【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航天器控制领域，具体涉及一种航天器的姿态控制和角动量管理方法。
技术介绍
空间站作为大型复杂的航天器，其质量很大，受到的气动力矩强达10Nm，由此造成空间站的执行机构——控制力矩陀螺容易快速饱和而需要频繁卸载。如果采用磁力矩器进行卸载，则需要设计7KW的磁力矩器，目前这在工程上还无法实现。因此只能采用喷气卸载的方式，而喷气卸载会造成燃料的频繁消耗，影响空间站的在轨寿命。另外，长寿命的设计要求还需要空间站在进行姿态控制的同时进行必要的角动量管理。NASA在研制国际空间站期间，提出了基于内模原理的实时角动量管理方案，实现了对地定向空间站的本体系和轨道系的姿态控制和角动量管理。北京控制工程研究所在我国空间站预研期间也提出了基于内模原理的惯性系中角动量管理方法。目前对地定向空间站采用内模原理抑制常值和1到2倍轨道频率外扰时，是在整个闭环系统中串入需抑制的外扰内模，这就需要将系统扩到24维，并设计一个3×24维的线性二次型调节控制器，且只能应对常值、1倍以及2倍轨道角速度气动干扰力矩，一旦更高频率的干扰力矩产生作用，那么除非在系统中再串入对应于更高频率扰动的内模进一步对系统扩维重新设计控制器，否则将无法达到良好的控制目标，而维数的增加显然会进一步增加系统的复杂度以及运算量。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对对地定向模式下的空间站，提供了一种无需对系统扩维的姿态控制和角动量管理方法，同时能够抑制常值以及1倍到4倍轨道频率的气动力矩，实现姿态控制目标的同时维持控制力矩陀螺角动量不积累。本专利技术的技术解决方案是：一种对地定向...
【技术保护点】
一种对地定向空间站的姿态控制和角动量管理方法，其特征在于包括如下步骤：(1)运用基于极点配置的线性二次型调节器设计空间站无干扰情况下姿态控制和角动量管理的基本控制器K；(2)在空间站三轴姿态控制通道设计一个2阶的线性扩张状态观测器，并通过调试得到三轴各观测器的设计参数βi1,βi2，i＝x,y,z，其中x为滚动轴，y为俯仰轴，z为偏航轴；(3)利用星敏感器实时测量得到空间站本体相对轨道的姿态角θx θy θz，利用角速率陀螺实时测量得到空间站本体相对轨道的姿态角速度从空间站的三轴控制力矩陀螺实时获取其角动量hx hy hz；(4)根据步骤(2)设计的线性扩张状态观测器以及步骤(3)获取的不同时刻的空间站姿态信息，估计得到空间站三轴各自所受的外扰参数，并根据所述外扰参数计算得到各轴需补偿的干扰分量Δuxd Δuyd Δuzd，以及角动量管理通道需抵消的角动量分量Δhx Δhy Δhz；(5)利用如下控制器计算得到空间站三轴对应的控制力矩ux uy uz；控制器如下：u=-Kθθ·h-K00Δh+Bv-1-zxb-zyc-zzb]]>...
