使用本征向量、非线性动态逆和前馈控制的卫星姿态控制系统技术方案

描述了用于卫星控制系统的系统和方法，该系统和方法通过实现与本征向量外部回路控制算法耦合的非线性动态逆内部回路控制算法来表现出改进的稳定性和提高的效率。因此，姿态确定和控制系统(ADACS)可以使用命令来操作以直接绕本征向量旋转。另外，外部回路控制系统包括前馈控制元件以增强跟踪移动目标时的指向准确度。

Satellite attitude control system using eigenvector, nonlinear dynamic inverse and feedforward control

【技术实现步骤摘要】
使用本征向量、非线性动态逆和前馈控制的卫星姿态控制系统
本专利技术总体上涉及对卫星进行定向，并且更具体地涉及使用本征向量旋转和非线性动态逆对卫星进行定向。
技术介绍
用于对卫星进行定向的各种系统和过程在本领域中是已知的。可以通过被称为姿态确定和控制系统(ADACS)的系统来控制卫星。例如，ADACS系统可以使用反作用轮来控制卫星的姿态或定向，该反作用轮根据在卫星内的计算机上执行的软件算法进行旋转。在一些情况下，卫星反作用轮系统可由高度非线性的动力学表征。一些控制算法依赖于线性控制技术，诸如比例积分微分(PID)控制来控制卫星的姿态。应用于非线性系统的线性控制系统可能会出现振荡、超调和甚至不稳定。此外，一些ADACS系统以类似于偏航、俯仰和横滚顺序的方式对指向命令做出响应。这种操纵方法在能量使用和时间方面可能效率低下。
技术实现思路
描述了一种使用本征向量旋转和非线性动态逆对卫星进行定向的方法。该方法可以包括以处理装置应用卫星定向控制系统，该卫星定向控制系统包括双反馈回路系统，其中第一回路执行以确定本征向量以将卫星从一个定向旋转到另一个定向，以及第二回路，其接收第一回路的本征向量作为输入，并执行非线性动态逆算法以将信号输出到卫星的至少一个反作用轮，响应于输出信号旋转至少一个反作用轮，以及基于至少一个反作用轮的旋转对卫星进行定向。描述了用于使用本征向量旋转和非线性动态逆对卫星进行定向的设备。该设备可以包括存储器；与该存储器通信并且被配置为应用卫星定向控制系统的处理器装置，该卫星控制系统包括双反馈回路系统，其中第一回路执行以确定本征向量以使卫星从一个定向旋转到另一个定向，以及第二回路，其接收第一回路的本征向量作为输入，并执行非线性动态逆算法以将信号输出到卫星的至少一个反作用轮；以及响应于输出信号旋转至少一个反作用轮；以及基于至少一个反作用轮的旋转对卫星进行定向。描述了一种非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质存储了用于使用本征向量旋转和非线性动态逆对卫星进行定向的代码。在一些示例中，代码包括可由处理器执行的指令：确定本征向量以将卫星从一个定向旋转到另一个定向，执行非线性动态逆算法以将信号输出到卫星的至少一个反作用轮，响应于输出信号旋转至少一个反作用轮，以及基于至少一个反作用轮的旋转对卫星进行定向。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第一回路进一步包括接收卫星的期望定向和卫星的估计定向作为输入。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第一回路进一步包括基于卫星的估计定向和卫星的期望定向来执行卫星定向误差命令。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，本征向量命令执行以将卫星定向误差命令分解为标量分量和向量分量。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第一回路进一步包括前馈控制系统。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，前馈控制系统控制至少一个反作用轮的旋转与指向目标之间的定时误差。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，前馈控制系统考虑与卫星相关联的跟踪盘形天线、天线、相机、机械臂和太阳能电池阵列的运动。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，前馈控制系统进一步包括接收期望的定向作为输入。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第二回路进一步包括接收从第一回路确定的本征向量作为输入。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第二回路进一步包括从与卫星相关联的导航系统接收测量的卫星旋转速率。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第二回路进一步包括从与卫星相关联的旋转轮转速计接收至少一个反作用轮的测量反作用轮速度。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第二回路进一步包括确定至少一个反作用轮的期望旋转加速度。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第二回路进一步包括接收至少一个反作用轮的质量惯性矩张量、至少一个反作用轮的旋转轴向量，以及卫星的质量惯性矩张量。附图说明图1示出了根据本公开的方面的卫星的示例。图2示出了根据本公开的方面的具有动态逆的姿态控制系统的示例。图3示出了根据本公开的方面的图2的姿态控制系统的外部回路的示例。图4示出了根据本公开的方面的图2的姿态控制系统的内部回路的示例。图5示出了根据本公开的方面的用于对卫星进行定向的过程的示例。图6示出了根据本公开的方面的姿态控制系统响应图的示例。具体实施方式下面的描述不是限制性的，而仅仅是出于描述示例性实施例的一般原理的目的。本专利技术的范围应该参考权利要求来确定。在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本专利技术的至少一个实施例中。因此，在整个该说明书中的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言的出现可以但并非必须全部指代相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合本专利技术的所描述的特征、结构或特性。在以下描述中，提供了许多特定的细节，诸如编程、软件模块、用户选择、网络事务、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等的示例，以提供对本专利技术的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有特定细节中的一个或多个的情况下，或者在具有其他方法、部件、材料等的情况下实践本专利技术。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使本专利技术的方面不清楚。本公开提供了一种卫星控制系统，该卫星控制系统通过实现与本征向量外部回路控制算法耦合的非线性动态逆内部回路控制算法来表现出改进的稳定性和提高的效率。因此，姿态确定和控制系统(ADACS)系统可以使用命令来操作以直接绕本征向量旋转(即，从一种定向直接转到另一种定向)。此外，外部回路控制系统还增加了前馈控制元件以增强跟踪移动目标时的指向精度。图1示出了根据本公开的方面的卫星100的示例。卫星100可以包括指向命令生成器105、导航系统110、反作用轮115，反作用轮转速计120和姿态控制系统125(其也可以称为卫星控制系统)。姿态控制系统125可以提供在广泛的操作模式和在轨条件下的稳定性和健壮性；对姿态命令的平稳、快速和准确的控制系统响应；节能操作以最大化电池寿命；控制系统125易于设置；以及将控制系统125的用途扩展到大型和复杂卫星100的能力。系统125通过实施本征向量外部回路控制算法以及非线性动态逆内部回路控制算法来实现这些结果。这些结果表示对现有卫星100控制技术的改进，但是它们不是本系统的特征或优点的完整列表。首先，姿态控制系统125的外部回路利用本征向量外部回路控制算法。也就是说，在卫星100姿态的任何两个定向之间，存在称为本征向量的旋转轴，该旋转轴将卫星100直接从一个定向引导到另一个定向。通过沿该轴旋转，完成姿态操纵所需的时间和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星定向控制的方法，所述方法包括：/n以处理装置应用卫星定向控制系统，所述卫星定向控制系统包括双反馈回路系统，其中：/n第一回路执行以确定本征向量以将所述卫星从一个定向旋转到另一个定向，以及/n第二回路，其接收第一回路的本征向量作为输入，并执行非线性动态逆算法以将信号输出到卫星的至少一个反作用轮；/n响应于输出信号旋转所述至少一个反作用轮；以及/n基于所述至少一个反作用轮的所述旋转对所述卫星进行定向。/n

