一種省工質(zhì)的磁控與噴氣控制聯(lián)合的高精度姿態(tài)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種省工質(zhì)的磁控與噴氣控制聯(lián)合的高精度姿態(tài)控制方法，步驟為(1)根據(jù)三軸姿態(tài)誤差和角速度誤差，利用PID控制律計(jì)算期望控制力矩；(2)根據(jù)地磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系三軸坐標(biāo)分量的實(shí)時(shí)分布確定哪些軸姿態(tài)實(shí)施磁控、哪些軸姿態(tài)實(shí)施噴氣控制；(3)利用小擾動(dòng)磁矩分配算法計(jì)算三軸磁矩，以充分滿足磁控軸期望控制力矩，同時(shí)減小磁控所產(chǎn)生的干擾力矩；(4)利用噴氣相平面算法計(jì)算噴氣控制軸的噴氣脈寬。本發(fā)明的姿態(tài)控制精度高，工質(zhì)消耗低，計(jì)算簡(jiǎn)單，工程實(shí)現(xiàn)容易。
【專利說(shuō)明】
一種省工質(zhì)的磁控與噴氣控制聯(lián)合的高精度姿態(tài)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種省工質(zhì)的磁控與噴氣控制聯(lián)合的高精度姿態(tài)控制方法，適用于所 有采用磁控與噴氣控制聯(lián)合實(shí)現(xiàn)高精度三軸姿態(tài)穩(wěn)定的航天器，例如重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星及高 寧?kù)o度的科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星等。該方法還可應(yīng)用于其它所有有動(dòng)量輪或CMG配合的需要磁控的 航天器或航天器特定工作模式。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)重力測(cè)量衛(wèi)星而言，加速度計(jì)的任務(wù)是測(cè)量非保守力對(duì)星體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的影響。 其特點(diǎn)是，靈敏度很高，對(duì)任務(wù)中所受的高頻和低頻振動(dòng)、擾動(dòng)的幅值、頻率等有嚴(yán)格的要 求。基于這一要求，衛(wèi)星控制分系統(tǒng)需要盡可能減小對(duì)星體質(zhì)心加速度的擾動(dòng)，要確保由姿 態(tài)測(cè)量與控制造成的星體質(zhì)心加速度不影響加速度計(jì)或重力梯度儀的工作。因此，控制分 系統(tǒng)需要從減小振動(dòng)和擾動(dòng)的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)：即，不使用諸如帶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的敏感器和 執(zhí)行機(jī)構(gòu)等會(huì)嚴(yán)重影響平臺(tái)有效載荷工作的部件，如常見(jiàn)的動(dòng)量輪、太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及 掃描式地球敏感器等，僅使用磁力矩器和噴氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)甚高的姿態(tài)控制精度指標(biāo)要 求，推進(jìn)工質(zhì)不能為液態(tài)，噴氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)參與控制的時(shí)間盡可能少。
[0003] 為了滿足有效載荷一一高精度加速度計(jì)正常工作的需要，重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星不能配 置有可動(dòng)部件的敏感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此其姿態(tài)控制系統(tǒng)普遍采用磁控與噴氣控制聯(lián)合的 方案，通過(guò)噴氣控制保證姿態(tài)控制精度，通過(guò)磁控節(jié)省推進(jìn)工質(zhì)。國(guó)際上CHAMP、GRACE及 G0CE等三代重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星均采用這種控制方案，但具體的控制算法未見(jiàn)文獻(xiàn)公開(kāi)報(bào)道。 