一种基于磁悬浮控制力矩陀螺的航天器姿态角速率测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于磁悬浮控制力矩陀螺的姿态角速率测量方法，在实现航天器姿态控制的同时进行航天器姿态角速率测量。根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学模型；利用便于直接测量和计算的磁悬浮转子所受合外力矩以及航天器和框架静止时的磁悬浮转子偏转力矩，间接得到航天器和框架转动时对磁悬浮转子的作用力矩；根据惯量矩定理和姿态测量一体化原理，利用四棱锥执行机构中的磁悬浮控制力矩陀螺，给出了航天器的姿态角速率的解析表达式；本发明专利技术可以替代传统姿控系统的速率陀螺，减少姿控系统的体积重量。本发明专利技术属于航天控制技术领域，可应用于高精度航天器姿态控制与测量。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，在实现航天器姿态控制的同时进行航天器姿态角速率测量。根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学模型；利用便于直接测量和计算的磁悬浮转子所受合外力矩以及航天器和框架静止时的磁悬浮转子偏转力矩，间接得到航天器和框架转动时对磁悬浮转子的作用力矩；根据惯量矩定理和姿态测量一体化原理，利用四棱锥执行机构中的磁悬浮控制力矩陀螺，给出了航天器的姿态角速率的解析表达式；本专利技术可以替代传统姿控系统的速率陀螺，减少姿控系统的体积重量。本专利技术属于航天控制
，可应用于高精度航天器姿态控制与测量。【专利说明】
本专利技术涉及一种基于磁悬浮控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope-CMG)的态测量方法，适用于航天器的姿态测量。 技术背景 CMG是空间机动平台和空间站等大型航天器实现姿态控制的关键执行机构，磁悬浮CMG具有高转速、无接触、无摩擦、低功耗、长寿命、高可靠性、高控制精度等特点，凭借这些显著地优点磁悬浮CMG成为CMG的重要发展方向。 CMG主要由恒速运动的转子和框架伺服系统组成，通过转动框架实现转子角动量的强制改变，从而向外输出陀螺力矩，实现航天器的姿态控制。目前对航天器进行姿态检测主要是在航天器姿态控制系统中附加速率陀螺，通过速率陀螺来敏感航天器的姿态，进而实现对航天器姿态的闭环控制。 传统姿控系统的体积重量往往很大，且一旦速率陀螺发生故障，姿控系统便陷入瘫痪状态，此外由于检测装置与执行装置之间往往存在减震隔离装置，导致控制与检测不同步，不能实现较高精度的控制要求。为了解决这个问题，郑世强通过双框架磁悬浮CMG，将力矩执行和姿态测量结合起来，但此研究将测量和控制分时复用，磁悬浮CMG某一时刻只能工作在一种状态，测量和控制未能同时进行；刘彬提出了一种磁悬浮陀螺飞轮的设计方案，磁悬浮陀螺飞轮虽然控制和测量可以同时进行，但这种方法并没有得到三轴姿态角速率的解析表达式，不仅实用性不强，而且不便于从机理上分析姿态角速率与系统参数之间的关系。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是:为了克服现有航天器姿控系统由于检测和控制不共位导致的异位控制等问题，提出了一种基于磁悬浮控制力矩陀螺的姿态测量方法。该方法不仅可以实现测量和控制未能同时进行，而且可以得到三轴姿态角速率的解析表达式，为航天器的姿态控制提供了一种新的技术途径。 本专利技术的技术解决方案是:根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学方程；利用便于直接测量和计算的磁悬浮转子所受合外力矩以及航天器和框架静止时的磁悬浮转子所受力矩，间接得到航天器和框架转动时对磁悬浮转子的作用力矩；根据惯量矩定理和姿态测量一体化原理，利用四棱锥执行机构中的磁悬浮CMG，给出了航天器的姿态角速率的解析解。具体包括以下步骤: (I)根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学方程为: Mr =Hr +ω；κχΗΓ 其中， 【权利要求】1.，其特征在于:根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学方程；利用便于直接测量和计算的磁悬浮转子所受合外力矩以及航天器和框架静止时的磁悬浮转子偏转力矩，间接得到航天器和框架转动时对磁悬浮转子的作用力矩；根据惯量矩定理和姿态测量一体化原理，利用四棱锥执行机构中的磁悬浮控制力矩陀螺CMG，给出了航天器的姿态角速率的解析解，具体包括以下步骤: (1)根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学方程为:式中，Hlr表示在转子系下转子的角动量，I表示转子绕CMG参考坐标系旋转的转动惯量，I1?表示转子径向转动惯量，Iz表示转子轴向转动惯量，Ω1表示转子的绝对角速度，表示转子坐标系的绝对角速度，即相对于惯性空间的转速，K表示转子相对磁轴承的偏转速度，①Z为CMG参考系相对于惯性空间的速度，C；:为磁轴承坐标系到转子坐标系的变换矩阵，(?