末子级留轨应用子系统姿态控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种末子级留轨应用子系统姿态控制方法，包括：当末子级留轨应用子系统在速率阻尼阶段，姿态控制器采用Minus B‑dot磁控律，利用三轴磁力矩器作为执行机构施加控制磁矩来阻尼末子级留轨应用子系统的俯仰轴、滚动轴、偏向轴的角速度，对末子级留轨应用子系统进行消旋处理；当末子级留轨应用子系统在稳态控制阶段，姿态控制器在俯仰回路采用带有时滞补偿的PD控制律，利用偏置动量轮和三轴磁力矩器作为执行机构施加控制磁矩来完成俯仰回路的姿态控制，滚动/偏航回路采用滑模控制器设计。本发明专利技术解决了末子级留轨应用子系统的对日定向问题，同时消除时滞的影响，提高了末子级留轨应用子系统的姿态控制精度。

Attitude Control Method of the Application Subsystem of the Last Stage Retaining Track

The invention discloses an attitude control method for the application subsystem of the last-stage retained rail, which includes: when the application subsystem of the last-stage retained rail is in the rate damping stage, the attitude controller adopts Minus B dot magnetron law, applies control magnetic moment as an actuator to damp the angular velocities of the pitching, rolling and deflection axes of the application subsystem of the last-stage retained rail, and damps the angular velocities of the pitching, rolling and deflection axes of the application subsystem of the last-stage retained When the last subsystem is in the steady state control stage, the attitude controller adopts the PD control law with time delay compensation in the pitch loop, uses the biased momentum wheel and three-axis magnetometer as the actuator to apply the control magnetic moment to complete the attitude control of the pitch loop, and the rolling/yawing loop adopts the sliding mode controller design. The invention solves the problem of sun orientation of the application subsystem of the last sub-level rail retention, eliminates the influence of time delay, and improves the attitude control accuracy of the application subsystem of the last sub-level rail retention.

【技术实现步骤摘要】
末子级留轨应用子系统姿态控制方法
本专利技术属于航天器控制
，涉及一种姿态控制方法，尤其涉及一种末子级留轨应用子系统姿态控制方法。
技术介绍
以往各国每一次火箭发射后，随着一级火箭、二级火箭以及整流罩的脱落并返回地面，火箭末子级会随它的有效载荷一同进入轨道，并长期在太空中占据宝贵的轨道资源，对在轨空间飞行器造成安全威胁，是目前体量最大的太空垃圾。利用运载火箭末子级留轨阶段搭载测量系统，将原本的火箭末子级改造成低成本的科学实验和通信平台，可以实现变废为宝。传统的航天飞行器，姿态可控，通过控制飞行器太阳能帆板对日定向稳定地获取能源。