為此，在開(kāi)展我國(guó)某重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及地面演示驗(yàn)證階段，課題組把握磁控 這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，先后嘗試過(guò)基于傳統(tǒng)磁矩分配的PID磁控方法、基于Hm理論的磁控方法及 基于凸多面體理論的磁控方法等多種控制算法，但結(jié)果均不夠理想，推進(jìn)工質(zhì)消耗量遠(yuǎn)大 于國(guó)外同類衛(wèi)星GRACE的水平。后來(lái)，本專利申報(bào)人查閱到文獻(xiàn)"基于純磁控的皮衛(wèi)星姿態(tài) 恢復(fù)，浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版），2013，47(5):843-852"，借鑒其衛(wèi)星偏航姿態(tài)不控、基于控 制律通過(guò)磁矩分配實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)與俯仰姿態(tài)較高精度控制的思想，根據(jù)一個(gè)軌道周期內(nèi)地磁感 應(yīng)強(qiáng)度在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系內(nèi)變化情況，提出在三軸之間動(dòng)態(tài)地、巧妙地分配噴氣控制與磁 控、并充分挖掘磁矩分配潛力的思想，形成一種省工質(zhì)的磁控與噴氣控制聯(lián)合的高精度姿 態(tài)控制方法，在三軸姿態(tài)控制精度完全滿足指標(biāo)要求的前提下，使推進(jìn)工質(zhì)消耗優(yōu)于GRACE 衛(wèi)星的水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種省工質(zhì)的磁控與 噴氣控制聯(lián)合的高精度姿態(tài)控制方法，該方法能夠獲得高的姿態(tài)控制精度，同時(shí)工質(zhì)消耗 低，計(jì)算簡(jiǎn)單，工程實(shí)現(xiàn)容易。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種省工質(zhì)的磁控與噴氣控制聯(lián)合的高精度姿態(tài)控制 方法，其特點(diǎn)在于步驟如下：
[0006] (1)根據(jù)三軸姿態(tài)誤差和角速度誤差，利用PID控制律計(jì)算得到三軸期望控制力 矩，作為后面磁控計(jì)算的依據(jù)；
[0007] (2)磁控軸/噴氣控制軸分配邏輯:根據(jù)地磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系三軸 坐標(biāo)分量的實(shí)時(shí)分布確定哪些軸姿態(tài)實(shí)施磁控計(jì)算、哪些軸姿態(tài)實(shí)施噴氣控制計(jì)算，分別 稱之為磁控軸、噴氣控制軸；
[0008] (3)針對(duì)步驟(2)中確定的磁控軸，根據(jù)步驟（1)中給出的相應(yīng)軸方向期望控制力 矩，和地磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量信息，利用小擾動(dòng)磁矩分配算法計(jì)算得到三軸磁矩結(jié)果，以充分滿 足磁控軸期望控制力矩，同時(shí)減小磁控所產(chǎn)生的干擾力矩，該三軸磁矩計(jì)算結(jié)果作為輸出；
[0009] (4)針對(duì)步驟(2)中確定的噴氣控制軸，利用噴氣相平面算法計(jì)算得到噴氣控制軸 的噴氣脈寬結(jié)果，該噴氣脈寬計(jì)算結(jié)果作為輸出。
[0010] 所述步驟(1)中利用PID控制律計(jì)算三軸期望控制力矩如下：
[0011] 設(shè)沿本體坐標(biāo)系三軸，依次為滾動(dòng)、俯仰、偏航軸的姿態(tài)誤差為[φ。θ。Φ。]，角速 度誤差為i *三軸的PID系數(shù)分別為比例系數(shù)Kpx，KPy，K pz，微分系數(shù)Kdx，Kdy，Kdz， 積分系數(shù)1(1\，^，1(12，則三軸的期望控制力矩如下計(jì)算：
[0012] 7:, 十
[0013] T:，KpA +Kj，K".[fidt Λ
[0014] Tt: = Κ + K+ Ki:\yLdt
[0015] 所述步驟(2)的磁控軸/噴氣控制軸分配邏輯，是根據(jù)衛(wèi)星所處的軌道磁場(chǎng)分布情 況，確定在軌道不同位置時(shí)哪些軸為磁控軸，哪些軸為噴氣控制軸。具體分配邏輯如下：
[0016] 設(shè)沿本體坐標(biāo)系三軸，依次為滾動(dòng)、俯仰、偏航軸的地磁感應(yīng)強(qiáng)度為[Bx By Bz]，當(dāng) 前若I Bx I > I Bz I，則設(shè)置Y軸即俯仰軸，Z軸即偏航軸為磁控軸，X軸即滾動(dòng)軸為噴氣控制軸;否 則設(shè)置X軸和Y軸為磁控軸，Z軸為噴氣控制軸。
[0017] 所述步驟(3)中的小擾動(dòng)磁矩分配算法，是利用三軸磁矩，以減小磁矩帶來(lái)的擾動(dòng) 力矩為優(yōu)先考慮的分配算法，具體分配算法如下：
