一种省工质的磁控与喷气控制联合的高精度姿态控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种省工质的磁控与喷气控制联合的高精度姿态控制方法，步骤为(1)根据三轴姿态误差和角速度误差，利用PID控制律计算期望控制力矩；(2)根据地磁感应强度矢量在卫星本体坐标系三轴坐标分量的实时分布确定哪些轴姿态实施磁控、哪些轴姿态实施喷气控制；(3)利用小扰动磁矩分配算法计算三轴磁矩，以充分满足磁控轴期望控制力矩，同时减小磁控所产生的干扰力矩；(4)利用喷气相平面算法计算喷气控制轴的喷气脉宽。本发明的姿态控制精度高，工质消耗低，计算简单，工程实现容易。
【专利说明】
一种省工质的磁控与喷气控制联合的高精度姿态控制方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种省工质的磁控与喷气控制联合的高精度姿态控制方法，适用于所 有采用磁控与喷气控制联合实现高精度三轴姿态稳定的航天器，例如重力场测量卫星及高 宁静度的科学探测卫星等。该方法还可应用于其它所有有动量轮或CMG配合的需要磁控的 航天器或航天器特定工作模式。
【背景技术】
[0002] 对重力测量卫星而言，加速度计的任务是测量非保守力对星体质心运动的影响。 其特点是，灵敏度很高，对任务中所受的高频和低频振动、扰动的幅值、频率等有严格的要 求。基于这一要求，卫星控制分系统需要尽可能减小对星体质心加速度的扰动，要确保由姿 态测量与控制造成的星体质心加速度不影响加速度计或重力梯度仪的工作。因此，控制分 系统需要从减小振动和扰动的角度出发进行设计：即，不使用诸如带旋转机构的敏感器和 执行机构等会严重影响平台有效载荷工作的部件，如常见的动量轮、太阳帆板驱动机构及 扫描式地球敏感器等，仅使用磁力矩器和喷气执行机构实现甚高的姿态控制精度指标要 求，推进工质不能为液态，喷气执行机构参与控制的时间尽可能少。
[0003] 为了满足有效载荷一一高精度加速度计正常工作的需要，重力场测量卫星不能配 置有可动部件的敏感器及执行机构，因此其姿态控制系统普遍采用磁控与喷气控制联合的 方案，通过喷气控制保证姿态控制精度，通过磁控节省推进工质。国际上CHAMP、GRACE及 G0CE等三代重力场测量卫星均采用这种控制方案，但具体的控制算法未见文献公开报道。 为此，在开展我国某重力场测量卫星关键技术攻关及地面演示验证阶段，课题组把握磁控 这个关键环节，先后尝试过基于传统磁矩分配的PID磁控方法、基于Hm理论的磁控方法及 基于凸多面体理论的磁控方法等多种控制算法，但结果均不够理想，推进工质消耗量远大 于国外同类卫星GRACE的水平。后来，本专利申报人查阅到文献"基于纯磁控的皮卫星姿态 恢复，浙江大学学报(工学版），2013，47(5):843-852"，借鉴其卫星偏航姿态不控、基于控 制律通过磁矩分配实现滚动与俯仰姿态较高精度控制的思想，根据一个轨道周期内地磁感 应强度在卫星轨道坐标系内变化情况，提出在三轴之间动态地、巧妙地分配喷气控制与磁 控、并充分挖掘磁矩分配潜力的思想，形成一种省工质的磁控与喷气控制联合的高精度姿 态控制方法，在三轴姿态控制精度完全满足指标要求的前提下，使推进工质消耗优于GRACE 卫星的水平。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种省工质的磁控与 喷气控制联合的高精度姿态控制方法，该方法能够获得高的姿态控制精度，同时工质消耗 低，计算简单，工程实现容易。
[0005] 本发明的技术解决方案是:一种省工质的磁控与喷气控制联合的高精度姿态控制 方法，其特点在于步骤如下：
[0006] (1)根据三轴姿态误差和角速度误差，利用PID控制律计算得到三轴期望控制力 矩，作为后面磁控计算的依据；
[0007] (2)磁控轴/喷气控制轴分配逻辑:根据地磁感应强度矢量在卫星本体坐标系三轴 坐标分量的实时分布确定哪些轴姿态实施磁控计算、哪些轴姿态实施喷气控制计算，分别 称之为磁控轴、喷气控制轴；
