[发明专利]一种基于伪逆可解的最小配置姿控推力器指令分配方法

说明书

本发明一种基于伪逆可解的最小配置姿控推力器指令分配方法，步骤如下：1)计算4个推力器在航天器本体上的安装配置矩阵A；2)根据期望姿态与实际测量姿态的偏差由PD控制律，计算得到需要的控制冲量；3)建立推力器开机时间与控制冲量的关系式；4)利用矩阵伪逆可解方法，求解伪逆通解；5)利用零空间概念，得到推力器开机时间的特解；6)选取使得推力器开机时间T≥0且|T|最小即燃料消耗最小的解；7)采用开机时长比例缩放技术，对推力器开机时间T进行处理。

技术领域

本发明涉及一种基于伪逆可解的最小配置姿控推力器指令分配方法，属于飞行器姿态控制领域。

背景技术

反作用控制系统(Reaction Control System，RCS)作为姿态控制执行机构，在航天器上广泛应用，为得到简单的控制逻辑一般采用解耦配置，即为三轴姿态控制配置独立的推力器，因此推力器数目较多，重量功耗大，但推力器指令分配算法简单，各轴之间无耦合。随着航天技术的发展，航天器设计越来越关注经济效益，近年来已经有部分航天器RCS系统一定程度上采用了耦合配置方案，采用数目较少的推力器组合使用得到期望的三轴控制力矩，但这对发动机指令分配算法提出了更高的需求。本专利基于“三轴姿态控制最少需配置4个推力器”的基本原理，利用矩阵伪逆和零空间方法，提出了一种适用于配置4个推力器的航天器三轴姿态控制的推力器指令分配算法，给出了推力器开机时间的计算步骤，与传统的查表算法不同，该方法可直接解析计算，通用性强，且由于采用开机时长比例缩放技术，保证了每个控制周期的输出均为有效控制量，解决耦合干扰力矩的影响，减小燃料消耗。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，基于姿态控制最少需要4台推力器的基本原理，针对一类4推力器配置系统，利用伪逆可解与零空间方法，设计了4个推力器分别开机时长的解析计算方法，使得每个控制周期内仅有3台推力器开机，降低了推力器配置的复杂度，且星上算法简单，实用性强。

本发明目的技术方案予以实现：一种基于伪逆可解的最小配置姿控推力器指令分配算法，步骤如下

1)计算4个推力器在航天器本体上的安装配置矩阵A，为3×4矩阵。

2)根据期望姿态与实际测量姿态的偏差由PD控制律计算得到需要的控制冲量H_r，记H_r＝[h_x,h_y,h_z]^T：

其中，θ_r，为三轴期望姿态及期望姿态角速度，θ，为实际测量三轴姿态角及姿态角速度，k_p，k_d为PD控制参数。

3)建立推力器开机时间T，记T＝[T₁,T₂,T₃,T₄]^T，与控制冲量H_r的关系式如下

H_r＝AT (2)

4)利用矩阵伪逆可解方法，求解式(2)的伪逆通解

其中，A^-1表示安装配置矩阵A的伪逆，T^*表示T的一般解，t_γ表示T的特解。

5)利用零空间概念，得到推力器开机时间T的特解为

t_γ＝(I_4×4-A^-1A)Y_4×1 (4)

其中，Y_4×1为任意值，I为单位阵，其物理意义为发动机开机时长为t_γ时不产生任何控制冲量。