【技术特征摘要】
20181025 US 16/170,1571.一种卫星定向控制的方法，所述方法包括：
以处理装置应用卫星定向控制系统，所述卫星定向控制系统包括双反馈回路系统，其中：
第一回路执行以确定本征向量以将所述卫星从一个定向旋转到另一个定向，以及
第二回路，其接收第一回路的本征向量作为输入，并执行非线性动态逆算法以将信号输出到卫星的至少一个反作用轮；
响应于输出信号旋转所述至少一个反作用轮；以及
基于所述至少一个反作用轮的所述旋转对所述卫星进行定向。


2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第一回路进一步包括接收所述卫星的期望定向和所述卫星的估计定向作为输入。


3.根据权利要求2所述的方法，其中：
所述第一回路进一步包括基于所述卫星的所述估计定向和卫星的所述期望定向来执行卫星定向误差命令。


4.根据权利要求3所述的方法，其中：
所述本征向量命令执行以将所述卫星定向误差命令分解为标量分量和向量分量。


5.根据权利要求2所述的方法，其中：
所述第一回路进一步包括前馈控制系统。


6.根据权利要求5所述的方法，其中：
所述前馈控制系统控制所述至少一个反作用轮的旋转与指向目标之间的定时误差。


7.根据权利要求5所述的方法，其中：
所述前馈控制系统考虑与所述卫星相关联的跟踪盘形天线、天线、相机、机械臂和太阳能电池阵列的运动。


8.根据权利要求5所述的方法，其中：
所述前馈控制系统进一步包括接收所述期望定向作为输入。


9.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第二回路进一步包括接收从所述第一回路确定的所述本征向量作为输入。


10.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述第二回路进一步包括从与所述卫星相关联的导航系统接收测量的卫星旋转速率。


11.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述第二回路进一步包括从与所述卫星相关联的旋转轮转速计接收所述至少一个反作用轮的测量的反作用轮速度。


12.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述第二回路进一步包括确定所述至少一个反作用轮的期望旋转加速度。


13.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述第二回路进一步包括接收至少一个反作用轮的质量惯性矩张量、至少一个反作用轮的旋转轴向量和所述卫星的质量惯性矩张量。


14.一种用于卫星定向控制的设备，包括：
存储器；
与所述存储器通信并配置为执行以下操作的处理器装置：
应用卫星定向控制系统，所述卫星控制系统包括：
双反馈回路系统，其中第一回路执行以确定本征向量以将所述卫星从一个定向旋转到另一个定向，和第二回路，其接收所述第一回路的所述本征向量作为输入并执行非线性动态逆算法以向所述卫星的至少一个反作用轮输出信号；以及
响应于所述输出信号旋转所述至少一个反作用轮；以及
基于所述至少一个反作用轮的所述旋转对所述卫星进行定向。


15.根据权利要求14所述的设备，其中：
所述第一回路进一步包括接收所述卫星的期望定向和所述卫星的估计定向作为输入。


16.根据权利要求15所述的设备，其中：
所述第一回路进一步包括基于所述卫星的所述估计定向和卫星的所述期望定向来执行卫星定向误差命令。


17.根据权利要求16所述的设备，其中：
所述本征向量命令执行以将所述卫星定向误差命令分解为标量分量和向量分量。


18.根据权利要求15所述的设备，其中：
所述第一回路进一步包括前馈控制系统。


19.根据权利要求18所述的设备，其中：
所述前馈控制系统控制所述至少一个反作用轮的旋转与指向目标之间的定时误差。

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·本顿·德里克二世，
申请(专利权)人：通用原子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US