[发明专利]航天器控制力矩陀螺的快速奇异躲避规划方法

说明书

本发明公开的航天器控制力矩陀螺的快速奇异躲避规划方法，属于航天器姿态规划和控制力矩陀螺控制领域。根据当前控制系统的指令力矩，计算当前控制力矩陀螺的饱和奇点，计算饱和状态对控制力矩陀螺的零运动引导方向，使控制力矩陀螺能够保持较大的角动量，同时考虑控制力矩陀螺的零运动方向，考虑奇异躲避的零运动方向，计算控制力矩陀螺的零运动总方向，设计控制力矩陀螺的零运动的大小，再靠近控制力矩陀螺奇异状态时零运动的值变大，得到控制力矩陀螺的零运动方程，将零运动方程和伪逆操纵律进行组合，得到控制力矩陀螺的奇异躲避操纵律，从而实现航天器控制力矩陀螺的快速奇异躲避规划。本发明具有效率高，速度快，安全性强和准确性高的优点。

技术领域

本发明涉及航天器控制力矩陀螺的快速奇异躲避规划方法，适用于控制力矩陀螺操纵律，属于航天器姿态规划和控制力矩陀螺控制领域。

背景技术

随着对空间探测需求的提高，需要航天器完成的空间任务越来越困难。而这些任务通常需要航天器具有大角度姿态机动能力，因此对姿态执行机构提出了更高的要求。控制力矩陀螺具有较好的扭矩放大功能，常常用于航天器大角度姿态机动的执行机构。以控制力矩陀螺为航天器的执行机构，需要开发控制力矩陀螺规划算法，提前设计控制力矩陀螺操纵律。如果控制力矩陀螺陷入奇异状态，则无法输出航天器姿态控制系统的指令力矩。

而现有的航天器控制力矩陀螺操纵律，大多采用梯度法或鲁棒控制法来处理控制力矩陀螺奇异躲避问题，保证控制力矩陀螺远离奇异状态。但这类方法没有利用控制力矩陀螺的饱和特性，控制力矩陀螺角动量一直保持较小，且奇异躲避的效率较低。充分利用控制力矩陀螺的饱和状态，可以使控制力矩陀螺保持较大的角动量，提高控制系统对控制力矩陀螺的利用率。

发明内容

针对控制力矩陀螺奇异躲避问题，本发明公开的航天器控制力矩陀螺的快速奇异躲避规划方法要解决的技术问题是：在航天器姿态机动任务中，通过控制力矩陀螺输出指令力矩，设计控制力矩陀螺奇异躲避方法，引导控制力矩陀螺向饱和状态靠近，使控制力矩陀螺保持较大的角动量，提高控制系统对控制力矩陀螺的利用率，通过设计控制力矩陀螺快速躲避奇异方法，快速躲避奇异约束并输出指令力矩，提高航天器控制系统的安全性和奇异躲避效率。本发明具有效率高，速度快，安全性强和准确性高的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的航天器控制力矩陀螺的快速奇异躲避规划方法，根据当前控制系统的指令力矩，计算当前控制力矩陀螺的饱和奇点，根据饱和奇点计算饱和状态对控制力矩陀螺的零运动引导方向，使控制力矩陀螺能够保持较大的角动量，同时考虑控制力矩陀螺的零运动方向，考虑奇异躲避的零运动方向，计算控制力矩陀螺的零运动总方向，设计控制力矩陀螺的零运动的大小，再靠近控制力矩陀螺奇异状态时零运动的值变大，得到控制力矩陀螺的零运动方程，将零运动方程和伪逆操纵律进行组合，得到控制力矩陀螺的奇异躲避操纵律，从而实现航天器控制力矩陀螺的快速奇异躲避规划。

本发明公开的航天器控制力矩陀螺的快速奇异躲避规划方法，包括如下步骤：

步骤一：根据当前控制系统的指令力矩，计算当前控制力矩陀螺的饱和奇点。

根据当前控制系统的指令力矩u，计算当前控制力矩陀螺的饱和奇点δ_b。

控制力矩陀螺的角动量H表达式为：

H＝h₀(Asinδ+Bcosδ)E (1)

其中，h₀是单个控制力矩陀螺的角动量，A和B是安装构型矩阵，E是n维的单位矢量，δ是当前框架角组合。

控制力矩陀螺的力矩矩阵C表达式：

C＝Acosδ-Bsinδ (2)

根据当前控制系统的指令力矩u，在奇异状态时：