V型輪控且單輪掉電衛(wèi)星的三軸姿態(tài)快速穩(wěn)定控制方法與流程
v型輪控且單輪掉電衛(wèi)星的三軸姿態(tài)快速穩(wěn)定控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
1.本發(fā)明涉及一種v型輪控且單輪掉電衛(wèi)星的三軸姿態(tài)快速穩(wěn)定控制方法，解決了以往星上面臨的姿態(tài)超差轉(zhuǎn)噴氣安全模式甚或姿態(tài)失穩(wěn)等引發(fā)的載荷業(yè)務(wù)中斷問題，屬于衛(wèi)星欠配置控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2.早期geo商業(yè)通信衛(wèi)星(如東四民商星等)為降低衛(wèi)星成本、減少系統(tǒng)配置及減輕系統(tǒng)重量，在保證衛(wèi)星姿態(tài)控制指標(biāo)和輪控系統(tǒng)可靠性的前提下，使用地球敏感器測量滾動和俯仰姿態(tài)，偏航觀測器來確定姿態(tài)，使用整星偏置角動量的v型輪方式實現(xiàn)衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定控制。因系統(tǒng)硬件配置極低，導(dǎo)致該類衛(wèi)星當(dāng)發(fā)生故障問題時設(shè)計難度很大。
3.根據(jù)東四民商星實際在軌飛行表現(xiàn)，衛(wèi)星長期運行期間，由于受到空間高能粒子及復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，飛輪存在無征兆異常斷電的隱患。當(dāng)飛輪發(fā)生異常斷電故障時，因地面站無法及時恢復(fù)飛輪供電(早期設(shè)計中，星上無法自主給飛輪加電)，將造成衛(wèi)星姿態(tài)翻滾轉(zhuǎn)模式，影響通信業(yè)務(wù)，并給地面站恢復(fù)操作等帶來諸多不便。
4.對于東四民商星中的巴基斯坦-1r衛(wèi)星，由某種故障原因，該衛(wèi)星不能轉(zhuǎn)入噴氣控制方式，只能在正常模式(nm)的v(主)或l(備)型動量輪控制方式下工作。根據(jù)東四民商星原設(shè)計方法，當(dāng)衛(wèi)星在v型輪工作下出現(xiàn)某動量輪掉電問題后，三軸姿態(tài)必將發(fā)生翻滾使衛(wèi)星轉(zhuǎn)入噴氣控制的etm模式下。但巴基斯坦-1r衛(wèi)星不允許姿態(tài)發(fā)生翻滾，要求姿態(tài)必須一直維持在波動很小的正常工作模式內(nèi)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
5.本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種v型輪控且單輪掉電衛(wèi)星的三軸姿態(tài)快速穩(wěn)定控制方法，實現(xiàn)了v型飛輪發(fā)生掉電故障后，星上通過自主控制使得三軸姿態(tài)維持當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)，等待地面加電后，動量輪轉(zhuǎn)速恢復(fù)至掉電前狀態(tài)，整個過程三軸姿態(tài)保存平穩(wěn)。
6.本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
7.一種v型輪控且單輪掉電衛(wèi)星的三軸姿態(tài)快速穩(wěn)定控制方法，步驟如下：
8.(1)紅外地球敏感器測量衛(wèi)星滾動角和俯仰角；
9.(2)以v型動量輪組工作時，進(jìn)行姿態(tài)控制；
10.(3)當(dāng)v型動量輪組中任一個動量輪掉電，則在星上控制器的輸入端置滾動角輸入和滾動角速度輸入為零；
11.(4)啟動反作用輪，輪型工作狀態(tài)改為l型動量輪組；
12.(5)禁止噴氣卸載和噴氣控制；
13.(6)根據(jù)掉電輪的轉(zhuǎn)速情況，計算反作用輪輸出控制力矩；
14.(7)判斷掉電輪轉(zhuǎn)速是否為零，如果掉電輪轉(zhuǎn)速下降為0后，將滾動角輸入和滾動角速度輸入接入星上控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制，之后進(jìn)入步驟(8)；
15.(8)判斷掉電輪是否加電，如果加電，進(jìn)入步驟(9)；如果未加電，返回步驟(7)；
