[发明专利]一种含六自由度隔振平台的挠性卫星指向跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种含六自由度隔振平台的挠性卫星指向跟踪控制方法，针对含有六自由度隔振平台的挠性卫星，以时域与频域指标为依据，设计了一种易于工程实现的指向跟踪控制方法。首先考虑控制力矩陀螺的振动特性，分别建立六自由度隔振系统上、下平台的动力学模型；然后，将隔振支杆等效为三参数模型，简化得到挠性卫星隔振平台的传递函数，并根据隔振指标设计隔振平台参数；最后，针对指向控制过程某段时间内目标姿态和角速度变化快的问题，根据控制器性能指标，基于频域理论设计控制器形式及参数。本发明建立了挠性卫星三参数隔振平台的传递函数，设计的隔振参数能够实现对执行机构高频振动的有效衰减，设计指向跟踪控制器能够满足频域指标和时域精度指标，可广泛应用于实际工程中。

技术领域

本发明涉及一种含六自由度隔振平台的挠性卫星指向跟踪控制方法。针对以控制力矩陀螺为执行机构进行整体隔振的挠性卫星，实现指向跟踪的上、下平台一体化控制。能够应用于某段时间内目标姿态和角速度变化快的姿态跟踪控制，姿态机动过程中的帆板挠性振动抑制，实现对执行机构的高频隔振，对惯量参数变化、执行机构扰动具有较强的鲁棒性。本发明属于航天器姿态控制领域。

背景技术

随着激光通信、空间遥感、深空望远镜等航天应用和空间探测活动的不断深化，卫星的功能和结构变得更加复杂，所携带的科学探测仪器越来越精密，对姿态指向精度和稳定度的要求变得更高。执行机构的安装制造误差及太阳帆板的弹性形变均为引起卫星姿态微振动的主要因素，采取相应的措施提高控制精度是当前研究的热点。Stewart平台是一种具有六自由度运动能力的并联机构，具有精度高、刚度大、结构稳定、承载能力强、运动惯量小、动态特性好等优点，在卫星的振动隔离问题中得到了广泛应用。

针对含Stewart隔振平台的挠性卫星，隔振平台的参数设计和指向跟踪控制器设计是两个关键的问题。在文献(张尧.高精度高稳定度卫星的姿态高频抖动隔振研究:北京航空航天大学,2012)中，针对含Stewart平台的单刚体卫星，考虑控制力矩陀螺的振动特性，建立二参数、三参数、两参数加调谐质量阻尼器的隔振平台传递函数并给出参数设计规律，利用PID控制器实现了姿态稳定控制；对于含Stewart平台的挠性卫星，建立了基于二参数模型的隔振平台传递函数，并实现了姿态稳定控制。对于主、从卫星的指向跟踪控制，目前已有的控制方法包括滑模控制、自适应控制、自抗扰控制、退步控制及各种方法的组合控制等，虽然针发展出很多先进的理论和方法，但基于频域方法的控制器设计方法仍在工程应用中处于支配地位。

因此，对于以控制力矩陀螺为执行机构的挠性卫星，采用Stewart平台进行整体隔振，综合考虑频域、时域的性能指标，本发明提出一种含六自由度隔振平台的挠性卫星指向跟踪控制方法，具有较高的工程应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对控制力矩陀螺因安装和制造误差产生的高频振动，利用基于三参数模型的Stewart平台进行整体隔振，建立其在挠性卫星下的传递函数，探讨隔振参数设计规律；然后针对含Stewart平台的挠性卫星在指向跟踪控制过程中目标姿态和角速度变化快、机动过程中的帆板挠性振动等问题，考虑控制器输出的周期性、执行机构对惯量的扰动，基于频域理论设计，提供一种上、下平台一体化的指向跟踪控制方法，可用于挠性航天器的高精度高稳定度指向跟踪控制。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：针对含六自由度隔振平台的挠性卫星，首先，考虑执行机构的振动特性，建立含六自由度隔振平台的挠性卫星上、下平台的动力学模型；然后将隔振支杆等效为三参数模型，简化得到挠性卫星隔振平台的传递函数，设计隔振平台参数；最后，根据系统频域、时域的性能指标，设计含六自由度隔振平台的挠性卫星上、下平台一体化的指向跟踪控制器，实现挠性卫星的高精度高稳定度指向跟踪控制。具体实施步骤如下：

步骤1：建立含六自由度隔振平台的挠性卫星上、下平台的动力学模型。

忽略对上平台系统的外界扰动，考虑控制力矩陀螺的转子静动不平衡、框架轴和转子轴的不垂直和不相交，则隔振上平台系统的动力学方程如下：