一种控制力矩陀螺替代动量轮的卫星稳态控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种控制力矩陀螺替代动量轮的卫星稳态控制方法。当正常工作的动量轮数量为三个时，传统方式下动量轮只能以角动量过零方式工作实现姿态稳定控制，此时控制精度有所下降。针对这一问题，本发明提出了将备份控制力矩陀螺高速转子作为角动量固定动量轮使用，通过转动低速框架角提供某一方向的固定偏置角动量，使得剩余三个动量轮可以工作在偏置状态，从而使系统进入以备份控制力矩陀螺高速转子和三个工作在偏置角动量状态的动量轮组成的零动量控制系统的稳态控制模式，避免动量轮过零使用的精度损失问题。该方法使冷备份控制力矩陀螺兼顾了侧摆机动和稳态控制的备份作用，提高了该类卫星执行机构在轨使用的可靠性。
【专利说明】一种控制力矩陀螺替代动量轮的卫星稳态控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种控制力矩陀螺替代动量轮的卫星稳态控制方法，属于卫星姿态控制领域。
【背景技术】
[0002]一类卫星为兼顾快速侧摆机动和高精度的姿态稳定控制要求，执行机构采用控制力矩陀螺(CMG)和动量轮的混合配置。其中控制力矩陀螺(CMG) —般包括主份控制力矩陀螺(CMG)和备份控制力矩陀螺(CMG)。两类特点不同的执行机构分别实现不同的控制功能:输出较大力矩的控制力矩陀螺实现卫星的快速机动要求，而输出力矩相对较小但精度较高的动量轮实现卫星的高精度稳态控制要求。其中基于动量轮的高精度稳态控制通常由四个工作在角动量偏置状态的动量轮组成的零动量控制系统来完成。当有动量轮发生故障使得可工作动量轮数量降为三个时，动量轮只能以角动量过零方式工作。而角动量过零时由于摩擦力矩的作用会降低动量轮系统的控制力矩输出精度。因此为保证高精度的控制精度指标，动量轮通常不过零使用。
[0003]综上所述，当基于混合执行机构的卫星控制系统可工作动量轮数量下降为三个时，需要提出一种新的方法，既要满足卫星的稳态控制，又要尽量避免动量轮过零使用的精度损失问题。以提高该类卫星执行机构在轨使用的可靠性。
【发明内容】
[0004]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种控制力矩陀螺替代动量轮的卫星稳态控制方法，该方法使得备份的控制力矩陀螺不单作为卫星姿态机动的备份执行机构，同时兼具稳态控制的备份作用，避免动量轮过零使用的精度损失问题，提高执行机构在轨使用的可靠性。
[0005]本发明的技术解决方案是:一种控制力矩陀螺替代动量轮的卫星稳态控制方法，包括以下步骤:
[0006](I)针对基于控制力矩陀螺和动量轮混合执行机构的卫星控制系统，当正常工作的动量轮数量为三个时，计算备份控制力矩陀螺高速转子角动量和动量轮最大角动量的差值绝对值，如果该差值绝对值大于5Nms，则卫星控制系统采用三个动量轮过零使用的控制方式；如果该差值绝对值小于5Nms，则进入步骤(2);
[0007](2)判断备份控制力矩陀螺高速转子角动量矢量与正常工作的三个动量轮中的任意两个的角动量矢量是否共面，如果共面，则卫星控制系统采用三个动量轮过零使用的控制方式；如果不共面，则进入步骤(3)；
[0008](3)将备份控制力矩陀螺低速框架以I度的步距依次旋转360度，依据控制力矩陀螺高速转子角动量矢量与三个动量轮角动量矢量的矢量和为零的约束条件，依次计算得到360组备份控制力矩陀螺低速框架转角以及该角度下三个动量轮的偏置角动量；
[0009](4)判断步骤(3)得到的360组数据中是否有某组数据满足三个动量轮的偏置角动量均处于其最大角动量的1/3至2/3之间，如果360组数据均不满足上述条件，则卫星控制系统维持三个动量轮过零使用的控制方式；如果360组数据中有一组或几组数据满足上述条件，则从满足上述条件的数据中选择一组数据作为备份控制力矩陀螺低速框架期望角度以及三个动量轮的标称偏置角动量，其中当三个动量轮的标称偏置角动量确定后，其对应的备份控制力矩陀螺低速框架转角即为控制力矩陀螺低速框架期望角度；