16.(9)將反作用輪改為轉(zhuǎn)速控制方式，反作用輪的轉(zhuǎn)速目標(biāo)為啟用時刻的轉(zhuǎn)速，且控制方式改為原v型動量輪組方式，衛(wèi)星控制器重新接入滾動角輸入和滾動角速度輸入。
17.進(jìn)一步的，衛(wèi)星上裝有紅外地球敏感器、第一動量輪、第二動量輪以及反作用輪，第一動量輪和第二動量輪工作時，構(gòu)成v型動量輪組；當(dāng)?shù)谝粍恿枯喓头醋饔幂喒ぷ鲿r，或者第二動量輪和反作用輪工作時，構(gòu)成l型動量輪組。
18.進(jìn)一步的，步驟(6)中所述掉電輪的轉(zhuǎn)速情況，具體包括如下三種情況：
19.第一動量輪掉電且轉(zhuǎn)速不等于零；
20.第二動量輪掉電且轉(zhuǎn)速不等于零；
21.掉電后第一動量輪或第二動量輪轉(zhuǎn)速為零。
22.進(jìn)一步的，當(dāng)?shù)谝粍恿枯喌綦娗肄D(zhuǎn)速不等于零時，通過如下方式計算反作用輪輸出控制力矩：
23.步驟一：確定整星偏置角動量衛(wèi)星小角度控制動力學(xué)方程為
[0024][0025][0026][0027]
其中，θ,ψ分別為滾動角、俯仰角和偏航角，分別為滾動角速度和偏航角速度，分別為滾動角加速度、俯仰角加速度和偏航角加速度，i
x
,iy,iz分別為x軸、y軸和z軸轉(zhuǎn)動慣量，h0,ω0分別為整星偏置動量和軌道角速度；t
dmw1
為第一動量輪產(chǎn)生的未知摩擦干擾力矩，β為動量輪中心軸與-y軸的夾角，和分別為第一動量輪和第二動量輪產(chǎn)生的力矩，為反作用輪產(chǎn)生的力矩；
[0028]
步驟二：若利用第二動量輪對俯仰軸進(jìn)行控制，控制力矩由俯仰軸控制器給出，使得θ
→
0，進(jìn)而有則有將該式帶入方程(1b)得到
[0029][0030]
步驟三：若使則反作用輪輸出力矩為
[0031]
同理可得，第二動量輪掉電且轉(zhuǎn)速不等于零時，反作用輪輸出力矩為
[0032]
進(jìn)一步的，當(dāng)?shù)綦姾蟮谝粍恿枯喕虻诙恿枯嗈D(zhuǎn)速為零時，通過如下方式確定反作用輪的輸出力矩：
[0033]
掉電輪轉(zhuǎn)速等于零時，則有t
dmw1
＝0，此時反作用輪和第二動量輪或者反作用輪和第一動量輪進(jìn)行l(wèi)型動量輪組控制方式，滾動軸控制器輸入接入閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，控制力矩分別由滾動軸控制器和俯仰軸控制器給出。
[0034]
進(jìn)一步的，當(dāng)?shù)綦妱恿枯喕謴?fù)加電后，反作用輪改為轉(zhuǎn)速控制，并由當(dāng)前轉(zhuǎn)速控制
到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，在此過程中不引入噴氣卸載，整個過程星體角動量未發(fā)生變化，基于角動量等價交換原理，動量輪恢復(fù)加電后，反作用輪控制到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，v型動量輪組角動量仍保持掉電前狀態(tài)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)至掉電前狀態(tài)。
[0035]
進(jìn)一步的，若掉電輪未恢復(fù)加電，則根據(jù)掉電輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行判斷。
[0036]
進(jìn)一步的，本發(fā)明還提出一種三軸姿態(tài)快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)，包括：
[0037]
滾動角和俯仰角測量模塊：紅外地球敏感器測量衛(wèi)星滾動角和俯仰角；
[0038]
動量輪組控制模塊：以v型動量輪組工作時，進(jìn)行姿態(tài)控制；當(dāng)v型動量輪組中任一個動量輪掉電，則在星上控制器的輸入端置滾動角輸入和滾動角速度輸入為零；啟動反作用輪，輪型工作狀態(tài)改為l型動量輪組；禁止噴氣卸載和噴氣控制；
[0039]
反作用輪控制力矩計算模塊：根據(jù)掉電輪的轉(zhuǎn)速情況，計算反作用輪輸出控制力矩；
[0040]
