[发明专利]一种基于反作用轮摩擦特性的抗干扰姿态控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于反作用轮摩擦特性的抗干扰姿态控制方法，特别是针对包含反作用轮摩擦、环境力矩等多源干扰下的航天器抗干扰姿态控制方法，该方法可用于航空航天领域高精度观测卫星，太空望远镜等航天器的高精度姿态控制。

背景技术

航天器姿态控制系统的可靠性和长期工作稳定性一直是航天器研制中的关键课题。反作用轮是航天器姿态控制系统中最重要的惯性执行部件之一，近几年发射的长寿命、高精度、多功能三轴稳定卫星，几乎毫不例外地利用反作用轮作为主要执行部件。在航天器姿控系统中，反作用轮按照姿控系统指令，提供合适的控制力矩，校正航天器的姿态偏差，完成某种预定的姿态调整。反作用轮作为航天器三轴稳定控制系统主要的执行部件，其性能对姿态控制系统具有决定性的影响，提高反作用轮控制系统的性能对卫星姿态控制系统具有重要意义。反作用轮系统内部存在的多种干扰和噪声，如摩擦力矩干扰和速率测量噪声等，会使反作用轮执行指令产生误差，给航天器姿态控制系统带来干扰。此外航天器在轨飞行过程中，除了受到反作用轮带来的摩擦力矩干扰等，还将受到各种外部太空环境干扰力矩的作用，如气动力矩、太阳辐射光压、重力梯度力矩、空间碎片撞击力矩以及磁力矩等。对于航天器系统而言，来自上述外部环境干扰以及反作用轮的干扰，都将严重影响到姿态控制系统的精度和稳定度，在航天器设计的过程中，必须考虑上述干扰的影响。

航天器姿态控制器目前设计过程一般都是基于模型进行设计，准确的模型参数能够提高航天器的姿态控制精度，以往的研究过程中姿态控制系统的设计与执行机构的特性联系并不紧密，忽略了执行机构动态特性，此外对于航天器所遭受的太空环境干扰，也忽略部分干扰特性，不够精细，使得航天器动力学模型在精确性上有所欠缺，导致所设计的控制方法不够精确，影响航天器系统的姿态精度和稳定度，在面向实际工程对象时，会存在问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对使用反作用轮的航天器系统，克服现有技术的不足，并充分利用反作用轮的动态特性，建立包含反作用轮摩擦特性的抗干扰姿态控制方法，并同时针对航天系统存在的外部环境干扰力矩以及反作用摩擦等多源干扰，提供一种基于反作用动态特性的抗干扰姿态控制方法，解决多源干扰下航天器的姿态控制问题，提高航天器姿态系统的控制精度和稳定度。

本发明的技术解决方案为：一种基于反作用轮摩擦特性的抗干扰姿态控制方法，其特征在于包括以下步骤：针对反作用轮摩擦以及姿控精度较低的问题，首先构建含有反作用轮摩擦特性的航天器耦合动力学方程，其次针对由于反作用轮带来的摩擦干扰设计摩擦干扰估计器，对反作用轮摩擦进行实时估计；再次，针对航天器系统中存在的环境干扰力矩以及摩擦干扰估计误差，设计标称控制器进行抑制；最后通过联合标称控制器与摩擦干扰估计器，设计复合分层抗干扰控制器，完成多源干扰影响下的航天器抗干扰姿态控制；

第一步：构建含有反作用轮摩擦特性的航天器耦合动力学模型

当航天器本体坐标系和轨道坐标系之间的欧拉角很小时,姿态运动学可以小角度线性化,得到如下的姿态动力学模型：