[0010](5)向卫星控制系统上注备份控制力矩陀螺低速框架期望角度，待备份控制力矩陀螺低速框架转动到位并锁定之后，上注备份控制力矩陀螺高速转子加电启动指令并同时上注三个动量轮的标称偏置角动量；
[0011](6)当备份控制力矩陀螺高速转子启动到额定转速且当动量轮的角动量达到标称偏置角动量后，系统进入以备份控制力矩陀螺高速转子和三个工作在偏置角动量状态的动量轮组成的零动量控制系统的稳态控制模式，从而实现卫星的高精度稳态控制。
[0012]所述步骤(3)中计算得到360组备份控制力矩陀螺低速框架转角以及该角度下三个动量轮的偏置角动量的方式如下:
[0013]定义备份控制力矩陀螺低速框架处于零位时低速框架转角正方向为备份控制力矩陀螺框架坐标系的Xg轴，高速转子角动量方向为备份控制力矩陀螺框架坐标系的Yg轴，备份控制力矩陀螺框架坐标系的Zg轴根据Xg轴、Yg轴由右手螺旋法则确定；设备份控制力矩陀螺低速框架转角为α，其中a e [0°~360° ]，备份控制力矩陀螺高速转子角动量大小为he(l，则备份控制力矩陀螺高速转子角动量在备份控制力矩陀螺框架坐标系下的坐标hG； g满足
【权利要求】
1.一种控制力矩陀螺替代动量轮的卫星稳态控制方法，其特征在于包括以下步骤: (1)针对基于控制力矩陀螺和动量轮混合执行机构的卫星控制系统，当正常工作的动量轮数量为三个时，计算备份控制力矩陀螺高速转子角动量和动量轮最大角动量的差值绝对值，如果该差值绝对值大于5Nms，则卫星控制系统采用三个动量轮过零使用的控制方式；如果该差值绝对值小于5Nms，则进入步骤(2); (2)判断备份控制力矩陀螺高速转子角动量矢量与正常工作的三个动量轮中的任意两个的角动量矢量是否共面，如果共面，则卫星控制系统采用三个动量轮过零使用的控制方式；如果不共面，则进入步骤(3)； (3)将备份控制力矩陀螺低速框架以I度的步距依次旋转360度，依据控制力矩陀螺高速转子角动量矢量与三个动量轮角动量矢量的矢量和为零的约束条件，依次计算得到360组备份控制力矩陀螺低速框架转角以及该角度下三个动量轮的偏置角动量； (4)判断步骤(3)得到的360组数据中是否有某组数据满足三个动量轮的偏置角动量均处于其最大角动量的1/3至2/3之间，如果360组数据均不满足上述条件，则卫星控制系统维持三个动量轮过零使用的控制方式；如果360组数据中有一组或几组数据满足上述条件，则从满足上述条件的数据中选择一组数据作为备份控制力矩陀螺低速框架期望角度以及三个动量轮的标称偏置角动量，其中当三个动量轮的标称偏置角动量确定后，其对应的备份控制力矩陀螺低速框架转角即为控制力矩陀螺低速框架期望角度； (5)向卫星控制系统上注备份控制力矩陀螺低速框架期望角度，待备份控制力矩陀螺低速框架转动到位并锁定之后，上注备份控制力矩陀螺高速转子加电启动指令并同时上注三个动量轮的标称偏置 角动量； (6)当备份控制力矩陀螺高速转子启动到额定转速且当动量轮的角动量达到标称偏置角动量后，系统进入以备份控制力矩陀螺高速转子和三个工作在偏置角动量状态的动量轮组成的零动量控制系统的稳态控制模式，从而实现卫星的高精度稳态控制。
2.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺替代动量轮的卫星稳态控制方法，其特征在于:所述步骤(3)中计算得到360组备份控制力矩陀螺低速框架转角以及该角度下三个动量轮的偏置角动量的方式如下: 定义备份控制力矩陀螺低速框架处于零位时低速框架转角正方向为备份控制力矩陀螺框架坐标系的Xg轴，高速转子角动量方向为备份控制力矩陀螺框架坐标系的\轴，备份控制力矩陀螺框架坐标系的Zg轴根据Xg轴、Yg轴由右手螺旋法则确定；设备份控制力矩陀螺低速框架转角为α，其中a e [0°~360° ]，备份控制力矩陀螺高速转子角动量大小为he(l，则备份控制力矩陀螺高速转子角动量在备份控制力矩陀螺框架坐标系下的坐标he，g满足
【文档编号】B64G1/28GK103950556SQ201410163314
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】张春青, 雷拥军, 顾斌, 刘其睿, 蒋志雄, 宗红, 瞿涵, 綦艳霞, 王玉爽, 傅秀涛 申请人:北京控制工程研究所