一种基于主动指向超静平台的多级协同控制方法与流程
本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种基于主动指向超静平台的多级协同控制方法。
背景技术：
姿态跟踪控制问题是航天器控制领域中的一类重要问题，工程实际中高精度高稳定度的姿态跟踪控制需求日益迫切。已有高精度姿态跟踪系统通常采用粗跟踪+精跟踪的复合控制策略。通过用广角测量敏感器搜索目标并粗跟踪期望姿态，以窄视场成像闭环锁定目标，以高带宽快摆镜实现闭环调节。复合控制需要两级或以上的控制系统串联实现。
詹姆斯韦伯望远镜进行天文观测时的粗跟踪主要靠星体姿态控制。精跟踪是通过快反镜对光路直接进行调节，具有响应速度快、跟踪精度高等优点。目前的星体姿控系统+快反镜的两级控制面临以下问题。
一方面，受力矩输出和整星大惯量的约束，星体姿态控制带宽较低，跟瞄误差较大且在机动末端会有较长的稳定时间，对快摆镜行程和控制带宽提出了很高要求，导致了视场大小与测量精度之间的矛盾。另一方面，星上多源振动导致载荷机动跟瞄过程中平稳性不高，亟需在星体与载荷之间安装隔振抑振平台。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于主动指向超静平台的多级协同控制方法，解决了星体-载荷-快速反射镜三者之间的协同控制问题。
本发明采用的技术解决方案是：
一种基于主动指向超静平台的多级协同控制方法，包括如下步骤：
(1)建立多级复合控制姿态跟踪模型：在一级星体姿控、二级载荷姿控的基础上，引入快摆镜作为三级。快摆镜可以直接改变视轴指向。三级控制系统将视场中目标偏离光轴的角度作为反馈量输出到快摆镜，使目标被锁定在视场的中央。多级复合控制的目标即保证视轴指向期望姿态。
(2)基于相对测量的多级复合控制器设计：将多输入多输出系统简化为单输入单输出系统，分别设计星体、载荷和快反镜单通道控制器，以简化控制器设计。
(3)基于相对测量的多级复合控制框架设计：一级控制目标实现主动指向平台的卸载，保证二级工作空间；二级控制目标实现快摆镜转角的卸载，保证三级工作空间；三级控制目标实现视轴与目标轴的重合，实现精确指向。
(4)多级复合控制带宽设计：在满足系统响应需求的前提下，从一级到三级，控制对象质量惯量由大到小，带宽设计由低带宽到高带宽，实现多级多带宽复合控制。
进一步的，目标轴定义为视轴原点与目标连线的矢量方向，视轴为成像面的法向量；星体与载荷主轴为机械主轴；θtf为视轴与目标方向的夹角，由空间目标测量相机直接测量，即快摆静指向控制量；θtp为载荷主轴与目标方向的夹角，即载荷指向控制量；θfp为视轴与载荷主轴的夹角，即快摆镜的偏转角；θtp为星体主轴与目标方向的夹角，即星体指向控制量；θpb为载荷与星体夹角，由主动指向平台直接测量。
进一步的，星体单通道控制器：根据带宽要求设计pid控制参数，同时通过前馈控制补偿主动指向超静平台在载荷指向调节中对卫星平台的反作用力矩，控制律如下：
式中，is为整星惯量，能够保证星体执行机构提供整星姿态控制需要的力矩；ksp、ksi、ksd为控制器参数；θtb是通过相对测量计算间接得到的星体姿态相对于目标的量，tb为星体控制力矩；ωbr为星体角速度；r×为矢量r的反对称矩阵，其中r可为任意矢量；
进一步的，载荷单通道控制器：根据带宽要求设计pid控制参数，同时通过载荷的参考轨迹设计载荷的平动前馈补偿，避免主动指向超静平台支杆行程饱和；
载荷单通道控制器为：
