[发明专利]火星着陆器喷气推力器和质量矩复合控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种火星着陆器的姿态控制系统，更特别地说，是指一种基于RCS和MM复合的火星着陆器喷气反作用和质量矩复合控制系统。

背景技术

火星是距离地球较近的行星之一，其自然环境与地球相似，将火星探测作为深空探测的一部分，对进一步了解地球、火星的演化过程具有重要意义。

2010年5月第31卷第3期《宇航学报》中公开了名称为：火星EDL导航、制导与控制技术综述与展望。文献中指出要实现着陆器在火星表面的精确着陆，着陆器必须经历进入、下降和着陆三个过程。该文献中的图2公开了着陆器自主障碍检测与规避体系结构，从图中可以看出高精度制导与控制是着陆任务成功实施的前提和保障，为实现着陆器在火星表面的精确着陆，必须为着陆器设计高精度的制导系统，而着陆器的姿态控制是高精度制导系统所要解决的核心关键技术之一。

在目前的深空探测研究和实践中，大都采用喷气反作用控制系统（Reaction Control System，RCS）产生着陆器姿态控制所需的控制力矩。虽然RCS控制简单，具有较强的姿态控制能力，但其工作受着陆器所携带燃料的限制，而且液体燃料的过度消耗还会引起液体晃动及RCS的脉冲工作模式，直接影响着陆器姿态的控制控制精度，最终会影响着陆精度。

变质心（Moving Mass，MM）控制（即质量矩控制）则将质量滑块安装在着陆器内部，通过质量滑块的移动改变着陆器的质心，可以产生连续控制力矩，不存在烧蚀问题，结构简单。然而，仅依靠MM不能产生滚转控制力矩，在大气稀薄时，无法实现较大幅度的姿态机动。

姿态控制系统精度也取决于执行机构的输出力矩精度和控制器所能达到的控制精度。

发明内容

为此，本发明综合考虑两类执行机构的特点，采用RCS和MM复合控制模式，实现对火星着陆器姿态的高精度控制。

本发明设计的一种火星着陆器喷气推力器和质量矩复合控制系统，该系统至少包括有姿态控制器、着陆器系统动力学模型和执行机构；

执行机构是指喷气反作用控制系统RCS和变质心MM的复合执行机构（2）；所述变质心MM中包括有第一质量滑块p和第二质量滑块q；第一质量滑块p安装在着陆器的本体体坐标系O_b-X_bY_bZ_b的Y_b轴上，且第一质量滑块p可以沿Y_b轴往复运动；第二质量滑块q安装在着陆器的本体体坐标系O_b-X_bY_bZ_b的Z_b轴上，且第二质量滑块q可以沿Z_b轴往复运动；

在基于RSC与MM复合执行机构下构建了着陆器动力学和运动学模型（3）；

姿态控制系统（1）中的姿态控制模块（11）根据接收到的姿态误差产生姿态控制所需的期望姿态控制力矩并输出给控制分配模块（12）中的控制力矩分配模块（121）；控制力矩分配模块（121）将所述的期望姿态控制力矩进行分配处理后一方面输出RCS力矩指令给RCS指令分解模块（122），另一方面输出质量滑块力矩指令给质量滑块指令分解模块（123）；RCS指令分解模块（122）对接收到的所述RCS力矩指令进行分解处理，输出RCS启动指令PWM_RCS给执行机构中的RCS系统；质量滑块指令分解模块（123）对接收到的所述质量滑块力矩指令进行分解处理，输出MM的位置指令s_p,s_q给执行机构中的MM系统；s_p表示第一质量滑块p的位置指令，s_q表示第二质量滑块q的位置指令；

复合执行机构（2）中的RCS依据PWM_RCS指令产生控制力矩MM依据s_p,s_q指令产生控制力矩复合执行机构（2）的力矩总和为作用于着陆器的复合控制力矩；

着陆器动力学和运动学模型（3）是在复合执行机构（2）的力矩总和与环境因素产生的空气干扰力矩共同作用下，改变火星着陆器姿态，进而改变着陆器的着陆轨迹，最终完成着陆器姿态和位置的解算。

本发明与现有技术相比优点在于：

①充分考虑火星非球形摄动，太阳、地球等星体引力摄动，以及未建模动态不确定项，建立基于RCS/MM的火星着陆器复合动力学模型。

②设计的姿态控制系统可以对力矩不确定项进行准确估计并补偿，实现对着陆器期望姿态的准确跟踪。