[0008] (3)针对步骤(2)中确定的磁控轴，根据步骤（1)中给出的相应轴方向期望控制力 矩，和地磁感应强度矢量信息，利用小扰动磁矩分配算法计算得到三轴磁矩结果，以充分满 足磁控轴期望控制力矩，同时减小磁控所产生的干扰力矩，该三轴磁矩计算结果作为输出；
[0009] (4)针对步骤(2)中确定的喷气控制轴，利用喷气相平面算法计算得到喷气控制轴 的喷气脉宽结果，该喷气脉宽计算结果作为输出。
[0010] 所述步骤(1)中利用PID控制律计算三轴期望控制力矩如下：
[0011] 设沿本体坐标系三轴，依次为滚动、俯仰、偏航轴的姿态误差为[φ。θ。Φ。]，角速 度误差为i *三轴的PID系数分别为比例系数Kpx，KPy，K pz，微分系数Kdx，Kdy，Kdz， 积分系数1(1\，^，1(12，则三轴的期望控制力矩如下计算：
[0012] 7:, 十
[0013] T:，KpA +Kj，K".[fidt Λ
[0014] Tt: = Κ + K+ Ki:\yLdt
[0015] 所述步骤(2)的磁控轴/喷气控制轴分配逻辑，是根据卫星所处的轨道磁场分布情 况，确定在轨道不同位置时哪些轴为磁控轴，哪些轴为喷气控制轴。具体分配逻辑如下：
[0016] 设沿本体坐标系三轴，依次为滚动、俯仰、偏航轴的地磁感应强度为[Bx By Bz]，当 前若I Bx I > I Bz I，则设置Y轴即俯仰轴，Z轴即偏航轴为磁控轴，X轴即滚动轴为喷气控制轴;否 则设置X轴和Y轴为磁控轴，Z轴为喷气控制轴。
[0017] 所述步骤(3)中的小扰动磁矩分配算法，是利用三轴磁矩，以减小磁矩带来的扰动 力矩为优先考虑的分配算法，具体分配算法如下：
[0018] (31)根据当前若Y轴即俯仰轴和Z轴即偏航轴为磁控轴，则：
[0019] 首先计算两个备选磁矩值Mxl = -Tcy/Bz，Mx2 = Tcz/By，其中Tcy、1^分别为俯仰轴、偏 航轴期望控制力矩值，By、Bz分别为地磁感应强度在本体坐标系俯仰轴、偏航轴的分量值，若 1\1与1^2同号，则滚动轴磁矩1\计算公式为:1^ = 8811(1^1)111；[11%1爲2);否则令1\ = 0;
[0020] 然后计算偏航轴磁矩Mz= (Tcy+MxBz)/Bx，俯仰轴磁矩M y= (MxBy-Tcz)/Bx，其中Bx为 地磁感应强度在本体坐标系滚动轴的分量值。
[0021 ] (32)根据当前若X轴，即滚动轴和Y轴，即俯仰轴为磁控轴，则：
[0022] 首先计算两个备选磁矩值Mzl = _WBy，Mz2 = Tcy/Bx，其中Tcx、Tcy分别为滚动轴、俯 仰轴期望控制力矩值，BX、By分别为地磁感应强度在本体坐标系滚动轴、俯仰轴的分量值，若 121与队2同号，则偏航轴磁矩队计算公式为沁=8811(121)111；[11(1 21具2);否则令队=0;
[0023] 然后计算俯仰轴磁矩My=(Tcx+MzB y)/Bz，滚动轴磁矩Mx=(MzBx-T cy)/Bz，其中Bz为 地磁感应强度在本体坐标系偏航轴的分量值；
[0024] (33)磁矩限幅
[0025] 设磁力矩器的最大磁矩Mmax，对以上计算结果Mx，M y，Mz进行限幅处理Mx = mlf(Mx， Mmax)，My = mlf(My，Mmax)，Mz=mlf(Mz，Mmax)。
[0026] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0027] (1)磁控与喷气联合控制，既充分利用磁控能力节省喷气工质，又避免了磁控姿态 控制精度不高的缺点。
[0028] (2)根据地磁感应强度矢量在卫星本体坐标系的分量特点确定磁控轴/喷气控制 轴分配，使磁控力矩作用于效率最高的方向，能够充分发挥磁控能力，同时避免磁控力矩对 其他轴产生较大干扰。
[0029] (3)小扰动磁矩分配算法综合考虑期望力矩与地磁感应强度矢量分布，充分挖掘 三轴磁矩潜力，在充分满足磁控轴期望力矩要求的前提下，尽量减少磁控对其他轴的干扰 力矩。