[0018] (31)根據(jù)當(dāng)前若Y軸即俯仰軸和Z軸即偏航軸為磁控軸，則：
[0019] 首先計(jì)算兩個(gè)備選磁矩值Mxl = -Tcy/Bz，Mx2 = Tcz/By，其中Tcy、1^分別為俯仰軸、偏 航軸期望控制力矩值，By、Bz分別為地磁感應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系俯仰軸、偏航軸的分量值，若 1\1與1^2同號(hào)，則滾動(dòng)軸磁矩1\計(jì)算公式為:1^ = 8811(1^1)111；[11%1爲(wèi)2);否則令1\ = 0;
[0020] 然后計(jì)算偏航軸磁矩Mz= (Tcy+MxBz)/Bx，俯仰軸磁矩M y= (MxBy-Tcz)/Bx，其中Bx為 地磁感應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系滾動(dòng)軸的分量值。
[0021 ] (32)根據(jù)當(dāng)前若X軸，即滾動(dòng)軸和Y軸，即俯仰軸為磁控軸，則：
[0022] 首先計(jì)算兩個(gè)備選磁矩值Mzl = _WBy，Mz2 = Tcy/Bx，其中Tcx、Tcy分別為滾動(dòng)軸、俯 仰軸期望控制力矩值，BX、By分別為地磁感應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系滾動(dòng)軸、俯仰軸的分量值，若 121與隊(duì)2同號(hào)，則偏航軸磁矩隊(duì)計(jì)算公式為沁=8811(121)111；[11(1 21具2);否則令隊(duì)=0;
[0023] 然后計(jì)算俯仰軸磁矩My=(Tcx+MzB y)/Bz，滾動(dòng)軸磁矩Mx=(MzBx-T cy)/Bz，其中Bz為 地磁感應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系偏航軸的分量值；
[0024] (33)磁矩限幅
[0025] 設(shè)磁力矩器的最大磁矩Mmax，對(duì)以上計(jì)算結(jié)果Mx，M y，Mz進(jìn)行限幅處理Mx = mlf(Mx， Mmax)，My = mlf(My，Mmax)，Mz=mlf(Mz，Mmax)。
[0026] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0027] (1)磁控與噴氣聯(lián)合控制，既充分利用磁控能力節(jié)省噴氣工質(zhì)，又避免了磁控姿態(tài) 控制精度不高的缺點(diǎn)。
[0028] (2)根據(jù)地磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的分量特點(diǎn)確定磁控軸/噴氣控制 軸分配，使磁控力矩作用于效率最高的方向，能夠充分發(fā)揮磁控能力，同時(shí)避免磁控力矩對(duì) 其他軸產(chǎn)生較大干擾。
[0029] (3)小擾動(dòng)磁矩分配算法綜合考慮期望力矩與地磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布，充分挖掘 三軸磁矩潛力，在充分滿足磁控軸期望力矩要求的前提下，盡量減少磁控對(duì)其他軸的干擾 力矩。
[0030]總之，本發(fā)明已在某重力測(cè)量衛(wèi)星演示驗(yàn)證項(xiàng)目中通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，方法可行，工程 技術(shù)易實(shí)現(xiàn)，因此具有實(shí)用性。
【附圖說(shuō)明】
[0031 ]圖1為本發(fā)明磁控與噴氣控制聯(lián)合高精度姿態(tài)控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】 [0032] 實(shí)施例1:
[0033]以一種軌道傾角在90度附近的低軌衛(wèi)星為例，如圖1所示，本發(fā)明的具體步驟如 下：
[0034] (1)根據(jù)三軸姿態(tài)誤差和角速度誤差，利用PID控制律計(jì)算期望控制力矩;設(shè)沿本 體坐標(biāo)系三軸(依次為滾動(dòng)、俯仰、偏航軸，以下皆同）的姿態(tài)誤差為[φ。Θ。1^。]，角速度誤 差為[4 4屺]，三軸的PID系數(shù)分別為比例系數(shù)Kpx，KPy，Kpz，微分系數(shù)Kd x，Kdy，Kdz4%、 系數(shù)Klx，Kly，Klz，則三軸的期望控制力矩如下計(jì)算：
[0035] T^K^+Kj^K^Jdt
[0036] Tcf = Kpiet+Kji+K^Oidt e
[0037] Tcs = Κ,, Ψι + Κ, ψ, + Κ： (//, dt
