一种五棱锥构型控制力矩陀螺群自主重构方法与流程

本发明涉及卫星姿态控制技术领域，具体涉及一种五棱锥构型控制力矩陀螺群自主重构方法。

背景技术：

五棱锥构型的控制力矩陀螺群作为星上姿态控制主要执行机构时，控制系统不仅需要具备对控制力矩陀螺的故障诊断功能，而且在判定某台控制力矩陀螺故障时，需要通过星上自主处理，完成控制力矩陀螺群重构，在控制力矩陀螺群执行能力足够的前提下，实现卫星三轴稳定控制。因此，控制力矩陀螺群的自主重构是保证卫星姿态稳定控制的一项重要措施。

技术实现要素：

本发明的目的是在某一台控制力矩陀螺故障或不接入系统工作，且控制力矩陀螺群执行能力足够的前提下，实现控制力矩陀螺群的自主重构控制，保持卫星三轴稳定姿态控制。

为了达到上述目的，本发明提供了一种五棱锥构型控制力矩陀螺群自主重构方法，该方法包含以下步骤：

s1：当某一控制力矩陀螺故障或不工作时，将所述控制力矩陀螺的角动量回零；

s2：按照五棱锥控制力矩陀螺群构型计算控制力矩陀螺群合成的三轴角动量，得到第一角动量；

s3：根据故障或不工作的控制力矩陀螺编号i设置矩阵的第i列全为0，按照s2的角动量计算方法可得到重构后的三轴角动量，得到第二角动量，所述重构指的是减少一个控制力矩陀螺；

s4：根据所述的第二角动量，按照鲁棒伪逆操纵律和零运动操纵律之和得到最终操纵律；

s5：根据s1中故障或不工作的控制力矩陀螺编号i设置重构后的操纵律系数值；

s6：控制力矩陀螺群实行自主重构控制。

较佳地，所述控制力矩陀螺的角动量回零是指通过给控制力矩陀螺断电和/或使得所述控制力矩陀螺的内框架转速回到零。

较佳地，所述s2步骤中第一角动量的算法为：

h＝(a*sδ+b*cδ)*hcmg(1)

其中，h＝[hx，hy，hz]，δ为控制力矩陀螺外框转角，即δ＝[δ1，δ2，δ3，δ4，δ5，δ6]，hcmg为控制力矩陀螺角动量，即hcmg＝[h1，h2，h3，h4，h5，h6]，

cbt＝cos(63.43/180*pi)；

sbt＝sin(63.43/180*pi)；

cq＝cos(72/180*pi)；

sq＝sin(72/180*pi)；

cw＝cos(54/180*pi)；

sw＝sin(54/180*pi)；

sδ＝diag(sin(δ1)sin(δ2)sin(δ3)sin(δ4)sin(δ5)sin(δ6))

cδ＝diag(cos(δ1)cos(δ2)cos(δ3)cos(δ4)cos(δ5)cos(δ6))。

较佳地，所述第二角动量的获取方法包含：

当第i台控制力矩陀螺切出系统停止工作时，通过将所述a矩阵和所述b矩阵对应的第i列元素均置为零，所述sδ矩阵和所述cδ矩阵对应的第i个对角线元素置为零，使得a*sδ+b*cδ对应的第i列元素为零，随后代入第一角动量的算法，得到第二角动量。

较佳地，所述s4步骤最终操纵律的算法为：

其中，为控制力矩陀螺外框架转速；

为根据鲁棒伪逆操纵律得到的控制力矩陀螺指令转速；

为根据零运动操纵律得到的控制力矩陀螺指令转速；

所述的算法为：

所述的算法为：

其中，c＝a*cδ-b*sδ；

奇异度度量d＝det(cc^t)；

det(.)表示对括号里的矩阵求行列式；

e是3×3的单位阵，./表示矢量的点除；

tc为控制力矩；

r为鲁棒伪逆操纵律系数；

en是6×6的单位阵；

k0＝[kback2inikback2inikback2inikback2inikback2inikback2ini]

knull为零运动操纵律系数；

k0为控制力矩陀螺外框转角目标系数对角矩阵；

kback2ini为控制力矩陀螺外框转角目标系数。

较佳地，所述s6控制力矩陀螺群实行自主重构控制包含以下步骤：

步骤一，当第i台控制力矩陀螺切出系统停止工作时，通过将所述a矩阵和所述b矩阵对应的第i列元素均置为零，所述sδ矩阵和所述cδ矩阵对应的第i个对角线元素置为零，使得c矩阵第i列对应元素均为零，从而使的第i个元素为零，即对应第i个控制力矩陀螺鲁棒伪逆操纵律外框架转速为零；

步骤二，当第i台控制力矩陀螺故障和/或不接入系统工作时，所述k0矩阵中的元素kback2ini设置成零；

步骤三，对应的第i个元素为零，得到第i个控制力矩陀螺零运动操纵律外框架转速为零。

较佳地，s6步骤控制力矩陀螺群实行自主重构控制后，得到第i台控制力矩陀螺故障和/或不接入系统工作时的合成角动量为h＝(a*sδ+b*cδ)*hcmg，

其中，a*sδ+b*cδ对应的第i列元素为零；

得到第i台控制力矩陀螺故障和/或不接入系统工作时的合成角动量操纵律如下：

其中，c矩阵第i列对应元素均为零，k0矩阵中的元素kback2ini设置成零，对应的第i个元素为零。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的五棱锥构型控制力矩陀螺群自主重构方法在某一台控制力矩陀螺故障或不接入系统工作，且控制力矩陀螺群执行能力足够的前提下，实现控制力矩陀螺群的自主重构控制，保持卫星三轴稳定姿态控制。本发明可应用于卫星控制力矩陀螺群姿态控制自主故障诊断与重构系统，且该方法控制灵活。