加電判斷控制模塊：判斷掉電輪轉(zhuǎn)速是否為零，如果掉電輪轉(zhuǎn)速下降為0后，將滾動角輸入和滾動角速度輸入接入星上控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制；判斷掉電輪是否加電，如果加電，將反作用輪改為轉(zhuǎn)速控制方式，反作用輪的轉(zhuǎn)速目標(biāo)為啟用時刻的轉(zhuǎn)速，且控制方式改為原v型動量輪組方式，衛(wèi)星控制器重新接入滾動角輸入和滾動角速度輸入；如果未加電，返回反作用輪控制力矩計算模塊。
[0041]
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0042]
(1)本發(fā)明創(chuàng)造性地提出了一種v型輪控且單輪掉電衛(wèi)星的三軸姿態(tài)快速穩(wěn)定控制方法，在不改變現(xiàn)有衛(wèi)星的配置條件下，將備份飛輪nr長期加電熱備份，在主份v型飛輪發(fā)生掉電故障時，星上自主控制使得三軸姿態(tài)維持當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)且在加電后姿態(tài)快速恢復(fù)至目標(biāo)姿態(tài)，動量輪轉(zhuǎn)速恢復(fù)至掉電前狀態(tài)。整個掉電及恢復(fù)上電過程衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定，保障了衛(wèi)星的業(yè)務(wù)連續(xù)，同時地面僅需要給出加電指令即可，避免了以往地面一系列恢復(fù)性操作，使用更為簡潔。
[0043]
(2)本發(fā)明所提出的一種v型輪控且單輪掉電衛(wèi)星的三軸姿態(tài)快速穩(wěn)定控制方法，屬于帶有飛輪的各類偏置動量和飛輪欠配置運行航天器控制系統(tǒng)設(shè)計范疇，設(shè)計步驟清晰，物理意義明確，易于工程實現(xiàn)。
附圖說明
[0044]
圖1為“v+l構(gòu)型”飛輪安裝示意圖；
[0045]
圖2為本發(fā)明方法流程圖；
[0046]
圖3為仿真工況1下的衛(wèi)星三軸姿態(tài)和輪子轉(zhuǎn)速曲線圖；
[0047]
圖4為仿真工況2下的衛(wèi)星三軸姿態(tài)和輪子轉(zhuǎn)速曲線圖；
[0048]
圖5為仿真工況3下的衛(wèi)星三軸姿態(tài)和輪子轉(zhuǎn)速曲線圖。
具體實施方式
[0049]
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0050]
如圖1所示，衛(wèi)星上裝有紅外地球敏感器、第一動量輪、第二動量輪以及反作用輪，第一動量輪(動量輪1)和第二動量輪(動量輪2)工作時，構(gòu)成v型動量輪組；當(dāng)?shù)谝粍恿枯喓头醋饔幂喒ぷ鲿r，或者第二動量輪和反作用輪工作時，構(gòu)成l型動量輪組。衛(wèi)星正常工作模
式是基于整星偏置動量的控制方式利用動量輪1和動量輪2進(jìn)行三軸穩(wěn)定控制，依靠紅外地球敏感器測量滾動角和俯仰角，偏航采用偏航控制器計算滾動角動量和偏航角動量，通過角動量卸載對偏航角進(jìn)行間接控制。當(dāng)兩個動量輪中有一個發(fā)生掉電問題時，一般情況是姿態(tài)發(fā)生超差或超出敏感器測量范圍而轉(zhuǎn)入噴氣控制的安全模式，會影響衛(wèi)星正常工作業(yè)務(wù)。通過本發(fā)明，將避免該問題發(fā)生，即衛(wèi)星仍能工作在正常工作模式下三軸姿態(tài)近乎平穩(wěn)。
[0051]
目前東四民星控制系統(tǒng)方案設(shè)計中，輪控有兩種方案，
[0052]
其一，v型輪控制方式；
[0053]
其二，
±
l型輪控制方式。
[0054]
若v型輪有一個輪完全失效不可使用后，可以改為+l或-l型輪控制，即
±
l型輪控是v型輪控的備份方式。當(dāng)控制系統(tǒng)需要換輪型工作方式時，可通過轉(zhuǎn)入etm或skm等噴氣控制模式下進(jìn)行輪型切換，然后轉(zhuǎn)入nm即可使用相應(yīng)的輪型控制。
[0055]
若nm下突然發(fā)生某動量輪掉電問題，通過直接從v型輪控切換+l或-l型控方式滾動角和偏航角仍會發(fā)生較大波動，具體情況見表1。在以往星上解決該問題的設(shè)計方法是通過姿態(tài)超差后轉(zhuǎn)入etm模式維持對地姿態(tài)，但出于某種原因，有些衛(wèi)星(如巴基斯坦-1r衛(wèi)星)是不允許轉(zhuǎn)入任何噴氣姿控的工作模式下，只能在nm工作且姿態(tài)不允許過大波動，不允許超過地敏的測量范圍。
[0056]
表1 v型輪掉電后直接切至l型輪情況
[0057][0058]