式中，ipc为载荷相对于整星质心os的惯量在整星质心坐标系fs表达；载荷控制器中采用ipc能够实现载荷质心op绕整星质心os转动，实现载荷和星体平台姿态保持一致；kpp、kpi、kpd为载荷控制器参数；θtp是载荷主轴与目标方向的夹角，通过相对测量计算间接得到；tp、ωpr分别为为载荷控制力矩和载荷角速度。
进一步的，载荷平动前馈补偿为：
式中，cps为载荷质心op相对于整星质心os的一阶惯性张量在整星质心坐标系fs表达，具体计算为
其中，mp为载荷的质量；rps为载荷质心到整星质心的相对位置矢量；rp为载荷任意一点到载荷质心的位置矢量。
进一步的，载荷的控制力/力矩需要向主动指向超静平台作动器控制力转换，计算主动指向超静平台各个作动器所需控制力，作动器分配律如下：
其中，jp为主动指向超静平台位置和姿态变化转换到各个作动器伸缩量的雅克比变换矩阵，且
ei为第i个作动器与星体安装面交点到有效载荷安装面交点单位向量，且
进一步的，快摆镜积分单通道控制器设计：快摆镜驱动电压到摆镜转角等效为一阶惯性环节，即
其中，tfsm为控制周期，gfsm(s)为快摆镜动力学的传递函数；
快摆镜控制采用双积分控制器，即
其中，ki_fsm、kj_fsm为积分常数，cfsm(s)为快摆镜控制器的传递函数。
进一步的，设计基于相对测量的多级复合控制框架，具体为：
三级快摆镜的控制目标是使视轴与目标方向的夹角θtf趋近于零，实现视轴与目标轴的重合，此过程中，载荷主轴与目标轴的夹角θtp作为扰动量存在，导致快摆镜存在转角行程积累即θfp≠0；二级主动指向平台的控制目标是使θtp趋近于零，实现快摆镜转角的卸载即θfp→0，保证快摆镜的工作行程；一级指向控制目标是使θtb趋近于零，实现主动指向平台的卸载即θpb→0，保证主动指向平台的工作行程。
进一步的，多级复合控制带宽，具体为：一级星体姿控系统采用低带宽<二级载荷姿控系统采用中带宽<三级快摆镜控制系统采用高带宽。
本发明与现有技术相比的优点在于：
目前的航天器姿态控制系统只有星体一级姿态控制，受限于敏感器测量带宽、执行机构响应带宽等因素无法进一步提高载荷的指向精度与稳定度。本发明设计的基于主动指向超静平台的多级协同控制方法，采用三级协同姿态跟踪控制架构，降低了对相机高采样率、快摆镜高带宽的要求，避免了高带宽对测量噪声的放大；有效减少快摆镜的工作行程，降低了相机视场，有助于进一步提高精级精度。本发明直接服务于采用多级协同控制的姿态跟踪控制方案设计及仿真。
附图说明
图1为多级协同控制姿态跟踪控制示意图；
图2为基于相对测量的多级协同控制框架；
图3为多级协同控制带宽设计；
图4为多级协同控制一二级指向误差；
图5为两级控制与多级协同控制光轴指向误差对比。
具体实施方式
基于多级复合控制的卫星控制系统由一级星体姿控、二级载荷姿控和三级快摆镜控制组成。星体与载荷之间为并联驱动六自由度的超静平台(主动指向超静平台)。此多级平台控制系统的控制周期、控制带宽各不相同，对目标姿态的响应速度不一致，为充分利用各级主动调节的范围，避免目标超出视场探测范围，需要考虑相对姿态偏差的快速卸载以及各级控制器之间逐级平稳切换控制。星体姿控系统、载荷姿控系统、快速反射镜三者之间的协同工作成为多级复合控制的关键。
基于上述思考，本发明提出一种基于主动指向超静平台的多级协同控制方法，具体方法如下：
(1)建立多级复合控制姿态跟踪控制模型
在一级星体姿控、二级载荷姿控的基础上，引入快摆镜作为三级。快摆镜可以直接改变视轴指向。三级控制系统将视场中目标偏离光轴的角度作为反馈量输出到快摆镜，使目标被锁定在视场的中央。多级复合控制的目标即保证视轴指向期望姿态。