为框架坐标系到磁轴承坐标系的变换矩阵，C^ng为CMG参考系相对于框架坐标系的变换矩阵，j、6和0为CMG参考系相对于惯性空间的角速度，δ为从CMG参考坐标系到框架坐标系的旋转角度j为沿Xraog轴的框架角速率，P为星体投影到框架转轴的角速度； (2)建立转子力矩方程 根据测控一体化原理，转子所受合外力矩#在转子系下的表达式可分解为两部分:Mr =Mr0+Mrexl 又转子所受合外力矩也可以表示为: K=lm{fhy-fay)^ Mr1=Im^fm-fbx) 磁悬浮转子所受磁力可表示成如下线性形式:f λ = ki λ i λ +khλhλ (入=ax? ay，hx, by) 转子偏转力矩的表达式为:式中，kiA和khA ( λ = ax, ay, bx, by)分别表示磁悬浮转子的径向Ax、Ay、Bx和By通道的电流刚度和位移刚度；iax、ibx、iay和iby是四个径向通道的绕组电流，hax、hbx、hay和hby是磁悬浮转子分别在Ax、Bx、Ay和By方向上的线性位移量，Im表示从磁悬浮转子中心到径向磁轴承中心的距离。表示框架和星体静止时磁悬浮转子偏转力矩，表示框架、航天器转动引起的等效力矩。需要特别说明的是hax、hbx、hay、hby可以通过电涡流位移传感器测量，可以计算得到转子偏转力矩。在#的表达式中去掉并经过简化，可得出航天器、框架转动情况下等效加在转子的外部耦合力矩M二的表达式为:(3)简化运算磁悬浮转子外部耦合力矩 磁悬浮转子耦合力矩的径向分量表达式为:由于Martl、Mex,2的表达式比较复杂，令= Mexl' + ^extl，则通过简化解算得到磁悬浮转子的径向分量之和:(4)求解航天器姿态角速率解析解 通过四棱锥构型中的三个磁悬浮CMG可以得到关于Μ:,、Mraurl'的3个方程，得到航天器姿态角速率，7表达式为:【文档编号】G01C19/42GK104197907SQ201410379439【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日 【专利技术者】任元, 王平, 赵玉龙, 陈晓岑, 王卫杰, 王 华, 邵琼玲, 汪洲, 李新洪, 王盛军 申请人:中国人民解放军装备学院, 中国人民解放军63961部队本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁悬浮控制力矩陀螺的姿态角速率测量方法，其特征在于：根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学方程；利用便于直接测量和计算的磁悬浮转子所受合外力矩以及航天器和框架静止时的磁悬浮转子偏转力矩，间接得到航天器和框架转动时对磁悬浮转子的作用力矩；根据惯量矩定理和姿态测量一体化原理，利用四棱锥执行机构中的磁悬浮控制力矩陀螺CMG，给出了航天器的姿态角速率的解析解，具体包括以下步骤： (1)根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学方程为： 其中， 式中，Hr表示在转子系下转子的角动量，I表示转子绕CMG参考坐标系旋转的转动惯量，Ir表示转子径向转动惯量，Iz表示转子轴向转动惯量，Ωi表示转子的绝对角速度，表示转子坐标系的绝对角速度，即相对于惯性空间的转速，表示转子相对磁轴承的偏转速度，为CMG参考系相对于惯性空间的速度，为磁轴承坐标系到转子坐标系的变换矩阵，为框架坐标系到磁轴承坐标系的变换矩阵，为CMG参考系相对于框架坐标系的变换矩阵，和为CMG参考系相对于惯性空间的角速度，δ为从CMG 参考坐标系到框架坐标系的旋转角度，为沿Xcmg轴的框架角速率，为星体投影到框架转轴的角速度；(2)建立转子力矩方程 根据测控一体化原理，转子所受合外力矩Mr在转子系下的表达式可分解为两部分： 又转子所受合外力矩也可以表示为： 磁悬浮转子所受磁力可表示成如下线性形式： fλ＝kiλiλ+khλhλ(λ＝ax，ay，bx，by) 转子偏转力矩的表达式为： α＝(hay‑hby)/(2lm)，β＝(hax‑hbx)/(2lm) 式中，kiλ和khλ(λ＝ax，ay，bx，by)分别表示磁悬浮转子的径向Ax、Ay、Bx和By通道的电流刚度和位移刚度；iax、ibx、iay和iby是四个径向通道的绕组电流，hax、hbx、hay和hby是磁悬浮转子分别在Ax、Bx、Ay和By方向上的线性位移量，lm表示从磁悬浮转子中心到径向磁轴承中心的距离。表示框架和星体静止时磁悬浮转子偏转力矩，表示框架、航天器转动引起的等效力矩。需要特别说明的是hax、hbx、hay、hby可以通过电涡流位移传感器测量，可以计算得到转子偏转力矩在Mr的表达式中去掉并经过简化，可得出航天器、框架转动情况下等效加在转子的外部耦合力矩的表达式为：(3)简化运算磁悬浮转子外部耦合力矩 磁悬浮转子耦合力矩的径向分量表达式为： 由于的表达式比较复杂，令则通过简化解算得到磁悬浮转子的径向分量之和： (4)求解航天器姿态角速率解析解 通过四棱锥构型中的三个磁悬浮CMG可以得到关于的3个方程，得到航天器姿态角速率，表达式为：。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：任元，王平，赵玉龙，陈晓岑，王卫杰，王华，邵琼玲，汪洲，李新洪，王盛军，
申请(专利权)人：中国人民解放军装备学院，中国人民解放军六三九六一部队，
类型：发明
国别省市：北京;11