量的角速度和動量輪當前角動量，計算出當前星體的總角動量。然后，對總角動量的大小進行判斷，當總角動量較小時，使用動量輪進行速率阻尼，計算所需的控制力矩；當總角動量較大時，使用磁力矩器進行速率阻尼計算所需的磁矩，同時動量輪進行標稱轉速保持控制。最后姿態(tài)控制計算機根據計算的控制力矩和磁矩分別向磁力矩器和動量輪發(fā)送指令。閉環(huán)控制過程中，隨著衛(wèi)星角動量的變化，會在磁力矩器速率阻尼和動量輪速率阻尼之間切換，直到衛(wèi)星的總角動量接近零。
[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)使用陀螺測量衛(wèi)星三個軸的姿態(tài)角速度? = [?Λ.Sy再根據動量輪當前的角動量[Hx Hy Hz HJT，使用如下的公式計算衛(wèi)星角動量Ht:
7/λΓ] Γ//,1 Γ?；
[0028]II ν! = Hv +?/" ?ν

[y/J
[0029]Ht =^H2xl.+H;+Η%
[0030]其中Jci為星體的轉動慣量矩陣。Hx，Hy, Hz分別是沿衛(wèi)星三個慣量主軸安裝的動量輪的角動量。最后得到的Ht為星體和動量輪整體的總角動量大小。
[0031](2)根據Ht的大小判斷是使用動量輪進行速率阻尼還是使用磁力矩器進行速率阻尼。
[0032]當Ht大于設定值H1時，使用磁力矩器進行速率阻尼；當大于設定值H3小于設定值H2時，使用動量輪進行速率阻尼。
[0033]H2的取值設置應比動量輪的最大角動量略小,保證動量輪能夠吸收所有的角動量。為了避免速率阻尼在兩種方式之間頻繁切換，考慮測量誤差后，H1的取值略大于H2。例如，動量輪最大角動量為0.5Nms，則可設置H1 = 0.4，H2 = 0.3。
[0034]當總角動量Ht處于H2和H1之間時，維持之前的速率阻尼狀態(tài)。如果之前為動量輪速率阻尼，則繼續(xù)進行動量輪速率阻尼；如果之前是磁力矩器阻尼，則繼續(xù)進行磁力矩器速率阻尼。當剛開始速率阻尼時，默認當前的速率阻尼狀態(tài)為動量輪速率阻尼。
[0035]a.磁力矩器速率阻尼
[0036]根據當前地球磁場在衛(wèi)星本體系的三軸分量和衛(wèi)星的角速度計算三軸磁力矩器所需產生的磁矩:
[0037]Μ = -^.(ΒΦω)
I碑
[0038]其中B為磁場強度矢量在衛(wèi)星本體系的三軸分量，可以利用磁場模型計算得到，也可使用磁強計測量得到?！繁硎緝蓚€矢量叉乘。Km為增益系數。增益系數Km的典型值取15，可以根據磁力矩器的大小、衛(wèi)星軌道所處的地球磁場強度的具體值進行選取。姿態(tài)控制計算機根據所需的三軸磁矩，對三軸磁力矩器施加一定的電壓，使其產生磁矩。
[0039]磁力矩器速率阻尼的同時，動量輪需要維持標稱角動量。維持標稱角動量的控制算法如下:
[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分別是需要動量輪產生的星體三軸控制力矩。
[0050]其中Hxtl, Hy0, Hz0為三個動量輪的標稱角動量，一般均設置為O。IlxJlyJi為三軸角動量積分值，為上一周期三軸角動量積分值，積分值初始值均為O。Ihx, Ihy和
Ihz為限幅后的三軸角動量積分值；KPH為比例項控制參數，Kih為積分控制參數，Ifflax為積分限幅值，這三個參數取值可根據動量輪的具體參數進行選取，典型值為Kph = 0.05, Kih =0.0025。Δ t為控制周期。mlf (a, b)函數為限幅函數，當a彡b時，返回值為b ;當a < _b時，返回值為_b ;當_b〈a〈b時，返回值為a。
[0051]b.動量輪速率阻尼
[0052]根據星體的角速度計算需要動量輪產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，為3X3對角線矩陣，可根據動量輪的力矩大小等參數進行設計。
[0055]姿態(tài)控制計算機根據所需的三軸力矩，分別向動量輪發(fā)送控制指令，使其產生所需要的力矩。
[0056](3)姿態(tài)控制計算機每個控制周期重復上述步驟(I)和步驟(2)。若速率阻尼初始時，角動量Ht較小，則會使用動量輪進行阻尼，如果在阻尼過程中由于衛(wèi)星受到干擾的作用，角動量Ht增大了，在步驟(2)中會自動轉為磁力矩器速率阻尼。
[0057]若速率阻尼初始時，角動量Ht較大，則會使用磁力矩器進行阻尼，在阻尼過程中，角動量Ht不斷減小，當小于H2時，在步驟(2)中會自動轉為動量輪速率阻尼。速率阻尼一直持續(xù)到Ht小于Η3(設置為很小的角動量，如0.0lNms)時，就完成了整個速率阻尼過程。
[0058]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種使用動量輪與磁力矩器聯合的速率阻尼方法，所述動量輪為三軸動量輪，磁力矩器為三軸磁力矩器，其特征在于，每個控制周期的速率阻尼方法步驟如下: (1)根據陀螺測量的角速度和動量輪當前的角動量，計算衛(wèi)星總角動量Ht； (2)判斷衛(wèi)星總角動量Ht大小； 當所述衛(wèi)星總角動量Ht大于設定值H3小于設定值H2時，轉入步驟(3);當衛(wèi)星總角動量Ht大于設定值H1時，轉入步驟(4);當衛(wèi)星總角動量Ht小于等于設定值H3時，轉入步驟(5);當H2 < Ht < H1時，判斷上一周期的速率阻尼方式，當上一周期為動量輪速率阻尼時，轉入步驟(3)，當上一周期為磁力矩器阻尼時，轉入步驟(4) ；H3<H2<H1 ； (3)根據陀螺測量的角速度進行動量輪速率阻尼；然后本控制周期結束，等待進入下一控制周期； (4)根據陀螺測量的角速度進行磁力矩器速率阻尼，同時動量輪維持標稱角動量；然后本控制周期結束，等待進入下一控制周期； (5)結束速率阻尼。
2.根據權利要求1所述的一種使用動量輪與磁力矩器聯合的速率阻尼方法，其特征在于，進行動量輪速率阻尼的方法如下: 根據陀螺測量的角速度A = Wr 4T計算需要動量輪產生的星體三軸控制力矩Tx、Ty和Tz，計算公式為: Tx?χ
Tv = -Κυ ■ ?γ， Γ:」 [4 其中Kd為增益系數，為3X3對角線矩陣； 根據需要動量輪產生的星體三軸控制力矩，分別向三軸動量輪發(fā)送控制指令。
3.根據權利要求1所述的一種使用動量輪與磁力矩器聯合的速率阻尼方法，其特征在于，動量輪速率阻尼的方法如下:


K 根據陀螺測量的角速度0=[0 ? Α 了利用公式M=—十算三軸磁力矩器所需產生的磁矩Μ，其中B為磁場強度矢量在衛(wèi)星本體系的三軸分量表示兩個矢量叉乘，Km為增益系數；根據三軸磁力矩器所需產生的磁矩M向三軸磁力矩器施加控制電壓。
【文檔編號】B64G1/24GK104176275SQ201410339276
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權日: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 申請人:北京控制工程研究所