[0030]总之，本发明已在某重力测量卫星演示验证项目中通过试验验证，方法可行，工程 技术易实现，因此具有实用性。
【附图说明】
[0031 ]图1为本发明磁控与喷气控制联合高精度姿态控制流程图。
【具体实施方式】 [0032] 实施例1:
[0033]以一种轨道倾角在90度附近的低轨卫星为例，如图1所示，本发明的具体步骤如 下：
[0034] (1)根据三轴姿态误差和角速度误差，利用PID控制律计算期望控制力矩;设沿本 体坐标系三轴(依次为滚动、俯仰、偏航轴，以下皆同）的姿态误差为[φ。Θ。1^。]，角速度误 差为[4 4屺]，三轴的PID系数分别为比例系数Kpx，KPy，Kpz，微分系数Kd x，Kdy，Kdz4%、 系数Klx，Kly，Klz，则三轴的期望控制力矩如下计算：
[0035] T^K^+Kj^K^Jdt
[0036] Tcf = Kpiet+Kji+K^Oidt e
[0037] Tcs = Κ,, Ψι + Κ, ψ, + Κ： (//, dt
[0038] (2)根据地磁感应强度矢量在卫星本体坐标系三轴坐标分量的大小确定哪些轴姿 态实施磁控、哪些轴姿态实施喷气控制;磁控轴/喷气控制轴分配逻辑如下：
[0039]设沿本体坐标系三轴（依次为滚动、俯仰、偏航轴）的地磁感应强度为[Bx By Βζ]， 当前若I Bx I > I Bz I，则设置Υ轴（即俯仰轴)和Ζ轴（即偏航轴)为磁控轴，X轴（即滚动轴)为喷气 控制轴;否则设置X轴和Υ轴为磁控轴，Ζ轴为喷气控制轴。
[0040] (3)利用小扰动磁矩分配算法计算三轴磁矩，以充分满足磁控轴期望控制力矩，同 时减小磁控所产生的干扰力矩;小扰动磁矩分配算法如下：
[0041] a.若Υ轴和Ζ轴为磁控轴，则：
[0042] 首先计算两个备选磁矩值Mxl = _WBz，Mx2 = WBy，其中1^、1^分别为步骤（1)中 计算的俯仰轴、偏航轴期望控制力矩值，By、Bz分别为地磁感应强度在本体坐标系俯仰轴、偏 航轴的分量值，若Mxi与MX2同号，则滚动轴磁矩Mx计算公式为:Mx = s gn (MX1) m i n (MX1，MX2);否 则令Mx=0;
[0043] 然后计算偏航轴磁矩Mz= (Tcy+MxBz)/Bx，俯仰轴磁矩M y= (MxBy-Tcz)/Bx，其中Bx为 地磁感应强度在本体坐标系滚动轴的分量值。
[0044] b.若X轴和Y轴为磁控轴，则：
[0045] 首先计算两个备选磁矩值队1 = -1^/^具2 = 1^/%〇其中1^、1^分别为步骤（1)中 计算的滚动轴、俯仰轴期望控制力矩值，Bx、By分别为地磁感应强度在本体坐标系滚动轴、俯 仰轴的分量值，若M zl与Mz2同号，则偏航轴磁矩Mz计算公式为Mz = sgn(Mzl)min(Mzl，Mz2);否则 令 Mz = 0;
[0046] 然后计算俯仰轴磁矩My=(Tcx+MzB y)/Bz，滚动轴磁矩Mx=(MzBx-T cy)/Bz，其中Bz为 地磁感应强度在本体坐标系偏航轴的分量值。
[0047] c.磁矩限幅：
[0048] 设磁力矩器的最大磁矩Mmax，对以上计算结果Mx，My，Mz进行限幅处理M x = mlf(Mx， Mmax)，My = mlf(My，Mmax)，Mz=mlf(Mz，Mmax)。
[0049] (4)利用喷气相平面算法计算喷气控制轴的喷气脉宽，算法设计参考屠善澄院士 主编的《卫星姿态动力学与控制》(宇航出版社，2001)第442页；
[0050] (5)在卫星整个工作过程中，重复进行图1所示的磁控与喷气控制联合姿态控制流 程，从而实现省工质且高精度的姿态控制，保证卫星安全有效地完成科学探测任务。
【主权项】