然而对于火箭末子级来说，在空间中其姿态是在不断自旋并伴随一定章动，且传感器采集信号的过程、控制器的计算处理过程和执行机构的作动过程都会产生时滞，给测控系统和能源系统的设计带来了难度，难以实现对日定向，不能得到有效可控的数据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种末子级留轨应用子系统姿态控制方法，以解决上述技术背景中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种末子级留轨应用子系统姿态控制方法，包括：末子级留轨应用子系统进入任务设定轨道后，在姿态控制器内预存有所述末子级留轨应用子系统的姿态角速率的设置阈值，当所述姿态角速率大于所述姿态控制器内的设置阈值，启动速率阻尼阶段，对所述末子级留轨应用子系统进行消旋处理；当所述姿态角速率小于等于所述姿态控制器内的设置阈值，所述末子级留轨应用子系统进入对地定向的稳态控制阶段；其中，在所述速率阻尼阶段，所述姿态控制器采用MinusB-dot磁控律，利用三轴磁力矩器作为执行机构施加控制磁矩来阻尼所述末子级留轨应用子系统的俯仰轴、滚动轴、偏向轴的角速度，实现速率阻尼阶段的姿态控制；其中，在所述稳态控制阶段，所述姿态控制器在俯仰回路采用带有时滞补偿的PD控制律，利用偏置动量轮和所述三轴磁力矩器作为执行机构施加控制磁矩来完成俯仰回路的姿态控制，同时消除时滞的影响；所述姿态控制器在滚动回路和偏置回路采用滑模控制律设计切换函数和变结构控制规律，构造所述末子级留轨应用子系统的滚动回路和偏航回路的控制指令。优选地，所述三轴磁力矩器的一种实现结构包括：三根独立的性能相同的磁棒，三根磁棒分别沿所述末子级留轨测量子系统的X、Y、Z三轴安装。优选地，所述三轴磁力矩器作为执行机构施加的一种控制磁矩为：即，其中，M为三轴磁力矩器施加的控制磁矩，X、Y、Z三方向分别为[MxMyMz]；为所述末子级留轨应用子系统本体系下的磁场矢量的变化率，X、Y、Z三方向为[BbxBbyBbz]，分别由磁强计的测量值进行差分处理后获得；K为控制增益系数，X、Y、Z三方向为k1、k2、k3。优选地，所述偏置动量轮安装于所述俯仰轴的负方向。优选地，所述末子级留轨应用子系统姿态控制方法，还包括：选定姿态敏感器，对所述末子级留轨应用子系统的姿态信息进行测量；根据所述姿态敏感器的测量数据，选用姿态确定算法进行姿态确定。更优选地，所述姿态确定算法包括：当所述末子级留轨应用子系统工作在速率阻尼阶段时，所述姿态确定算法选用、但不限于双矢量定姿算法、单磁矢量定姿算法中的一种或几种；当所述末子级留轨应用子系统工作在稳态控制阶段时，所述姿态确定算法选用、但不限于扩展卡尔曼滤波法、单磁矢量定姿算法中的一种或几种。更优选地，所述姿态敏感器包括、但不限于太阳敏感器、三轴磁力矩器、磁强计、陀螺中的一种或几种。优选地，所述末子级留轨应用子系统姿态控制方法，还包括：步骤1：采用欧拉角方式，建立姿态运动学模型为式(1)，ω为末子级留轨应用子系统的惯性角速度在本体坐标系下的分量列阵；ωx、ωy、ωz为末子级留轨应用子系统的三轴惯性角速度；为三轴姿态角速度，即分别为滚动姿态角速度、俯仰姿态角速度和偏航姿态角速度；θ、ψ为三轴姿态角，即分别为滚动姿态角、俯仰姿态角和偏航姿态角；ωo为轨道角速度；步骤2：忽略挠性因素的影响，建立所述末子级留轨应用子系统的姿态动力学模型为式(2)中，I为末子级留轨应用子系统的惯性矩阵；ω为末子级留轨应用子系统的惯性角速度在本体坐标系下的分量列阵；为惯性角速度的微分；h为偏置动量轮的角动量，在本体三轴上的分量为h＝[hxhyhz]T；Tc为控制力矩，Td为干扰力矩；步骤3：当所述末子级留轨应用子系统工作在稳态控制阶段，三轴姿态角速度为小角度(小于等于30°)时，简化所述姿态运动学模型为采用体系Y方向固定转速的偏置动量轮配置，简化所述姿态动力学模型为已知ωo为小量，式(4)进一步简化为式(4)和式(5)中，Ix、Iy、Iz为末子级留轨应用子系统的三轴惯性矩阵；为三轴姿态角加速度，即分别为滚动姿态角加速度、俯仰姿态角加速度和偏航姿态角加速度；hx、hy、hz为偏置动量轮的角动量h在三轴上的分量；Tx、Ty、Tz为为控制力矩Tc在三轴上的分量；其中，俯仰回路与滚动回路、偏航回路解耦。优选地，在所述稳态控制阶段，所述姿态控制器在俯仰回路采用带有Smith时滞补偿的PD控制律，通过对基于PD控制律的姿态控制器并接一个Smith预估器，完成俯仰回路的姿态控制，包括：所述姿态控制器的传递函数为D(s)，被控对象即所述执行机构的传递函数为Do(s)e-τs，τ为纯滞后时间常数，s为时间变量；被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为Do(s)，被控对象纯滞后部分的传递函数为e-τs；由所述姿态控制器D(s)和Smith预估器组成的补偿回路成为纯滞后补偿器，所述纯滞后补偿器的传递函数D’(s)为经补偿后，系统的闭环传递函数Φ’(s)为与之相比，未补偿的系统的闭环传递函数Φ(s)为经过时滞补偿后，式(7)中的e-τs在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性。优选地，在所述稳态控制阶段，所述姿态控制器在俯仰回路采用带有Dalin时滞补偿的PD控制律，完成俯仰回路的姿态控制。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益效果：一种末子级留轨应用子系统姿态控制方法，利用偏置动量轮和三轴磁力矩器作为执行机构施加控制磁矩来完成姿态控制。