本發(fā)明涉及一種帶有運(yùn)動(dòng)載荷的多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制方法，屬于衛(wèi)星姿態(tài)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、高軌高光譜衛(wèi)星在成像過(guò)程中需要保持超高的姿態(tài)穩(wěn)定度來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率的對(duì)地觀測(cè)能力，但是衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)載荷的周期性運(yùn)動(dòng)對(duì)星體平臺(tái)產(chǎn)生擾動(dòng)，加重了多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)耦合現(xiàn)象，嚴(yán)重影響多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)穩(wěn)定度與載荷的對(duì)地觀測(cè)能力；在多級(jí)控制系統(tǒng)快慢控制周期與敏感器存在時(shí)延的情況下，僅利用反饋測(cè)量的多級(jí)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)不能完全消除運(yùn)動(dòng)載荷周期性的耦合擾動(dòng)，進(jìn)一步降低了多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定度。

2、面對(duì)帶有運(yùn)動(dòng)載荷的新型多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)，以往針對(duì)傳統(tǒng)單級(jí)衛(wèi)星的姿態(tài)前饋補(bǔ)償控制方法存在以下不足：(1)帶有運(yùn)動(dòng)載荷多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)的多級(jí)耦合現(xiàn)象嚴(yán)重，僅利用反饋測(cè)量的傳統(tǒng)單級(jí)姿態(tài)控制方法不能完全消除運(yùn)動(dòng)載荷周期性的耦合擾動(dòng)，降低了多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定度；(2)多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)獨(dú)有的一、二級(jí)控制使多級(jí)控制系統(tǒng)包含兩種不同的控制周期，傳統(tǒng)的衛(wèi)星姿態(tài)補(bǔ)償控制方法不適用于具有不同控制周期的多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)；(3)工程應(yīng)用中，前饋?zhàn)藨B(tài)補(bǔ)償?shù)男Ч麌?yán)重依賴敏感器測(cè)量的真實(shí)性與角動(dòng)量補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性，時(shí)延的存在導(dǎo)致姿態(tài)測(cè)量值與實(shí)際值相差巨大，降低了前饋?zhàn)藨B(tài)補(bǔ)償控制算法的補(bǔ)償效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)多級(jí)耦合擾動(dòng)、快慢控制周期、前饋補(bǔ)償不精確與測(cè)量時(shí)延存在時(shí)的多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種帶有運(yùn)動(dòng)載荷的多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制方法，該方法計(jì)算量不大，控制邏輯清晰簡(jiǎn)潔，實(shí)用性較好。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種帶有運(yùn)動(dòng)載荷的多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制方法，包括：

3、根據(jù)帶有運(yùn)動(dòng)載荷的多級(jí)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，建立多級(jí)衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)模型；

4、根據(jù)得到的多級(jí)衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)多級(jí)衛(wèi)星上、下平臺(tái)的補(bǔ)償控制器，并對(duì)衛(wèi)星上、下平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償；

5、根據(jù)建立的多級(jí)衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)多步預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償控制器，并對(duì)星體下平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償。

6、所述多級(jí)衛(wèi)星包括星體下平臺(tái)和上平臺(tái)，則多級(jí)衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)模型包括多級(jí)衛(wèi)星上、下平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型，分別為：：

7、

8、式中，ωb分別表示下平臺(tái)角速度和角加速度，ib表示下平臺(tái)慣量矩陣，mds表示下平臺(tái)受到的干擾力矩，τb表示下平臺(tái)受到的控制力矩，mps表示上平臺(tái)對(duì)下平臺(tái)的作用力矩；ip表示上平臺(tái)的慣量，iguh,iwuh分別表示在上平臺(tái)坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)載荷的旋轉(zhuǎn)框架慣量和旋轉(zhuǎn)掃描鏡慣量，sgu,swu表示運(yùn)動(dòng)載荷的旋轉(zhuǎn)框架慣量積和旋轉(zhuǎn)掃描鏡慣量積，分別表示旋轉(zhuǎn)框架和旋轉(zhuǎn)掃描鏡的角加速度，tu表示上平臺(tái)受到的控制力矩；iσuh為旋轉(zhuǎn)框架慣量在旋轉(zhuǎn)框架坐標(biāo)系下的表示，iωuh為旋轉(zhuǎn)掃描鏡慣量在旋轉(zhuǎn)掃描鏡坐標(biāo)系下的表示；γz＝[0?0?1]t，γx＝[1?0?0]t；l表示上平臺(tái)受到的擾動(dòng)力矩。

