[发明专利]一种冗余飞轮组角动量自主管理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用飞轮控制的三轴稳定对地观测卫星的角动量管理方法，特别是采用喷气卸载的冗余飞轮组角动量自主管理方法,所述冗余飞轮组包括4个以上飞轮。

背景技术

现代长寿命三轴姿态稳定卫星在正常模式工作时，普遍采用冗余飞轮组作为姿态控制系统的执行机构，用于对卫星姿态实施连续的稳定控制。为克服外部环境干扰力矩对卫星姿态的影响，姿态控制系统利用角动量交换原理，由飞轮组吸收外扰力矩产生和积累的角动量，如果没有卸载措施，外扰力矩积累将导致飞轮组动量饱和而失去控制能力，因此，对于轮控卫星，动量卸载是控制系统必不可少的组成部分。目前，对地指向三轴稳定的轮控卫星主要有两种卸载方式：磁卸载和利用喷气推力器卸载。磁卸载和喷气推力器卸载，已是成熟技术，参见《卫星姿态动力学与控制》（屠善澄主编，中国宇航出版社2001年出版）。

磁卸载是利用通电的磁力矩器和地磁场的作用产生力矩，因其值小，可以实现连续的动量卸载而不影响姿态稳定性能，且只消耗电能而不消耗燃料。磁卸载是一种性能优良的卸载方式，在低轨轮控卫星上普遍采用，部分中轨卫星也有应用。然而，磁力矩很小同时也是该方式的局限所在，当其所能产生的磁力矩不能超过外扰力矩时，就必须考虑别的卸载方式。磁力矩大小主要处决于轨道处的地磁强度和磁力矩器所能产生的磁矩的大小，因受结构、功耗、星上剩磁要求等约束，磁力矩器磁矩受限，当卫星处于地球静止轨道等地磁场很弱的高轨道、或者因卫星特殊构型等因素导致外扰力矩特别大，就会出现磁卸载方案不足以克服外扰力矩的问题，而必须考虑喷气卸载角动量管理等方案。

在长寿命三轴姿态稳定的轮控卫星上，为照顾轨道控制和应急控制等需求，喷气推力器一般也是标准配置，因此喷气卸载的设备条件是具备的。但是喷气控制力矩较大，在推力器工作期间，卫星姿态稳定性一般不能满足正常任务要求，因此喷气卸载只能间歇式地使用，其使用期间，卫星正常业务暂时中断。目前，低轨对地三轴稳定的轮控卫星一般采用喷气卸载作为磁卸载的备份和保护，在磁卸载出现故障时进行替换，或在飞轮组角动量超出设定的标称值一定范围时采用喷气卸载进行保护；静止轨道对地三轴稳定的轮控卫星普遍采用喷气卸载。它们共同的技术特点是，在飞轮组角动量超出设定的标称值一定范围时，采用喷气卸载，控制飞轮组角动量回到设定的标称值，然后切换回正常轮控；其中标称值设定的原则一般为合成角动量接近零或在-Y轴偏置预定值，超差判断一般依据任一飞轮转速接近饱和或接近零速（高稳定卫星一般避免飞轮转速过零，因为过零时存在控制死区和静摩擦反向的问题，从而影响控制精度）。

由于喷气卸载会中断卫星正常业务运行，通常对相邻两次喷气卸载的时间间隔有要求，我们称之为任务允许卸载周期。在卫星受到的外扰力矩较小时，任务允许卸载周期内积累的角动量远小于飞轮组可调节的角动量容量，上述喷气卸载方案虽非最优，却也简单有效；但是，在卫星受到相当大的外扰力矩时，任务允许卸载周期内积累的角动量接近飞轮组可调节的角动量容量，该方案的缺陷变得突出，甚至不能满足任务要求。美国专利US2009/0159753“MOMENTUM MANAGEMENT SYSTEM FOR REACTION WHEEL BY USING NULL SPACE VECTOR AND METHOD”，针对4个或多于4个的飞轮组(冗余飞轮组)，通过轮子零运动，实现轮子实际转速/角动量与期望转速/角动量一致，以保证轮组有最大控制能力，而某一个轮子控制失效或能力退化时，使用零空间矢量重新分配三轴控制力矩，使得该轮子控制力矩为零，其它轮子实现卫星三轴控制。

目前的方法，存在的主要问题有：

（1）标称值的设定、卸载时各工作飞轮的转速分配与控制，没有遵循沿飞轮组可调节角动量容量的优化方向卸载，因此卸载后飞轮组可吸收外扰积累角动量较少，在大的外扰力矩作用下卸载频繁；

（2）没有充分利用对地三轴稳定卫星外扰力矩呈现周期性的特点，卸载的角动量除了包括在惯性系积累的角动量（这一部分必须卸载掉），也包括了在惯性系交变的角动量，后者造成燃料的额外消耗；

（3）非卸载周期内一旦因为某个飞轮故障造成飞轮组重新构型时，需要中断卫星正常业务，进行喷气控制，重新调整新构型飞轮组的初始动量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种沿飞轮组角动量包容最大的优化方向卸载、节省燃料、非卸载周期内发生飞轮组重新构型时不需喷气控制的冗余飞轮组动量自主管理方法。

本发明包括如下技术方案：