【技术特征摘要】
1.一种对地定向空间站的姿态控制和角动量管理方法，其特征在于包括如下步骤：(1)运用基于极点配置的线性二次型调节器设计空间站无干扰情况下姿态控制和角动量管理的基本控制器K；(2)在空间站三轴姿态控制通道设计一个2阶的线性扩张状态观测器，并通过调试得到三轴各观测器的设计参数βi1,βi2，i＝x,y,z，其中x为滚动轴，y为俯仰轴，z为偏航轴；(3)利用星敏感器实时测量得到空间站本体相对轨道的姿态角θx θy θz，利用角速率陀螺实时测量得到空间站本体相对轨道的姿态角速度从空间站的三轴控制力矩陀螺实时获取其角动量hx hy hz；(4)根据步骤(2)设计的线性扩张状态观测器以及步骤(3)获取的不同时刻的空间站姿态信息，估计得到空间站三轴各自所受的外扰参数，并根据所述外扰参数计算得到各轴需补偿的干扰分量Δuxd Δuyd Δuzd，以及角动量管理通道需抵消的角动量分量Δhx Δhy Δhz；(5)利用如下控制器计算得到空间站三轴对应的控制力矩ux uy uz；控制器如下： u = - K θ θ · h - K 0 0 Δ h + B v - 1 - z x b - z y c - z z b ]]>其中u＝[ux uy uz]T，θ＝[θx θy θz]T，h＝[hx hy hz]T，Δh＝[Δhx Δhy Δhz]T，2.根据权利要求1所述的一种对地定向空间站的姿态控制和角动量管理方法，其特征在于：所述步骤(1)中基本控制器K的设计方法如下：(11)输入系统矩阵输入矩阵获得矩阵A的维数n，获得矩阵B的列数m；其中Id3是3×3单位阵，空间站的固有惯量ωo为空间站的轨道角速率；(12)判断A是否满足相对稳定度:其中Re(λk(A))表示系统矩阵A的各特征根的实部；如果满足，则给Riccati方程的变量赋初值γ0＝1,j＝1,Aj＝A,P0＝0n,Q0＝0n；如果不满足，则令Q0＝0n,R＝Idm，其中0n为n阶零阵，Idm为m阶的单位阵，求解如下的Riccati方程得到P0； P 0 BR - 1 B T P 0 - P 0 ( A + ω o 2 Id n ) - ( A + ω o 2 Id n ) T P 0 - Q 0 = 0 n ]]>然后令γ0＝1,j＝1,Aj＝A-γ0BR-1BTP0，其中Idn为n阶的单位阵；(13)求解如下的Riccati方程得到QjQjBR-1BTQj-Qj(-Aj2)-(-Aj2)TQj＝0n；(14)令c＝0.5trace(BR-1BTQj)，trace为求解矩阵的迹；若c＝0则转入步骤(15)；否则求解下式得到PjPjBR-1BTPj-PjA-ATPj-Qj＝0n然后令a＝trace(BR-1BTPj),b＝trace(BR-1BTPjAj)，记Aj+1＝Aj-γjBR-1BTPj，j＝j+1，回到步骤(13)；(15)判断如果满足，则令Pj+1＝0,γj+1＝0；如果不满足，则求解如下Riccati方程得到Pj+1， P j + 1 BR - 1 B T P j + 1 - P j + 1 ( A j + ω o 2 Id n ) - ( A j + ω o 2 Id n ) T P j + 1 = 0 n ]]>然后令γj+1＝1,Aj+1＝Aj-γj+1BR-1BTPj+1；(16)计算得到3.根据权利要求1或2所述的一种对地定向空间站的姿态控制和角动量管理方法，其特征在于：所述步骤(2)中的扩张状态观测器为： e i 1 = z i 1 - y i z · i 1 = z i 2 - β i 1 · e i 1 + f i ( x a ) - b i u z · i 2 = - β i 2 · e i 1 ]]>其中系数βi1,βi2保证多项式s2+βi1s+βi2是Hurwitz的， f x ( x a ) = b x [ f 1 + f 2 ] f y ( x a ) = b y [ f 1 + f 2 ] f z ( x a ) = b z [ f 1 + f 2 ] ]]>且witotal为空间站三轴各自所受的外扰参数。4.根据权利要求3所述的一种对地定向空间站的姿态控制和角动量管理方法，其特征在于：所述步骤(4)中估计得到空间站三轴各自的外扰参数的方法为：(41)将各轴的理论外扰总和记为本体系中空间站三轴所受气动力矩为w＝[wx wy wz]T，然后将witotal分解为如下形式表达，witotal＝bi0+bi1sin(ωot)+bi2sin(2ωot)+bi3sin(3ωot)+bi4sin(4ωot)，bi0为常值分量，后续为轨道频率倍数的谐波分量，定义(42)利用观测器在线运行得到t(k),t(k+1),t(k+2),t(k+3),t(k+4)时刻对应的气动干扰力矩zi2[t(k)]zi2[t(k+1)]zi2[t(k+2)]zi2[t(k+3)]zi2[t(k+4)]，运用下式得到气动力矩参数的估计值， b ^ i 0 b ^ i 1 b ^ i 2 b ^ i 3 b ^ i 4 = 1 sin [ ω o t ( k ) ] sin [ 2 ω o t ( k ) ] sin [ 3 ω o t ( k ) ] sin [ 4 ω o t ( k ) ] 1 sin [ ω o t ( k + 1 ) ] ...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘萍，孙振东，
申请(专利权)人：中国科学院数学与系统科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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