1. 一种省工质的磁控与喷气控制联合的高精度姿态控制方法，其特征在于包括W下步 骤： (1) 根据Ξ轴姿态误差和角速度误差，利用PID控制律计算得到Ξ轴期望控制力矩，作 为后面磁控计算的依据； (2) 磁控轴/喷气控制轴分配逻辑:根据地磁感应强度矢量在卫星本体坐标系Ξ轴坐标 分量的实时分布确定哪些轴姿态实施磁控计算、哪些轴姿态实施喷气控制计算，分别称之 为磁控轴、喷气控制轴； (3) 针对步骤(2)中确定的磁控轴，根据步骤（1)中给出的相应轴方向期望控制力矩，和 地磁感应强度矢量信息，利用小扰动磁矩分配算法计算得到Ξ轴磁矩结果，W充分满足磁 控轴期望控制力矩，同时减小磁控所产生的干扰力矩，该Ξ轴磁矩计算结果作为输出； (4) 针对步骤(2)中确定的喷气控制轴，利用喷气相平面算法计算得到喷气控制轴的喷 气脉宽结果，该喷气脉宽计算结果作为输出。2. 根据权利要求1所述的省工质的磁控与喷气控制联合的高精度姿态控制方法，其特 征在于:所述步骤(1)中利用PID控制律计算Ξ轴期望控制力矩如下： 设沿本体坐标系立轴，依次为滚动、俯仰、偏航轴的姿态误差为[Φ。Θ。恥]，角速度误 差为[4马捉]百轴的PID系数分别为比例系数Kpx，Kpy，Kpz，微分系数Kdx，Kdy，Kdz，积分 系数Klx，Kly，Klz，则Ξ轴的期望控制力矩如下计算：3. 根据权利要求1所述的省工质的磁控与喷气控制联合的高精度姿态控制方法，其特 征在于:所述步骤(2)的磁控轴/喷气控制轴分配逻辑，是根据卫星所处的轨道磁场分布情 况，确定在轨道不同位置时哪些轴为磁控轴，哪些轴为喷气控制轴，具体分配逻辑如下： 设沿本体坐标系Ξ轴，依次为滚动、俯仰、偏航轴的地磁感应强度为[Bx By Bz]，当前若 I Bx I〉I Bz I，则设置Υ轴即俯仰轴，Z轴即偏航轴为磁控轴，X轴即滚动轴为喷气控制轴;否则设 置X轴和Y轴为磁控轴，Z轴为喷气控制轴。4. 根据权利要求1所述的省工质的磁控与喷气控制联合的高精度姿态控制方法，其特 征在于:所述步骤(3)中的小扰动磁矩分配算法，是利用Ξ轴磁矩，W减小磁矩带来的扰动 力矩为优先考虑的分配算法，具体分配算法如下： (31) 根据当前若Y轴即俯仰轴和Z轴即偏航轴为磁控轴，则： 首先计算两个备选磁矩值啦1 = -1'巧/83其2 = 1'^/^，其中1'巧、心分别为俯仰轴、偏航轴 期望控制力矩值，By、Bz分别为地磁感应强度在本体坐标系俯仰轴、偏航轴的分量值，若Mxl 与沁2同号，则滚动轴磁矩沁计算公式为:11=3旨11(111)111；[]1(111,]/[。）；否则令沁=0; 然后计算偏航轴磁矩Mz = (Tcy+MxBz) /Bx，俯仰轴磁矩My = (MxBy-Tcz) /Bx，其中Bx为地磁感 应强度在本体坐标系滚动轴的分量值； (32) 根据当前若X轴，即滚动轴和Y轴，即俯仰轴为磁控轴，则： 首先计算两个备选磁矩值Mzl = -Tcx/By，Mz2 = Tcy/Bx，其中Tex、Tcy分别为滚动轴、俯仰轴 期望控制力矩值，Bx、By分别为地磁感应强度在本体坐标系滚动轴、俯仰轴的分量值，若Mzl 与12洞号，则偏航轴磁矩12计算公式为12 = 8旨]1(121)111；[]1(121，]^22);否则令12 = 0; 然后计算俯仰轴磁矩My=(Tcx+MzBy)/Bz，滚动轴磁矩Mx=(MzBx-Tcy)/Bz，其中Bz为地磁感 应强度在本体坐标系偏航轴的分量值； (33)磁矩限幅 设磁力矩器的最大磁矩Mmax，对W上计算结果Mx , My , Mz进行限幅处理Mx = m 1 f ( Mx , Mmax )， My = mlf (My,Mmax)，Mz=mlf (Mz,Mmax)。
【文档编号】B64G1/10GK106081167SQ201610676473
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月16日 公开号201610676473.2, CN 106081167 A, CN 106081167A, CN 201610676473, CN-A-106081167, CN106081167 A, CN106081167A, CN201610676473, CN201610676473.2
【发明人】刘其睿, 苟兴宇, 涂俊峰, 谈树萍
【申请人】北京控制工程研究所