一种基于变速磁悬浮控制敏感陀螺的航天器姿态测控方法技术

本发明专利技术涉及一种基于变速磁悬浮控制敏感陀螺的航天器姿态测控方法，航天器在姿态机动中会受到高带宽微振动的影响。本发明专利技术基于变速磁悬浮控制敏感陀螺的测控一体能力，建立在轨变速磁悬浮控制敏感陀螺正方体加轴构型模型。在输出控制力矩的同时通过磁轴承电流解算出航天器三轴姿态信息；在此基础上，设计转子偏转和转速操纵律，使转子偏转输出高带宽振动抑制力矩，抑制高频微振动对航天器姿态机动的影响，转子转速变化输出低带宽姿控力矩，从而实现航天器姿态和高带宽振动的测控一体化。本发明专利技术属于新型惯性器件技术领域，可应用于变速磁悬浮控制敏感陀螺控制的航天器姿态测量控制一体化系统。一体化系统。一体化系统。

【技术实现步骤摘要】
一种基于变速磁悬浮控制敏感陀螺的航天器姿态测控方法


[0001]本专利技术涉及一种基于变速磁悬浮控制敏感陀螺的航天器姿态测控方法，适用于磁悬浮控制敏感陀螺控制的航天器姿态振动测量控制一体化系统。
技术背景
[0002]变速磁悬浮控制敏感陀螺是一种新型惯性器件，具有同时输出控制力矩和进行姿态振动测量的功能。传统的航天器姿控系统往往需要力矩输出装置和姿态敏感装置，不仅增加了硬件资源，而且由于控制和敏感不共位，会影响姿态控制的精度，也无法抑制高带宽的微振动。
[0003]本专利技术基于变速磁悬浮控制敏感陀螺的测控一体能力，建立在轨变速磁悬浮控制敏感陀螺正方体加轴构型模型；在此基础上，通过磁轴承电流解算出航天器三轴姿态信息；设计转子偏转和转速操纵律，使转子偏转输出高带宽微框架力矩，抑制高频微振动对航天器姿态机动的影响，转子转速变化输出姿控力矩，从而实现了航天器姿态和高带宽振动的测控一体化。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：为解决传统航天器姿控系统测量控制不共位引起的硬件资源增加和控制精度下降，无法抑制高带宽微振动的问题，提出了一种基于变速磁悬浮控制敏感陀螺的航天器姿态测量控制一体化方法。该方法通过使用变速磁悬浮控制敏感陀螺的合理构型，同时实现了姿态振动控制力矩的输出和航天器三轴姿态的高精度测量，从而提高了姿态控制的精度和速度，节约了硬件资源。
[0005]具体包括以下步骤：
[0006](1)在轨变速磁悬浮控制敏感陀螺正方体加轴构型模型
[0007]变速磁悬浮控制敏感陀螺正方体加轴构型由4个变速磁悬浮控制敏感陀螺和一个轴上安装的偏置动量轮组成；对于单个变速磁悬浮控制敏感陀螺，在其定子坐标系下，当转子相对于x轴偏转，其角动量为：
[0008][0009]其中h为转子角动量在定子坐标系的投影，J
x
为转子径向转动惯量，J
z
为转子轴向转动惯量，Ω为转子转速，α为转子相对于x轴偏转角，为转子相对于x轴偏转角速度，变速磁悬浮控制敏感陀螺正方体加轴构型的总角动量在航天器本体系中满足如下关系：
[0010][0011]其中，H代表构型的总角动量，h
n
代表第n个陀螺的角动量在陀螺坐标系的投影，C
n
代表第n个陀螺坐标系到航天器本体坐标系的转换矩阵,J
r
代表偏置动量轮的轴向转动惯
量，Ω
r
代表偏置动量轮的转速，则(2)式可以转化为：
[0012][0013]其中k＝0.707，Ω1、Ω2、Ω3、Ω4分别为1、2、3、4号变速磁悬浮控制敏感陀螺的转速，α1、α2、α3、α4分别为1、2、3、4号变速磁悬浮控制敏感陀螺的偏转角，分别为1、2、3、4号变速磁悬浮控制敏感陀螺的偏转角速度，则总角动量变化率可以表示为：
[0014][0015]其中分别为1、2、3、4号变速磁悬浮控制敏感陀螺的偏转角加速度；
[0016](2)通过磁轴承电流解算出航天器三轴姿态信息
[0017]由于磁轴承坐标系和转子坐标系相差45
°
，转子在磁轴承坐标系的动力学方程为：
[0018][0019]M代表转子受到的合外力矩，代表转子坐标系的绝对角速度在磁轴承坐标系的投影，H
g
，代表转子角动量及其变化率在磁轴承坐标系的投影，则有：
[0020][0021]其中δ
i
、θ
i
、φ
i
分别为航天器横滚、俯仰、偏航轴相对于惯性空间的角速度在第i个陀螺轴承坐标系的投影，代表第i个陀螺的偏转角速度，Ω
i
代表第i个陀螺的转速；
[0022]根据变速磁悬浮控制敏感陀螺径向磁轴承的力矩平衡原理，得到：
[0023][0024]其中M
x
、M
y
分别为航天器运动时等效加在径向磁轴承x轴、y轴线圈上的力矩，p
x
、p
y
分别为径向磁轴承磁沿x轴、y轴输出的力矩，n为线圈匝数，B为磁感应强度，L为线圈长度，l