9、所述擾動(dòng)力矩l具體表示為：

10、

11、其中ω表示旋轉(zhuǎn)掃描鏡角速度、為表示在旋轉(zhuǎn)框架坐標(biāo)系下旋轉(zhuǎn)框架慣量的導(dǎo)數(shù)、表示旋轉(zhuǎn)框架角速度、為表示在旋轉(zhuǎn)掃描鏡坐標(biāo)系下旋轉(zhuǎn)掃描鏡慣量的導(dǎo)數(shù)、ωp表示上平臺(tái)角速度、hs表示旋轉(zhuǎn)掃描附件角動(dòng)量、vp表示上平臺(tái)速度、ps表示旋轉(zhuǎn)掃描鏡動(dòng)量，為表示在上平臺(tái)坐標(biāo)系下旋轉(zhuǎn)框架慣量的導(dǎo)數(shù)，為表示在上平臺(tái)坐標(biāo)系下旋轉(zhuǎn)掃描鏡慣量的導(dǎo)數(shù)。

12、所述多級(jí)衛(wèi)星下平臺(tái)的補(bǔ)償控制器為

13、τb＝kbp1qbe+kbi1∫qbedt+kbd1δωbe+τcb

14、其中kbp1,kbi1,kbd1為下平臺(tái)姿態(tài)pid控制器的控制參數(shù)，分別表示比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)；qbe表示下平臺(tái)姿態(tài)誤差四元數(shù)，δωbe表示角速度誤差。

15、下平臺(tái)采用角動(dòng)量的方式對(duì)下平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行控制補(bǔ)償，在下平臺(tái)的控制周期t中，對(duì)于下平臺(tái)的姿態(tài)補(bǔ)償力矩τcb具體為：

16、

17、其中δhb為下平臺(tái)t周期內(nèi)的角動(dòng)量補(bǔ)償值，計(jì)算方法如下：

18、

19、其中，t表示上平臺(tái)的控制周期；f2i為第i個(gè)t周期內(nèi)上平臺(tái)受到的運(yùn)動(dòng)掃描鏡的平均干擾力矩，具體計(jì)算方式如下：

20、

21、其中符號(hào)表示變量在t周期內(nèi)的平均值。

22、所述多級(jí)衛(wèi)星上平臺(tái)的補(bǔ)償控制器為

23、τp＝kpp1qpe+kpi1∫qpedt+kpd1δωpe+f2'

24、其中kpp1,kpi1,kpd1表示上平臺(tái)姿態(tài)pid控制器的控制參數(shù)，分別表示比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)；qpe表示上平臺(tái)姿態(tài)誤差四元數(shù)，δωpe表示角速度誤差；

25、上平臺(tái)采用力補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)衛(wèi)星上平臺(tái)的擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，上平臺(tái)的姿態(tài)補(bǔ)償力矩為

26、根據(jù)建立的多級(jí)衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)多步預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償控制器，并對(duì)星體下平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償，包括：

27、根據(jù)多級(jí)衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)置采樣周期t，將多級(jí)衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)模型離散化為

28、x(k+1)＝fx(k)+g[u(k)+w(k)]

