[发明专利]一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法，可以在只有两轴控制力矩输出的情况下实现三轴姿态的稳定控制，可应用于欠驱动航天器的姿态控制。

背景技术

在航天器的常规的控制系统中，通常希望系统输入输出的维数是相等的，以达到相应的控制目的及性能要求。但是，对原来需要用若干控制输入控制的系统，能否只用较少的输入达到同样预期的控制效果呢？如果可行，则将提高系统的可靠性，甚至降低系统的费用及重量。正是出于这一考虑，为人们研究开发新型的控制系统提供了新的思路。

系统位形空间的维数与系统控制输入维数相同的系统称为全驱动系统，即针对不同的位形状态，均有与之相对应的控制器对其进行控制，以实现一一对应的控制关系；而欠驱动系统则是指由控制输入向量张成空间的维数小于位形空间维数的系统，简言之，欠驱动系统是指系统的控制输入少于系统自由度的系统。欠驱动系统所具有的特点正是可由较少的控制输入确定其在比控制输入维数大的位形空间内的运动。

对于欠驱动系统的研究，除降低系统的费用及重量这一优点之外，还可成为完整驱动系统的一个应急控制手段，即如果完整驱动系统遭遇故障不能正常运行时，可采用欠驱动系统的控制策略，利用剩下的仍能正常工作的控制器对系统进行有效控制，以降低由于某些控制输入发生故障导致整体系统瘫痪而带来的损失。因此，近年来对于欠驱动系统的研究在各个领域都受到了广泛关注。

对于航天器姿态控制问题来说，出现欠驱动的原因多为执行机构的故障而导致。现代航天器姿态控制系统的执行机构主要采用几对喷气推力器或者几只飞轮或控制力矩陀螺，工作时，任何一套机构的故障都可能会导致驱动系统的不完整。假设航天器姿控执行机构选用反作用飞轮，那么，一般为了实现三轴稳定控制，星上安装的飞轮数目多为3只或4只(不计冷备份)：使用3只飞轮时分别沿三条惯量主轴正交安装，而4只飞轮则有几种不同的构型，常采用的有3正交加1斜装和4只飞轮均斜装两种。3只飞轮有1只发生故障或4只飞轮中有1只或2只发生故障后，即成为只能输出两轴控制力矩的欠驱动航天器。

为了解决采用飞轮的欠驱动航天器的姿态稳定控制问题，本发明提出一种采用状态变化的三轴姿态稳定控制方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法，实现了卫星在只具有两轴姿态控制力矩输出能力的情况下，进行三轴姿态稳定控制的目的。

本发明的技术解决方案是：

一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法，步骤如下：

(1)建立本体坐标系相对于惯性坐标系的系统模型为：

ρ·1=u1ρ·2=u2ρ·3=ρ1u2-ρ2u1,]]>

其中，ρ＝[ρ₁ ρ₂ ρ₃]^T为描述航天器姿态的罗德里格斯参数，为ρ₁的导数，为ρ₂的导数，为ρ₃的导数；u₁和u₂均为中间变量，