附图说明

图1为本发明的五棱锥构型控制力矩陀螺群自主重构方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种五棱锥构型控制力矩陀螺群自主重构方法，可应用于卫星控制力矩陀螺群姿态控制自主故障诊断与重构系统。

本发明提供的一种五棱锥构型控制力矩陀螺群自主重构方法包含如下步骤：

s1：当某一控制力矩陀螺故障或不工作时，将所述控制力矩陀螺的角动量回零；

s2：按照五棱锥控制力矩陀螺群构型计算控制力矩陀螺群合成的三轴角动量，得到第一角动量；

s3：根据故障和/或不工作的控制力矩陀螺编号(i＝1～6之间的某个值)设置矩阵的第i列全为0，按照s2的角动量计算方法可得到重构后(减少一个控制力矩陀螺)的三轴角动量，得到第二角动量；

s4：根据s3计算得到的第二角动量，按照鲁棒伪逆操纵律和零运动操纵律之和得到最终操纵律；

s5：根据s1中故障或不工作的控制力矩陀螺编号i设置重构后的操纵律系数值。

s6：五棱锥构型控制力矩陀螺群实行自主重构控制。

所述五棱锥构型控制力矩陀螺群自主重构方法可以实现五棱锥构型控制力矩陀螺群的自主重构。

进一步地，当某一控制力矩陀螺发生故障或不接入系统工作时，所述控制力矩陀螺的角动量回零是指通过给控制力矩陀螺断电和/或使得所述控制力矩陀螺的内框架转速回到零，使该控制力矩陀螺产生的角动量为零。

进一步地，所述s2步骤中第一角动量的算法为：

h＝(a*sδ+b*cδ)*hcmg(1)

其中，h＝[hx，hy，hz]，δ为控制力矩陀螺外框转角(δ＝[δ1，δ2，δ3，δ4，δ5，δ6])，hcmg为控制力矩陀螺角动量hcmg＝[h1，h2，h3，h4，h5，h6]。

cbt＝cos(63.43/180*pi)；

sbt＝sin(63.43/180*pi)；

cq＝cos(72/180*pi)；

sq＝sin(72/180*pi)；

cw＝cos(54/180*pi)；

sw＝sin(54/180*pi)；

sδ＝diag(sin(δ1)sin(δ2)sin(δ3)sin(δ4)sin(δ5)sin(δ6))

cδ＝diag(cos(δ1)cos(δ2)cos(δ3)cos(δ4)cos(δ5)cos(δ6))。

h＝(a*sδ+b*cδ)*hcmg(1)

进一步地，根据故障或不工作的控制力矩陀螺编号设置重构后的三轴角动量，得到第二角动量，所述第二角动力的获得方法包含：当第i台控制力矩陀螺切出系统不工作时，通过将a矩阵和b矩阵对应的第i列元素均置为零，sδ矩阵和所述cδ矩阵对应的第i个对角线元素置为零，使得a*sδ+b*cδ对应的第i列元素为零，随后代入第一角动量的算法，即代入公式(1)，得到第二角动量。该方法可以避免设置第i台的角动量为零，以便于下一步控制力矩陀螺群操纵律计算，避免出现除零计算。

进一步地，所述s4步骤最终操纵律的算法为：

其中，为控制力矩陀螺外框架转速；

为根据鲁棒伪逆操纵律得到的控制力矩陀螺指令转速；

为根据零运动操纵律得到的控制力矩陀螺指令转速；

具体地，所述的算法为：

所述的算法为：

其中，c＝a*cδ-b*sδ；

奇异度量d＝det(cc^t)；

det(.)表示对括号里的矩阵求行列式；

e是3×3的单位阵，./表示矢量的点除；

tc为控制力矩；

r为鲁棒伪逆操纵律系数；

en是6×6的单位阵；

k0＝[kback2inikback2inikback2inikback2inikback2inikback2ini]

knull为零运动操纵律系数；

k0为控制力矩陀螺外框转角目标系数对角矩阵；

kback2ini为控制力矩陀螺外框转角目标系数。

进一步地，所述s6控制力矩陀螺群实行自主重构控制包含以下步骤：

步骤一，当第i台控制力矩陀螺切出系统停止工作时，通过将所述a矩阵和所述b矩阵对应的第i列元素均置为零，所述sδ矩阵和所述cδ矩阵对应的第i个对角线元素置为零，使得c矩阵第i列对应元素均为零，从而使的第i个元素为零，即对应第i个控制力矩陀螺鲁棒伪逆操纵律外框架转速为零；

步骤二，当第i台控制力矩陀螺故障或不接入系统工作时，所述k0矩阵中的元素kback2ini设置成零；

步骤三，对应的第i个元素为零，得到第i个控制力矩陀螺零运动操纵律外框架转速为零。

通过以上步骤可以得到第i台控制力矩陀螺不接入系统工作时的角动量及操纵律分别如下：

合成角动量h＝(a*sδ+b*cδ)*hcmg，其中，a*sδ+b*cδ对应的第i列元素为零；

其中，c矩阵第i列对应元素均为零，k0矩阵中的元素kback2ini设置成零，对应的第i个元素为零。

进一步地，所述控制力矩陀螺操纵律重构方法对除所述第i台控制力矩陀螺之外的其余控制力矩陀螺的外框架转速指令计算无影响。

综上所述，本发明提供的五棱锥构型五棱锥构型控制力矩陀螺群自主重构方法控制灵活，可应用于卫星控制力矩陀螺群姿态控制自主故障诊断与重构系统，在某一台控制力矩陀螺故障或不接入系统工作，且控制力矩陀螺群执行能力足够的前提下，可自主实现重构控制，保持卫星三轴稳定姿态控制。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。