29、其中，u(k)表示離散系統(tǒng)的輸入，w(k)表示系統(tǒng)的非線性輸入；g表示輸入矩陣，f表示系統(tǒng)矩陣；

30、則多步預(yù)報(bào)觀測(cè)器如下：

31、

32、其中表示預(yù)報(bào)狀態(tài)值，k表示增益矩陣，c為觀測(cè)矩陣；

33、令多步預(yù)報(bào)誤差則多步預(yù)報(bào)誤差方程為：

34、

35、找到誤差增益矩陣k使fn+1-kc的特征根在單位圓內(nèi)，并將預(yù)報(bào)值代替下平臺(tái)的測(cè)量值qbe、δωbe，并更新星體下平臺(tái)控制器τb；

36、設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)前饋?zhàn)藨B(tài)補(bǔ)償控制器，對(duì)星體下平臺(tái)進(jìn)行姿態(tài)動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償，所述星體下平臺(tái)動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償控制器為：

37、τb＝kbp1qbe'+kbi1∫qbe'dt+kbd1δωbe'+τck

38、其中，qbe',δωbe'為多步預(yù)報(bào)觀測(cè)器預(yù)報(bào)值，τck表示星體下平臺(tái)的動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償力矩。

39、所述輸入矩陣g與系統(tǒng)矩陣f的計(jì)算方法如下：

40、g＝g1b

41、

42、其中a表示多級(jí)衛(wèi)星連續(xù)模型中的狀態(tài)矩陣，b表示輸入矩陣，i表示單位矩陣。

43、所述星體下平臺(tái)的動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償力矩τck的計(jì)算方式如下：

44、τck＝τcb+α(τpb-τcb)

45、其中τpb表示asp平臺(tái)對(duì)下平臺(tái)的反作用力，α表示動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系數(shù)增益。

46、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

47、(1)僅利用反饋測(cè)量的傳統(tǒng)單級(jí)姿態(tài)控制方法不能完全消除多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)中運(yùn)動(dòng)載荷所產(chǎn)生的周期性耦合擾動(dòng)，本發(fā)明提供的一種帶有運(yùn)動(dòng)載荷的多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制方法，結(jié)合運(yùn)動(dòng)掃描附件的精細(xì)化動(dòng)力學(xué)模型及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)擾動(dòng)的傳遞特性，對(duì)以asp平臺(tái)為基礎(chǔ)的上平臺(tái)控制系統(tǒng)和下平臺(tái)的一級(jí)控制系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)多級(jí)衛(wèi)星系統(tǒng)的姿態(tài)前饋補(bǔ)償控制器，可提高多級(jí)衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定性；

48、(2)本發(fā)明首次針對(duì)多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)特有的快慢控制周期特點(diǎn)，在下平臺(tái)控制周期內(nèi)計(jì)算下平臺(tái)受到的擾動(dòng)，并基于角動(dòng)量守恒原理設(shè)計(jì)了下平臺(tái)的姿態(tài)前饋補(bǔ)償控制器；在上平臺(tái)控制周期內(nèi)利用運(yùn)動(dòng)載荷的期望軌跡計(jì)算擾動(dòng)力矩，并基于力矩補(bǔ)償?shù)姆绞皆O(shè)計(jì)了上平臺(tái)的姿態(tài)前饋補(bǔ)償控制器。本發(fā)明設(shè)計(jì)的姿態(tài)前饋補(bǔ)償控制器在多級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)特有的快慢控制周期情況下，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)擾動(dòng)的同步、精確補(bǔ)償。

49、(3)本發(fā)明提出的多步預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制方法，通過(guò)設(shè)計(jì)多步預(yù)報(bào)觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了星體平臺(tái)姿態(tài)的實(shí)時(shí)觀測(cè)；通過(guò)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償增益，實(shí)現(xiàn)了擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)精確補(bǔ)償。解決了傳統(tǒng)衛(wèi)星前饋補(bǔ)償不精確、測(cè)量時(shí)延導(dǎo)致的姿態(tài)擾動(dòng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)衛(wèi)星擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)精確補(bǔ)償。