[0038] (2)根據(jù)地磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系三軸坐標(biāo)分量的大小確定哪些軸姿 態(tài)實(shí)施磁控、哪些軸姿態(tài)實(shí)施噴氣控制;磁控軸/噴氣控制軸分配邏輯如下：
[0039]設(shè)沿本體坐標(biāo)系三軸（依次為滾動(dòng)、俯仰、偏航軸）的地磁感應(yīng)強(qiáng)度為[Bx By Βζ]， 當(dāng)前若I Bx I > I Bz I，則設(shè)置Υ軸（即俯仰軸)和Ζ軸（即偏航軸)為磁控軸，X軸（即滾動(dòng)軸)為噴氣 控制軸;否則設(shè)置X軸和Υ軸為磁控軸，Ζ軸為噴氣控制軸。
[0040] (3)利用小擾動(dòng)磁矩分配算法計(jì)算三軸磁矩，以充分滿足磁控軸期望控制力矩，同 時(shí)減小磁控所產(chǎn)生的干擾力矩;小擾動(dòng)磁矩分配算法如下：
[0041] a.若Υ軸和Ζ軸為磁控軸，則：
[0042] 首先計(jì)算兩個(gè)備選磁矩值Mxl = _WBz，Mx2 = WBy，其中1^、1^分別為步驟（1)中 計(jì)算的俯仰軸、偏航軸期望控制力矩值，By、Bz分別為地磁感應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系俯仰軸、偏 航軸的分量值，若Mxi與MX2同號(hào)，則滾動(dòng)軸磁矩Mx計(jì)算公式為:Mx = s gn (MX1) m i n (MX1，MX2);否 則令Mx=0;
[0043] 然后計(jì)算偏航軸磁矩Mz= (Tcy+MxBz)/Bx，俯仰軸磁矩M y= (MxBy-Tcz)/Bx，其中Bx為 地磁感應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系滾動(dòng)軸的分量值。
[0044] b.若X軸和Y軸為磁控軸，則：
[0045] 首先計(jì)算兩個(gè)備選磁矩值隊(duì)1 = -1^/^具2 = 1^/%〇其中1^、1^分別為步驟（1)中 計(jì)算的滾動(dòng)軸、俯仰軸期望控制力矩值，Bx、By分別為地磁感應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系滾動(dòng)軸、俯 仰軸的分量值，若M zl與Mz2同號(hào)，則偏航軸磁矩Mz計(jì)算公式為Mz = sgn(Mzl)min(Mzl，Mz2);否則 令 Mz = 0;
[0046] 然后計(jì)算俯仰軸磁矩My=(Tcx+MzB y)/Bz，滾動(dòng)軸磁矩Mx=(MzBx-T cy)/Bz，其中Bz為 地磁感應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系偏航軸的分量值。
[0047] c.磁矩限幅：
[0048] 設(shè)磁力矩器的最大磁矩Mmax，對(duì)以上計(jì)算結(jié)果Mx，My，Mz進(jìn)行限幅處理M x = mlf(Mx， Mmax)，My = mlf(My，Mmax)，Mz=mlf(Mz，Mmax)。
[0049] (4)利用噴氣相平面算法計(jì)算噴氣控制軸的噴氣脈寬，算法設(shè)計(jì)參考屠善澄院士 主編的《衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制》(宇航出版社，2001)第442頁(yè)；
[0050] (5)在衛(wèi)星整個(gè)工作過(guò)程中，重復(fù)進(jìn)行圖1所示的磁控與噴氣控制聯(lián)合姿態(tài)控制流 程，從而實(shí)現(xiàn)省工質(zhì)且高精度的姿態(tài)控制，保證衛(wèi)星安全有效地完成科學(xué)探測(cè)任務(wù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種省工質(zhì)的磁控與噴氣控制聯(lián)合的高精度姿態(tài)控制方法，其特征在于包括W下步 驟： (1) 根據(jù)Ξ軸姿態(tài)誤差和角速度誤差，利用PID控制律計(jì)算得到Ξ軸期望控制力矩，作 為后面磁控計(jì)算的依據(jù)； (2) 磁控軸/噴氣控制軸分配邏輯:根據(jù)地磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Ξ軸坐標(biāo) 分量的實(shí)時(shí)分布確定哪些軸姿態(tài)實(shí)施磁控計(jì)算、哪些軸姿態(tài)實(shí)施噴氣控制計(jì)算，分別稱之 為磁控軸、噴氣控制軸； (3) 針對(duì)步驟(2)中確定的磁控軸，根據(jù)步驟（1)中給出的相應(yīng)軸方向期望控制力矩，和 地磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量信息，利用小擾動(dòng)磁矩分配算法計(jì)算得到Ξ軸磁矩結(jié)果，W充分滿足磁 控軸期望控制力矩，同時(shí)減小磁控所產(chǎn)生的干擾力矩，該Ξ軸磁矩計(jì)算結(jié)果作為輸出； (4) 針對(duì)步驟(2)中確定的噴氣控制軸，利用噴氣相平面算法計(jì)算得到噴氣控制軸的噴 氣脈寬結(jié)果，該噴氣脈寬計(jì)算結(jié)果作為輸出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的省工質(zhì)的磁控與噴氣控制聯(lián)合的高精度姿態(tài)控制方法，其特 征在于:所述步驟(1)中利用PID控制律計(jì)算Ξ軸期望控制力矩如下： 設(shè)沿本體坐標(biāo)系立軸，依次為滾動(dòng)、俯仰、偏航軸的姿態(tài)誤差為[Φ。