各级指向关系如图1所示。其中，目标轴定义为视轴原点与目标连线的矢量方向，视轴为成像面的法向量。星体与载荷主轴为机械主轴。由于空间目标距离卫星较远，目标入射光线为近似平行光，因此可忽略各级平动引起的成像偏差。θtf为视轴与目标方向的夹角，可由空间目标测量相机直接测量，即快摆静指向控制量。θtp为载荷主轴与目标方向的夹角，即载荷指向控制量。θfp为视轴与载荷主轴的夹角，即快摆镜的偏转角。θtp为星体主轴与目标方向的夹角，即星体指向控制量。θpb为载荷与星体夹角，可由主动指向平台直接测量。
(2)基于相对测量的多级复合控制器设计
本发明的控制对象为多输入多输出系统。基于简化控制器设计和小位移内不同变量之间耦合较小的假设，可将多输入多输出系统简化为单输入单输出系统。为便于控制器设计，在控制器设计时将系统简化为多个单通道的单输入单输出系统。
星体单通道控制器设计：可根据带宽要求设计pid控制参数，使系统具有较好的响应特性，同时通过前馈控制补偿主动指向超静平台在载荷指向调节中对卫星平台的反作用力矩。控制律如下：
式中，is为整星惯量，能够保证星体执行机构提供整星姿态控制需要的力矩。ksp、ksi、ksd为控制器参数。θtb是通过相对测量计算间接得到的星体姿态相对于目标的量。tb为星体控制力矩；ωbr为星体角速度；r×为矢量r的反对称矩阵，其中r可为任意矢量；
载荷单通道控制器设计：可根据带宽要求设计pid控制参数，使系统具有较好的响应特性。同时需要通过载荷的参考轨迹设计载荷的平动补偿，从而避免主动指向超静平台支杆行程饱和。
载荷姿态控制器(载荷单通道控制器)为：
式中，ipc为载荷相对于整星质心os的惯量在整星质心坐标系fs表达。载荷控制器中采用ipc能够实现载荷质心op绕整星质心os转动，实现载荷和星体平台姿态保持一致。kpp、kpi、kpd为载荷控制器参数。θtp是载荷主轴与目标方向的夹角，通过相对测量计算间接得到；tp、ωpr分别为为载荷控制力矩和载荷角速度。
设计的载荷平动前馈补偿为：
式中，cps为载荷质心op相对于整星质心os的一阶惯性张量在坐标系fs表达，具体计算为
其中，mp为载荷的质量；rps为载荷质心到整星质心的相对位置矢量；rp为载荷任意一点到载荷质心的位置矢量。
载荷的控制力/力矩需要向主动指向超静平台作动器控制力转换，因此计算主动指向超静平台各个作动器所需控制力，作动器分配律如下：
其中，jp为主动指向超静平台位置和姿态变化转换到各个智能挠性作动器伸缩量的雅克比变换矩阵雅克比变换矩阵，且
ei为第i个智能挠性作动器与星体安装面交点到有效载荷安装面交点单位向量，且
快摆镜积分单通道控制器设计：由于快摆镜对指令信号的响应带宽较高，其响应误差主要由指令周期的时延引起，因此快摆镜驱动电压到摆镜转角可等效为一阶惯性环节。即
其中，tfsm为控制周期,gfsm(s)为快摆镜动力学的传递函数；
快摆镜控制采用双积分控制器，即
其中，ki_fsm、kj_fsm为积分常数,cfsm(s)为快摆镜控制器的传递函数。
(3)基于相对测量的多级复合控制框架设计
以往卫星指向控制是通过惯性测量敏感器对卫星进行惯性定向，得到绝对定向测量作为姿态反馈，给定为惯性空间的绝对姿态角，从而实现卫星惯性空间的指向控制。
通过图1对多级复合控制指向模型的分析可知，该模型中的测量反馈量为目标轴与相机视轴的相对偏差，即相对定向测量，则给定的相对姿态角始终为0。
由此，可以得到基于相对测量的多级复合控制框架设计如图2所示。
