[发明专利]基于力矩输出能力最优的单框架控制力矩陀螺操纵方法

说明书

技术领域

本发明涉及敏捷卫星姿态控制领域，具体涉及单框架控制力矩陀螺群的高精度力矩输出和有效奇异回避的操纵方法。

背景技术

随着航天事业的发展，人们对未来对地观测卫星的对地拍照精度要求越来越高。高精度的对地拍照分辨率意味着相对较小的视场孔径角，而要想实现对敏感区域大范围的拍照就要求卫星具有快速的机动能力，也就要求卫星姿态控制系统能够提供足够大的控制力矩。而迄今为止能够提供大力矩的姿态控制执行机构主要有控制力矩陀螺(Control Moment Gyros，以下简称CMG)和喷气推力器两种。与喷气推力器相比，CMG既具有力矩放大能力，能够提供更大的控制力矩，又能精确连续地输出力矩，并且不消耗燃料，不污染光学设备和飞行环境。另外，控制力矩陀螺由于转子恒速转动，与变速反作用轮相比，将会抑制星体的微小振颤，这将有助于提高星体的指向精度与稳定精度。因此，对于快速机动的敏捷卫星来说，CMG是首选的姿态控制执行机构。美国2007年发射的WorldView-1卫星，2009年发射的WorldView-2卫星及法国正计划于2010年底发射的Pleiades-HR卫星都采用CMG作为姿态执行机构。其中，Pleiades卫星能够在25s内沿滚动轴机动60°，指向精度可以达到±0.03°，这对于传统的采用反作用飞轮作为姿态执行机构的卫星来说是不可想象的。

虽然CMG具有以上诸多优点，但是CMG系统存在着严重的奇异问题，使其在某些框架角构型上无法产生期望力矩，这给CMG操纵律的研究和设计带来了极大困难，也进一步影响了CMG在航天器上的应用。所谓奇异是指：在某些框架角构型上，无论整个CMG系统如何运动，都无法产生沿某一方向上的力矩，该方向称为奇异方向，此时整个姿态控制系统丧失了三轴姿态控制能力。控制力矩陀螺操纵律的任务是根据CMG系统当前的框架角和由控制系统给出的期望控制力矩，合理分配每个控制力矩陀螺的框架角速度大小，使得整个系统输出的力矩与控制系统的期望力矩一致，同时有效地回避奇异状态。因此，采用CMG的卫星姿态控制系统的设计首先必须设计出能够有效地回避奇异状态、精确输出期望力矩的操纵律。

三十多年以来，人们针对如何回避CMG系统的奇异问题，进行了大量研究。1978年，Margulies和Aubrun采用微分几何和拓扑学的方法详细分析了CMG系统奇异面的几何特性和零运动的构建等问题。然而，SGCMG系统内部存在着零运动不存在的椭圆奇异面，使得零运动算法无法有效回避奇异。1990年，Bedrossian指出了脱离奇异面必须要满足两个条件：首先，在该奇异面处零运动存在；其次，通过零运动，能够改变Jacobian矩阵的秩，并且利用Binet-Cauchy定理给出了判断这两个问题的解存在的充分条件。Bedrossian还将Nakamura应用在机械臂操纵上的奇异鲁棒操纵律应用到SGCMG操纵上。该操纵律能够以带来力矩误差的代价逃离某些奇异面，但是当期望力矩与奇异方向平行时，奇异鲁棒操纵律输出的框架角速度为0，整个系统始终停留在奇异面处，无法逃离奇异面，这称之为“框架锁定”现象。“框架锁定”现象严重影响着奇异鲁棒操纵律的应用。1991年，Paradiso基于A星启发式智能搜索算法提出了能够全局回避奇异的全局奇异避免操纵律。该操纵律根据期望角动量轨迹，在每个节点合理选择零运动大小来实现能够全局回避奇异的最优框架角轨迹。然而，全局操纵律在每个节点处都要进行零运动选择与轨迹预测比较，计算极其复杂，只适合离线计算，实时控制性能无法得到保证。2000年，Ford根据奇异值分解理论提出了奇异方向避免操纵律。该操纵律与鲁棒伪逆操纵律相比，只在一个方向上引入了力矩误差来逃避奇异面，提高了控制精度，但是“框架锁定”问题仍未得到有效解决。2001年，Wie在奇异鲁棒操纵律的基础上提出了广义鲁棒操纵律。广义鲁棒操纵律通过引入非对角加权矩阵项来顺利通过系统内部奇异面，同时有效避免“框架锁定”问题，但是对外部饱和奇异无法通过。2005年，Wie基于最小二乘方理论和扰动矩阵理论提出了非对角奇异鲁棒操纵律。该操纵律在奇异面附近，能够产生幅值不断增加的周期性扰动信号，以引入力矩误差为代价，不但可以逃离外部饱和奇异，对内部椭圆奇异面也能顺利逃离。然而，非对角奇异鲁棒操纵律在逃逸奇异面时会引入较大的力矩误差，姿态控制精度无法得到保证，而且对控制系统的鲁棒性能要求很高。