m
代表径向磁轴承的定子半径，i
x
、 i
x
分别为径向磁轴承x轴、y轴线圈中的电流；
[0025]将式(6)和式(7)代入式(5)，可以得出对于陀螺1有：
[0026][0027]其中M
1x
、M
1y
分别为航天器运动时等效加在1号陀螺径向磁轴承x轴、 y轴线圈上的力矩，J
r
为转子径向转动惯量，ω
x
、ω
y
、ω
z
分别为航天器横滚、俯仰、偏航轴相对于惯性空间的角速度；
[0028]对于陀螺2有：
[0029][0030]其中M
1x
、M
1y
分别为航天器运动时等效加在2号陀螺径向磁轴承x轴、 y轴线圈上的力矩；
[0031]对于陀螺3有：
[0032][0033]其中M
1x
、M
1y
分别为航天器运动时等效加在3号陀螺径向磁轴承x轴、 y轴线圈上的力矩；
[0034]对于陀螺4有：
[0035][0036]其中M
1x
、M
1y
分别为航天器运动时等效加在4号陀螺径向磁轴承x轴、 y轴线圈上的力矩；
[0037]联立式(8)、(9)、(10)、(11)可得：
[0038][0039]将常量进行代换化简得：
[0040][0041]其中i
1x
、i
2x
、i
3x
、i
4x
分别为1、2、3、4号陀螺径向磁轴承x轴线圈的电流，i
1y
、i
3y
分别为1、3号陀螺径向磁轴承y轴线圈的电流；
[0042][0043]由于K
Ω1
K
Ω2
＞＞K
α1
K
α2
且Ω1+Ω3≠0，故由式(14)可以解得航天器三轴角速度：
[0044][0045]式(15)表示，变速磁悬浮控制敏感陀螺构型可以在输出力矩的同时进行航天器姿态测量；
[0046](3)设计转子偏转和转速操纵律
[0047]首先设计一阶互补滤波器，低通滤波器：
[0048]l＝ω
c
/(s+ω
c
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0049]高通滤波器：
[0050]h＝s/(s+ω
c
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0051]其中ω
c
为截止频率，则偏转和转速控制的雅各比矩阵分别为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变速磁悬浮控制敏感陀螺的航天器姿态测控方法，其特征在于：基于变速磁悬浮控制敏感陀螺动力学特性，建立在轨变速磁悬浮控制敏感陀螺正方体加轴构型模型；在此基础上，通过磁轴承电流解算出航天器三轴姿态信息；设计转子偏转和转速操纵律，使转子偏转输出高带宽微框架力矩，抑制高频微振动对航天器姿态机动的影响，转子转速变化输出低带宽姿控力矩，从而实现测控一体化，具体包括以下步骤：(1)在轨变速磁悬浮控制敏感陀螺正方体加轴构型模型变速磁悬浮控制敏感陀螺正方体加轴构型由4个变速磁悬浮控制敏感陀螺和一个轴上安装的偏置动量轮组成；对于单个变速磁悬浮控制敏感陀螺，在其定子坐标系下，当转子相对于x轴偏转，其角动量为：其中h为转子角动量在定子坐标系的投影，J
x
为转子径向转动惯量，J
z
为转子轴向转动惯量，Ω为转子转速，α为转子相对于x轴偏转角，为转子相对于x轴偏转角速度，变速磁悬浮控制敏感陀螺正方体加轴构型的总角动量在航天器本体系中满足如下关系：其中，H代表构型的总角动量，h
n
代表第n个陀螺的角动量在陀螺坐标系的投影，C
n
代表第n个陀螺坐标系到航天器本体坐标系的转换矩阵，J
r
代表偏置动量轮的轴向转动惯量，Ω
r
代表偏置动量轮的转速，(2)式可以转化为：其中k＝0.707，Ω1、Ω2、Ω3、Ω4分别为1、2、3、4号变速磁悬浮控制敏感陀螺的转速，α1、α2、α3、α4分别为1、2、3、4号变速磁悬浮控制敏感陀螺的偏转角，分别为1、2、3、4号变速磁悬浮控制敏感陀螺的偏转角速度，则构型总角动量变化率可以表示为：其中分别为1、2、3、4号变速磁悬浮控制敏感陀螺的偏转角加速度；(2)通过磁轴承电流解算出航天器三轴姿态信息由于磁轴承坐标系和转子坐标系相差45
°
，转子在磁轴承坐标系的动力学方程为：
M代表转子受到的合外力矩，代表转子坐标系的绝对角速度在磁轴承坐标系的投影，H
g
，代表转子角动量及其变化率在磁轴承坐标系的投影，则有：其中δ
i
、θ
i
、φ
i

【专利技术属性】
技术研发人员：任元，李磊，王卫杰，张激扬，尹增愿，于春淼，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：