一种航天器在惯性系内的角动量控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种航天器在惯性系内的角动量控制方法，该方法采用在惯性系内进行三轴稳定控制，通过将执行机构的角动量、三轴姿态角信息进行反馈设计得到反馈控制器，该方法不需要重力梯度力矩大于气动力矩，保证长期稳定飞行而执行机构不饱和，可应用于无法配置磁力矩器或磁力矩器出现故障，而又无法或不希望采用喷气方式进行卸载的航天器姿态控制中。
【专利说明】一种航天器在惯性系内的角动量控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种角动量控制方法，属于航天器姿态控制领域。
【背景技术】
[0002] 采用角动量交换执行机构（飞轮、控制力矩陀螺）进行姿态控制的航天器长期在 轨飞行时，在空间环境干扰力矩的作用下，会导致执行机构角动量增长，进而达到饱和，因 此必须进行角动量卸载。目前主要的卸载方式包括磁力矩器卸载、喷气卸载。
[0003] 由于空间站的惯量大，所受的环境力矩也大，如国际空间站最大气动力矩达到 8. 8Nm，如此大的外干扰力矩引起的角动理积累不可能采用磁力矩器来完成卸载，因此空间 站均利用重力梯度力矩来进行角动量的管理。
[0004] 国际空间站采用力矩平衡姿态（Torque Equilibrium Attitude, TEA)的思想，利 用三轴姿态实时调整，达到重力梯度力矩与气动力矩在轨道周期内的平衡，三轴姿态活动 范围为15°。国际空间站实际上是利用重力梯度力矩来平衡气动力矩，因此空间站的惯量 特性必须满足一定约束条件，即其主惯性轴必须相差较大，才能产生足够的重力梯度力矩 来平衡气动力矩，但这个要求有时候并不能得到满足，如我国空间站在早期只有一个核心 舱在轨时，由于舱体呈细长构型，俯仰轴与偏航轴转动惯量接近，就无法产生足够的重力梯 度力矩，因此也无法利用力矩平衡姿态控制进行角动量控制。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种航天器在惯性系内的 角动量控制方法，该方法不需要重力梯度力矩大于气动力矩，即能完成角动量控制，从而保 证执行机构不饱和。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种航天器在惯性系内的角动量控制方法，包括以下 步骤：
[0007] (1)在惯性坐标系内建立航天器俯仰轴、滚动轴、偏航轴上的控制器，形式如下：
【权利要求】
1. 一种航天器在惯性系内的角动量控制方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 在惯性坐标系内建立航天器俯仰轴、滚动轴、偏航轴上的控制器，形式如下：
其中，[Tx Ty Τζ]τ为惯性坐标系内航天器滚动轴、俯仰轴以及偏航轴上的控制 力矩；[θχ ey Θζ]τ为惯性坐标系内航天器滚动轴、俯仰轴以及偏航轴上的姿态角； [4么武了为惯性坐标系内航天器滚动轴、俯仰轴以及偏航轴上的角速度； Η_ζ]τ为惯性坐标系内航天器滚动轴、俯仰轴以及偏航轴上控制力矩陀螺的角动量； ^xd ^xl =[^ζ/? ^zp ^zi ] = , kyi>kyp> kyd 为正的常值，kyp = J2(nc〇。)2, kyd = 1. 4J2nc〇Q，kyi = 0· 01kyp，n = 40 ?100 ; 其中 Bx、Sx 满足方程 <SX +SXAX -SxBxBlSx +QX = 0
Qx计算得到Sx ; 其中Bz、Sz满足方程A义+ S人-SZBZB$Z 4 Q，0
Qz计算得到Sz; Λ、J2、J3为航天器在轨飞行时滚动轴、俯仰轴以及偏航轴上的主转动惯量，为轨道 角速度。 (2) 星敏感器实时测量惯性坐标系内航天器在轨飞行时滚动轴、俯仰轴以及偏航轴上 的姿态角θχ、0y、θ ζ，并将测得的姿态角传送给地面控制计算机； (3) 角速率陀螺实时测量惯性坐标系内航天器在轨飞行时滚动轴、俯仰轴以及偏航轴 上的角速度4、<、4,并将测得的角速度传送给地面控制计算机； (4) 航天器在轨飞行时滚动轴、俯仰轴以及偏航轴上的控制力矩陀螺分别将自身实时 角动量H。^、H"gy、H Mgz传送给地面控制计算机； (5) 地面控制计算机根据步骤（2)、（3)和（4)得到的航天器在轨飞行时滚动轴、俯仰 轴以及偏航轴上的姿态角，角速度和角动量，以及步骤（1)中建立的控制器，得到航天器滚 动轴、俯仰轴以及偏航轴上的控制力矩T x、Ty、Tz，并将该控制力矩以指令的形式上传给控制 力矩陀螺，控制力矩陀螺对接收到的控制力矩指令进行解算后以该控制力矩控制航天器的 在轨飞行； (6) 重复执行步骤（2) -（5)，在步骤⑴建立的控制器的作用下使航天器处于稳定飞 行状态，控制力矩陀螺的角动量H。^、H^y、H"gz维持一个固定值，从而实现角动量控制。
【文档编号】B64G1/28GK104290925SQ201410514465
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】张军, 何英姿, 张锦江 申请人:北京控制工程研究所