[发明专利]基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法

说明书

本发明公开了一种基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法，该方法是在姿态检测系统将测定的微小卫星姿态传递给控制器后，控制器根据测定的姿态计算应施加的目标力矩，并以各反作用轮的速度作为反馈量，重新分配每个反作用轮待产生的力矩，各反作用轮执行各分配的力矩，完成微小卫星的姿态调控。本发明的方法通过将反作用轮组纳入整个控制回路中，依照反作用轮的当前转速自适应分配力矩，使得反作用轮能够在较低的转速下产生目标力矩，减少了反作用轮的振动对卫星姿态的影响。

技术领域

本发明属于微小卫星姿态控制技术领域，涉及一种基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法，该方法可用于减少微小卫星反作用轮在控制中产生的振动。

背景技术

随着航天领域微小卫星的蓬勃发展，对于微小卫星姿态的控制精度要求越来越高。同时反作用轮组的技术进步也使得高精度控制成为可能。一直以来在卫星的姿态控制中，反作用轮组被视为一个理想单元，即只产生需求的力矩，而忽略其振动的影响。然而对于微小卫星而言，这种振动对于姿态的影响是不可忽略的。

一直以来，微小卫星的振动控制方法多与大型卫星相似。例如Morten PedersenTopland和Jan Tommy Gravdah等人比较的PD控制器、全局线性控制器、李雅普诺夫控制器和滑模控制器。在实际的应用中，一些立方体卫星也通常使用PID控制器作为控制方法，比如AFIT’s 6U CubeSat和27U CubeSat.Henri C.Kjellberg和E.Glenn Lightsey等人在Bevo-2.上使用一种有约束的比率力矩控制器。Yu Hanet等人利用一种自适应的控制方法来对抗CubeSat UKube-1上的执行器错误。以上的控制方法均利用反作用轮作为执行机构，但都没有考虑反作用轮的振动干扰。

在Nano-JASMINE卫星上，利用磁力矩器减少反作用轮组的角动量，从而使得反作用轮组在较低的轮速下运行。然而这种磁力矩器需要特定的安装配置，对于微小卫星具有应用的限制。综上可知，即使存在许多关于反作用轮组模型的研究，但是仍然缺少将反作用轮组模型代入整个控制回路从而减少振动影响的方法。

发明内容

微小卫星的反作用轮在姿态控制中会产生振动，这种振动将影响微小卫星的姿态，本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法，用于减少反作用轮组振动对于微小卫星姿态的影响。

传统的微小卫星姿态控制方式如图1所示：姿态检测系统将测定的微小卫星姿态传递给控制器(如：PD、SMC等)；控制器根据测定的姿态计算应施加的目标力矩；执行器(反作用轮组RWAs)接收到指令后产生目标力矩并伴随振动力矩，最终施加于微小卫星，完成微小卫星的姿态控制。传统方式未考虑反作用轮振动对微小卫星姿态的影响。

相较于传统姿态控制方式，本发明提出了一种自适应力矩分配控制方法(Adaptive Moment Distribution Control)，以反作用轮的速度作为反馈量，重新分配每个反作用轮待产生的力矩，各反作用轮执行各分配的力矩，完成微小卫星的姿态调控。该方法可在较低的轮速下产生目标力矩，从而减少了反作用轮振动对微小卫星姿态的影响。

本发明方法基于的理论如下：

反作用轮组(RWAs)的振动力矩与轮速的平方成正比，若在较低的轮速产生目标力矩，则可以减少振动力矩的影响。

一个由n个反作用轮组成的RWAs，在微小卫星的本体系(B)中将其中第i个反作用轮的旋转轴向量定义为g_si，有

g_si＝^B[x_si y_si z_si]^T (1)

[Gs]是一个3×n的RWAs安装矩阵，其列向量为g_si..