Θ。恥]，角速度誤 差為[4馬捉]百軸的PID系數(shù)分別為比例系數(shù)Kpx，Kpy，Kpz，微分系數(shù)Kdx，Kdy，Kdz，積分 系數(shù)Klx，Kly，Klz，則Ξ軸的期望控制力矩如下計(jì)算：3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的省工質(zhì)的磁控與噴氣控制聯(lián)合的高精度姿態(tài)控制方法，其特 征在于:所述步驟(2)的磁控軸/噴氣控制軸分配邏輯，是根據(jù)衛(wèi)星所處的軌道磁場(chǎng)分布情 況，確定在軌道不同位置時(shí)哪些軸為磁控軸，哪些軸為噴氣控制軸，具體分配邏輯如下： 設(shè)沿本體坐標(biāo)系Ξ軸，依次為滾動(dòng)、俯仰、偏航軸的地磁感應(yīng)強(qiáng)度為[Bx By Bz]，當(dāng)前若 I Bx I〉I Bz I，則設(shè)置Υ軸即俯仰軸，Z軸即偏航軸為磁控軸，X軸即滾動(dòng)軸為噴氣控制軸;否則設(shè) 置X軸和Y軸為磁控軸，Z軸為噴氣控制軸。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的省工質(zhì)的磁控與噴氣控制聯(lián)合的高精度姿態(tài)控制方法，其特 征在于:所述步驟(3)中的小擾動(dòng)磁矩分配算法，是利用Ξ軸磁矩，W減小磁矩帶來(lái)的擾動(dòng) 力矩為優(yōu)先考慮的分配算法，具體分配算法如下： (31) 根據(jù)當(dāng)前若Y軸即俯仰軸和Z軸即偏航軸為磁控軸，則： 首先計(jì)算兩個(gè)備選磁矩值啦1 = -1'巧/83其2 = 1'^/^，其中1'巧、心分別為俯仰軸、偏航軸 期望控制力矩值，By、Bz分別為地磁感應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系俯仰軸、偏航軸的分量值，若Mxl 與沁2同號(hào)，則滾動(dòng)軸磁矩沁計(jì)算公式為:11=3旨11(111)111；[]1(111,]/[。）；否則令沁=0; 然后計(jì)算偏航軸磁矩Mz = (Tcy+MxBz) /Bx，俯仰軸磁矩My = (MxBy-Tcz) /Bx，其中Bx為地磁感 應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系滾動(dòng)軸的分量值； (32) 根據(jù)當(dāng)前若X軸，即滾動(dòng)軸和Y軸，即俯仰軸為磁控軸，則： 首先計(jì)算兩個(gè)備選磁矩值Mzl = -Tcx/By，Mz2 = Tcy/Bx，其中Tex、Tcy分別為滾動(dòng)軸、俯仰軸 期望控制力矩值，Bx、By分別為地磁感應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系滾動(dòng)軸、俯仰軸的分量值，若Mzl 與12洞號(hào)，則偏航軸磁矩12計(jì)算公式為12 = 8旨]1(121)111；[]1(121，]^22);否則令12 = 0; 然后計(jì)算俯仰軸磁矩My=(Tcx+MzBy)/Bz，滾動(dòng)軸磁矩Mx=(MzBx-Tcy)/Bz，其中Bz為地磁感 應(yīng)強(qiáng)度在本體坐標(biāo)系偏航軸的分量值； (33)磁矩限幅 設(shè)磁力矩器的最大磁矩Mmax，對(duì)W上計(jì)算結(jié)果Mx , My , Mz進(jìn)行限幅處理Mx = m 1 f ( Mx , Mmax )， My = mlf (My,Mmax)，Mz=mlf (Mz,Mmax)。
【文檔編號(hào)】B64G1/10GK106081167SQ201610676473
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月16日 公開(kāi)號(hào)201610676473.2, CN 106081167 A, CN 106081167A, CN 201610676473, CN-A-106081167, CN106081167 A, CN106081167A, CN201610676473, CN201610676473.2
【發(fā)明人】劉其睿, 茍興宇, 涂俊峰, 談樹(shù)萍
【申請(qǐng)人】北京控制工程研究所