其中cb(s)、gb(s)、cp(s)、gb(s)分别为一级星体单通道控制器、一级星体单通道控制对象传函、二级载荷单通道控制器、二级星体单通道控制对象传函。θt、θp分别为目标轴的绝对姿态角以及载荷主轴的绝对姿态角。其余变量在前述中已有定义，其中θtf、θfp、θpb是在实际系统中可通过传感器直接测量的相对量。θtp、θtb是通过相对测量计算间接得到的相对量。
通过该框架设计可知，三级快摆镜的控制目标是使θtf趋近于零，实现视轴与目标轴的重合，此过程中，载荷主轴与目标轴的夹角θtp作为扰动量存在，会导致快摆镜存在转角行程积累即θfp≠0。二级主动指向平台的控制目标是使θtp趋近于零，实现快摆镜转角的卸载即θfp→0，保证快摆镜的工作行程。同理，一级指向控制目标是使θtb趋近于零，实现主动指向平台的卸载即θpb→0，保证主动指向平台的工作行程。
因此，各级控制系统的给定为0，反馈为各级主轴与目标轴之间的相对偏差量，各级同时对偏差量进行修正实现基于相对测量的多级复合控制，完成各级对目标的一致指向。
(4)多级复合控制带宽设计
在各级控制器和多级复合控制框架确定后，控制器设计主要是对控制系统带宽的设计。在满足系统响应需求的前提下，控制器带宽设计主要考虑：执行噪声的抑制能力(高带宽>低带宽)、测量噪声的抑制能力(低带宽>高带宽)以及系统稳定性等因素。
一级星体姿控系统往往控制精度要求较低，采样延时较大，受帆板等挠性体低频扰动影响较大，因此往往以稳定性作为主要设计因素，取较低带宽。
二级载荷姿控系统有精确指向和快速稳定需求，要求系统具有较好的响应速度，以及对一级扰动有较好的抑制能力，同时考虑载荷部分挠性附件对稳定性影响，因此设计为中带宽。
三级快摆镜控制系统质量惯量小，受挠性影响较小，其控制带宽主要受系统延时影响。在采样率满足的条件下，为实现更高带宽的响应和扰动抑制，三级控制器采用高带宽设计。
因此，从一级到三级，控制对象质量惯量由大到小，带宽设计由低带宽到高带宽，实现多级多带宽复合控制，如图3所示,一级星体姿控系统采用低带宽<二级载荷姿控系统采用中带宽<三级快摆镜控制系统采用高带宽。
给出本发明实施例，进行多级协同控制性能分析：
取一级星体姿控系统的带宽设计为0.1hz，二级载荷姿控系统的带宽设计为2hz。三级快摆镜控制系统的带宽与跟踪相机的采样频率即1/tfsm有关。对跟踪相机采样频率分别取100hz和20hz两种工况进行仿真。
由图4可知，一级星体指向在目标角加速度峰值处误差最大值小于200″，二级载荷指向在目标角速度峰值处误差最大值小于0.5″。因此，二级载荷控制系统将一级的误差由200″减小到0.5″以内，大幅提升了平台的跟踪性能。一方面，与传统的两级控制相比，快摆镜的行程需求由200″降低为1″量级，因此可进一步优化缩小跟踪相机视场，在相机分辨率固定的情况下，进一步减小相机测量噪声。
图5(a)为采用两级控制的光轴指向误差，(b)为采用三级协同控制的光轴指向误差，可以看到采用多级协同控制后，跟踪过程的最大误差减小至0.2″以内，有效提高对高动态目标的跟瞄性能。
综上，本发明设计的基于主动指向超静平台的多级协同控制方法，采用三级协同姿态跟踪控制架构，降低了对相机高采样率、快摆镜高带宽的要求，避免了高带宽对测量噪声的放大；有效减少快摆镜的工作行程，降低了相机视场，有助于进一步提高精级精度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
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