針對現(xiàn)有問題需求及當(dāng)前控制方案的局限性，提出了本發(fā)明的設(shè)計方法。該方法設(shè)計原理新穎，對動量輪掉電摩擦力矩可能呈現(xiàn)出的近常值或非線性動態(tài)變化特性具有強(qiáng)魯棒性，且實現(xiàn)方式簡單，適用于地面遙控加電的東四民用系列衛(wèi)星，通過星上自主控制，即可實現(xiàn)對姿態(tài)的平穩(wěn)控制、減少地面操作，提升用戶體驗。
[0059]
目前，航天器飛輪掉電故障處理方法主要缺點：
[0060]
1)掉電故障發(fā)生后，姿態(tài)波動大；
[0061]
2)衛(wèi)星現(xiàn)有配置中，敏感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的備份方式相對欠缺；
[0062]
3)故障恢復(fù)對地面依賴程度高，故障自恢復(fù)能力欠缺。
[0063]
如圖2所示，本發(fā)明提出一種v型輪控且單輪掉電衛(wèi)星的三軸姿態(tài)快速穩(wěn)定控制方法，步驟如下：
[0064]
(1)紅外地球敏感器測量衛(wèi)星滾動角和俯仰角；
[0065]
(2)以v型動量輪組工作時，進(jìn)行姿態(tài)控制；
[0066]
(3)當(dāng)v型動量輪組中任一個動量輪掉電，則在星上控制器的輸入端置滾動角輸入和滾動角速度輸入為零；
[0067]
(4)啟動反作用輪，輪型工作狀態(tài)改為l型動量輪組；
[0068]
(5)禁止噴氣卸載和噴氣控制；
[0069]
(6)根據(jù)掉電輪的轉(zhuǎn)速情況，計算反作用輪輸出控制力矩；具體包括如下三種情況：
[0070]
第一動量輪掉電且轉(zhuǎn)速不等于零；
[0071]
第二動量輪掉電且轉(zhuǎn)速不等于零；
[0072]
掉電后第一動量輪或第二動量輪轉(zhuǎn)速為零。
[0073]
具體的，
[0074]
動量輪掉電后將在摩擦力矩影響下轉(zhuǎn)速逐漸下降，由于動量輪不同，其摩擦力矩影響不同，因此，無法通過預(yù)置補(bǔ)償量的方式進(jìn)行超前補(bǔ)償。以動量輪1掉電為例，闡述設(shè)計原理。
[0075]
當(dāng)?shù)谝粍恿枯喌綦娗肄D(zhuǎn)速不等于零時，通過如下方式計算反作用輪輸出控制力矩：
[0076]
步驟一：確定整星偏置角動量衛(wèi)星小角度控制動力學(xué)方程為
[0077][0078][0079][0080]
其中，θ,ψ分別為滾動角、俯仰角和偏航角，分別為滾動角速度和偏航角速度，分別為滾動角加速度、俯仰角加速度和偏航角加速度，i
x
,iy,iz分別為x軸、y軸和z軸轉(zhuǎn)動慣量，h0,ω0分別為整星偏置動量和軌道角速度；t
dmw1
為第一動量輪產(chǎn)生的未知摩擦干擾力矩，β為動量輪中心軸與-y軸的夾角，和分別為第一動量輪和第二動量輪產(chǎn)生的力矩，為反作用輪產(chǎn)生的力矩；
[0081]
步驟二：若利用第二動量輪對俯仰軸進(jìn)行控制，控制力矩由俯仰軸控制器給出，使得θ
→
0，進(jìn)而有則有將該式帶入方程(1b)得到
[0082][0083]
步驟三：若使則反作用輪輸出力矩為
[0084]
同理可得，第二動量輪掉電且轉(zhuǎn)速不等于零時，反作用輪輸出力矩為
[0085]
當(dāng)?shù)綦姾蟮谝粍恿枯喕虻诙恿枯嗈D(zhuǎn)速為零時，通過如下方式確定反作用輪的輸出力矩：
[0086]
掉電輪轉(zhuǎn)速等于零時，則有t
dmw1
＝0，此時反作用輪和第二動量輪或者反作用輪和第一動量輪進(jìn)行l(wèi)型動量輪組控制方式，滾動軸控制器輸入接入閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，控制力矩分別由滾動軸控制器和俯仰軸控制器給出。
[0087]
(7)判斷掉電輪轉(zhuǎn)速是否為零，如果掉電輪轉(zhuǎn)速下降為0后，將滾動角輸入和滾動角速度輸入接入星上控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制，之后進(jìn)入步驟(8)；
[0088]
(8)判斷掉電輪是否加電，如果加電，進(jìn)入步驟(9)；如果未加電，返回步驟(7)；
[0089]
(9)將反作用輪改為轉(zhuǎn)速控制方式，反作用輪的轉(zhuǎn)速目標(biāo)為啟用時刻的轉(zhuǎn)速，且控制方式改為原v型動量輪組方式，衛(wèi)星控制器重新接入滾動角輸入和滾動角速度輸入。
[0090]