小姿态角下俯仰回路可以单独设计，采用带有时滞补偿的PD控制律；滚动/偏航回路采用滑模控制器设计，从而解决了末子级留轨应用子系统的对日定向问题，同时消除时滞的影响，提高了所述末子级留轨应用子系统的姿态控制精度，有利于遥感卫星的对地成像与数据通信。附图说明构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的一种末子级留轨应用子系统的系统结构示意图；图2是典型的姿态控制回路结构原理图；图3是本专利技术优选实施例的末子级留轨应用子系统姿态控制方法的流程图；图4是Smith预估器的姿态控制回路结构原理图；图5是速率阻尼阶段中末子级留轨应用子系统X轴旋转角速度变化曲线图；图6是速率阻尼阶段中末子级留轨应用子系统Y轴旋转角速度变化曲线图；图7是速率阻尼阶段中末子级留轨应用子系统Z轴旋转角速度变化曲线图；图8是速率阻尼阶段中末子级留轨应用子系统偏航角变化曲线图；图9是速率阻尼阶段中末子级留轨应用子系统滚动角变化曲线图；图10是速率阻尼阶段中末子级留轨应用子系统俯仰角变化曲线图；图11是速率阻尼阶段中末子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种末子级留轨应用子系统姿态控制方法，其特征在于，包括：末子级留轨应用子系统进入任务设定轨道后，在姿态控制器内预存有所述末子级留轨应用子系统的姿态角速率的设置阈值，当所述姿态角速率大于所述姿态控制器内的设置阈值，启动速率阻尼阶段，对所述末子级留轨应用子系统进行消旋处理；当所述姿态角速率小于等于所述姿态控制器内的设置阈值，所述末子级留轨应用子系统进入对地定向的稳态控制阶段；其中，在所述速率阻尼阶段，所述姿态控制器采用Minus B‑dot磁控律，利用三轴磁力矩器作为执行机构施加控制磁矩来阻尼所述末子级留轨应用子系统的俯仰轴、滚动轴、偏向轴的角速度，实现速率阻尼阶段的姿态控制；其中，在所述稳态控制阶段，所述姿态控制器在俯仰回路采用带有时滞补偿的PD控制律，利用偏置动量轮和所述三轴磁力矩器作为执行机构施加控制磁矩来完成俯仰回路的姿态控制，同时消除时滞的影响；所述姿态控制器在滚动回路和偏置回路采用滑模控制律设计切换函数和变结构控制规律，构造所述末子级留轨应用子系统的滚动回路和偏航回路的控制指令。

【技术特征摘要】
1.一种末子级留轨应用子系统姿态控制方法，其特征在于，包括：末子级留轨应用子系统进入任务设定轨道后，在姿态控制器内预存有所述末子级留轨应用子系统的姿态角速率的设置阈值，当所述姿态角速率大于所述姿态控制器内的设置阈值，启动速率阻尼阶段，对所述末子级留轨应用子系统进行消旋处理；当所述姿态角速率小于等于所述姿态控制器内的设置阈值，所述末子级留轨应用子系统进入对地定向的稳态控制阶段；其中，在所述速率阻尼阶段，所述姿态控制器采用MinusB-dot磁控律，利用三轴磁力矩器作为执行机构施加控制磁矩来阻尼所述末子级留轨应用子系统的俯仰轴、滚动轴、偏向轴的角速度，实现速率阻尼阶段的姿态控制；其中，在所述稳态控制阶段，所述姿态控制器在俯仰回路采用带有时滞补偿的PD控制律，利用偏置动量轮和所述三轴磁力矩器作为执行机构施加控制磁矩来完成俯仰回路的姿态控制，同时消除时滞的影响；所述姿态控制器在滚动回路和偏置回路采用滑模控制律设计切换函数和变结构控制规律，构造所述末子级留轨应用子系统的滚动回路和偏航回路的控制指令。2.根据权利要求1所述的末子级留轨应用子系统姿态控制方法，其特征在于：所述三轴磁力矩器的一种实现结构包括三根独立的性能相同的磁棒，三根磁棒分别沿所述末子级留轨测量子系统的X、Y、Z三轴安装。3.根据权利要求1所述的末子级留轨应用子系统姿态控制方法，其特征在于，所述三轴磁力矩器作为执行机构施加的一种控制磁矩为：即，其中，M为三轴磁力矩器施加的控制磁矩，X、Y、Z三方向分别为[MxMyMz]；为所述末子级留轨应用子系统本体系下的磁场矢量的变化率，X、Y、Z三方向为[BbxBbyBbz]，分别由磁强计的测量值进行差分处理后获得；K为控制增益系数，X、Y、Z三方向为k1、k2、k3。4.根据权利要求1所述的末子级留轨应用子系统姿态控制方法，其特征在于：所述偏置动量轮安装于所述俯仰轴的负方向。5.根据权利要求1所述的末子级留轨应用子系统姿态控制方法，其特征在于，所述一种末子级留轨应用子系统姿态控制方法，还包括：选定姿态敏感器，对所述末子级留轨应用子系统的姿态信息进行测量；根据所述姿态敏感器的测量数据，选用姿态确定算法进行姿态确定。6.根据权利要求5所述的末子级留轨应用子系统姿态控制方法，其特征在于，所述姿态确定算法包括：当所述末子级留轨应用子系统工作在速率阻尼阶段时，所述姿态确定算法选用、但不限于双矢量定姿算法、单磁矢量定姿算法中的一种或几种；当所述末子级留轨应用子系统工作在稳态控制阶段时，所述姿态确定算法选用、但不限于扩展卡尔曼滤波法、单磁矢量定姿算法中的一种或几种。7.根据权利要求5所述的末子级留轨应用子系统姿态控制方法，其特征在于：所述姿态敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾占魁，郑琦，邹旭，蒋丽丽，青志能，吴俊杰，魏然，江炜，万玉柱，
申请(专利权)人：上海埃依斯航天科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31