當(dāng)?shù)綦妱恿枯喕謴?fù)加電后，反作用輪改為轉(zhuǎn)速控制，并由當(dāng)前轉(zhuǎn)速控制到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，在此過程中不引入噴氣卸載，整個過程星體角動量未發(fā)生變化，基于角動量等價交換原理，動量輪恢復(fù)加電后，反作用輪控制到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，v型動量輪組角動量仍保持掉電前狀態(tài)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)至掉電前狀態(tài)。若掉電輪未恢復(fù)加電，則根據(jù)掉電輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行判斷。
[0091]
進(jìn)一步的，本發(fā)明還提出一種三軸姿態(tài)快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)，包括：
[0092]
滾動角和俯仰角測量模塊：紅外地球敏感器測量衛(wèi)星滾動角和俯仰角；
[0093]
動量輪組控制模塊：以v型動量輪組工作時，進(jìn)行姿態(tài)控制；當(dāng)v型動量輪組中任一個動量輪掉電，則在星上控制器的輸入端置滾動角輸入和滾動角速度輸入為零；啟動反作用輪，輪型工作狀態(tài)改為l型動量輪組；禁止噴氣卸載和噴氣控制；
[0094]
反作用輪控制力矩計算模塊：根據(jù)掉電輪的轉(zhuǎn)速情況，計算反作用輪輸出控制力矩；
[0095]
加電判斷控制模塊：判斷掉電輪轉(zhuǎn)速是否為零，如果掉電輪轉(zhuǎn)速下降為0后，將滾動角輸入和滾動角速度輸入接入星上控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制；判斷掉電輪是否加電，如果加電，將反作用輪改為轉(zhuǎn)速控制方式，反作用輪的轉(zhuǎn)速目標(biāo)為啟用時刻的轉(zhuǎn)速，且控制方式改為原v型動量輪組方式，衛(wèi)星控制器重新接入滾動角輸入和滾動角速度輸入；如果未加電，返回反作用輪控制力矩計算模塊。
[0096]
本發(fā)明在不改變現(xiàn)有衛(wèi)星的配置條件下，將備份反作用輪加電，進(jìn)行轉(zhuǎn)速保持熱備份。當(dāng)動量輪掉電時，未掉電輪采用y方向姿態(tài)控制力矩方式，對俯仰角進(jìn)行控制，反作用輪輸出力矩等于(
±
未掉電輪控制力矩)*2*sin(20/57.3)，掉電輪加電后，系統(tǒng)仍為v型輪控方式，反作用輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速保持控制到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，整個過程中禁止噴氣卸載。
[0097]
在動量輪掉電過程中，滾動角不進(jìn)行主動控制，由(正常狀態(tài)下不大于0.0002nm)引起滾動角速度在15分鐘后約0.001度/秒，若再考慮掉電時滾動角速度殘余量(一般不超過0.001度/秒)，則滾動角波動范圍不超過1度。同理，偏航角波動范圍與滾動角相當(dāng)。
[0098]
該方法是通過動態(tài)計算及快速補(bǔ)償?shù)綦娸喴鸬哪Σ亮亟档土藢θS姿態(tài)影響，其魯棒性好，三軸姿態(tài)波動小，可實現(xiàn)掉電15分鐘內(nèi)地面上注加電指令的姿控系統(tǒng)快速
自主恢復(fù)，無需地面站對姿控系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)恢復(fù)操作。本方法經(jīng)過仿真驗證，結(jié)果表明方法可行和有效。
[0099]
實施例
[0100]
以動量輪1掉電為例，按照本發(fā)明提出的控制設(shè)計方法，給出了三種情況下的仿真結(jié)果，如圖3、4、5所示。
[0101]
表2三種情況仿真情況
[0102][0103][0104]
結(jié)論：本方法適用于動量輪掉電摩擦力矩可能呈現(xiàn)的近常值或非線性動態(tài)變化特性，具有強(qiáng)魯棒性，在整個掉電、加電及星上自主恢復(fù)過程中，三軸姿態(tài)角平穩(wěn)。
[0105]
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
