CN104176275B

CN104176275B - 一种使用动量轮与磁力矩器联合的速率阻尼方法

Info

Publication number: CN104176275B
Application number: CN201410339276.2A
Authority: CN
Inventors: 韩冬; 邢林峰; 郝金华; 谌颖; 龚宇莲; 李鹤; 谢晓兵; 徐子荔; 毕鹏波; 盖晓亮; 谢红
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2034-07-16
Also published as: CN104176275A

Abstract

本发明公开了一种使用动量轮与磁力矩器联合的速率阻尼方法，根据陀螺测量的角速度和动量轮当前的角动量，计算卫星总角动量H_T；当角动量较小时使用三轴动量轮进行快速阻尼；当角动量超出动量轮的角动量吸收能力时，使用三轴磁力矩器进行速率阻尼。在磁阻尼过程中，一旦卫星角动量减小到一定范围，则切换为使用动量轮阻尼。本发明结合动量轮和磁力矩器两种速率阻尼的特点，在两者之间实现合理的切换，减少速率阻尼所需的时间。

Description

一种使用动量轮与磁力矩器联合的速率阻尼方法

技术领域

本发明涉及一种使用动量轮与磁力矩器联合的速率阻尼方法，可以在不使用推进系统的情况下，充分发挥动量轮阻尼速度快的特点，减少卫星速率阻尼的时间。

背景技术

当在轨运行的卫星发生故障导致姿态翻滚时，需要消除姿态角速度，即速率阻尼。一般卫星都装有推进系统，使用推力器喷气产生的力矩可以实现速率阻尼。

微小卫星为了减小重量而不配置推力器等推进系统，一般使用磁力矩器产生力矩进行速率阻尼，称为磁阻尼。然而磁力矩器产生的力矩很小，磁阻尼的时间一般非常长，往往需要几个小时以上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种使用动量轮与磁力矩器联合的速率阻尼方法，可以在不使用推进系统的情况下，能够减少速率阻尼所需的时间。

本发明包括如下技术方案：

一种使用动量轮与磁力矩器联合的速率阻尼方法，所述动量轮为三轴动量轮，磁力矩器为三轴磁力矩器，每个控制周期的速率阻尼方法步骤如下：

(1)根据陀螺测量的角速度和动量轮当前的角动量，计算卫星总角动量H_T；

(2)判断卫星总角动量H_T大小；

当所述卫星总角动量H_T大于设定值H₃小于设定值H₂时，转入步骤(3)；当卫星总角动量H_T大于设定值H₁时，转入步骤(4)；当卫星总角动量H_T小于等于设定值H₃时，转入步骤(5)；当H₂≤H_T≤H₁时，判断上一周期的速率阻尼方式，当上一周期为动量轮速率阻尼时，转入步骤(3)，当上一周期为磁力矩器阻尼时，转入步骤(4)；H₃<H₂<H₁；

(3)根据陀螺测量的角速度进行动量轮速率阻尼；然后本控制周期结束，等待进入下一控制周期；

(4)根据陀螺测量的角速度进行磁力矩器速率阻尼，同时动量轮维持标称角动量；然后本控制周期结束，等待进入下一控制周期；

(5)结束速率阻尼。

进行动量轮速率阻尼的方法如下：

根据陀螺测量的角速度

\hat{ω} = {[\begin{matrix} {\hat{ω}}_{x} & {\hat{ω}}_{y} & {\hat{ω}}_{z} \end{matrix}]}^{T}

计算需要动量轮产生的星体三轴控制力矩T_x、T_y和T_z，计算公式为：

[\begin{matrix} T_{x} \\ T_{y} \\ T_{z} \end{matrix}] = - K_{D} \cdot [\begin{matrix} {\hat{ω}}_{x} \\ {\hat{ω}}_{y} \\ {\hat{ω}}_{z} \end{matrix}],

其中K_D为增益系数，为3×3对角线矩阵；

根据需要动量轮产生的星体三轴控制力矩，分别向三轴动量轮发送控制指令。

动量轮速率阻尼的方法如下：

根据陀螺测量的角速度

\hat{ω} = {[\begin{matrix} {\hat{ω}}_{x} & {\hat{ω}}_{y} & {\hat{ω}}_{z} \end{matrix}]}^{T}

利用公式计算三轴磁力矩器所需产生的磁矩M，其中B为磁场强度矢量在卫星本体系的三轴分量，表示两个矢量叉乘，K_M为增益系数；根据三轴磁力矩器所需产生的磁矩M向三轴磁力矩器施加控制电压。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明当角动量较小时使用三轴动量轮进行快速阻尼；当角动量超出动量轮的角动量吸收能力时，使用三轴磁力矩器进行速率阻尼。在磁阻尼过程中，一旦卫星角动量减小到一定范围，则切换为使用动量轮阻尼。本发明结合动量轮和磁力矩器两种速率阻尼的特点，在两者之间实现合理的切换，减少速率阻尼所需的时间。

附图说明

图1为本发明的速率阻尼方法所基于的卫星的姿态控制系统框图。

图2为本发明的速率阻尼方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，卫星的姿态控制系统包括姿态控制计算机、动量轮、磁力矩器以及陀螺。陀螺可以测量卫星的角速度。姿态控制计算机采集陀螺测量的角速度。

姿态控制计算机的速率阻尼控制为闭环控制。每个控制周期内，姿态控制计算机首先采集陀螺测量的角速度和动量轮当前角动量，计算出当前星体的总角动量。然后，对总角动量的大小进行判断，当总角动量较小时，使用动量轮进行速率阻尼，计算所需的控制力矩；当总角动量较大时，使用磁力矩器进行速率阻尼计算所需的磁矩，同时动量轮进行标称转速保持控制。最后姿态控制计算机根据计算的控制力矩和磁矩分别向磁力矩器和动量轮发送指令。闭环控制过程中，随着卫星角动量的变化，会在磁力矩器速率阻尼和动量轮速率阻尼之间切换，直到卫星的总角动量接近零。

如图2所示，本发明的速率阻尼方法，具体包括如下步骤：

(1)使用陀螺测量卫星三个轴的姿态角速度

\hat{ω} = {[\begin{matrix} {\hat{ω}}_{x} & {\hat{ω}}_{y} & {\hat{ω}}_{z} \end{matrix}]}^{T},

再根据动量轮当前的角动量[H_xH_yH_zH_s]^T，使用如下的公式计算卫星角动量H_T：

[\begin{matrix} H_{xT} \\ H_{yT} \\ H_{zT} \end{matrix}] = [\begin{matrix} H_{x} \\ H_{y} \\ H_{z} \end{matrix}] + J_{0} [\begin{matrix} {\hat{ω}}_{x} \\ {\hat{ω}}_{y} \\ {\hat{ω}}_{z} \end{matrix}]

H_{T} = \sqrt{H_{xT}^{2} + H_{yT}^{2} + H_{zT}^{2}}

其中J₀为星体的转动惯量矩阵。H_x,H_y,H_z分别是沿卫星三个惯量主轴安装的动量轮的角动量。最后得到的H_T为星体和动量轮整体的总角动量大小。

(2)根据H_T的大小判断是使用动量轮进行速率阻尼还是使用磁力矩器进行速率阻尼。

当H_T大于设定值H₁时，使用磁力矩器进行速率阻尼；当大于设定值H₃小于设定值H₂时，使用动量轮进行速率阻尼。

H₂的取值设置应比动量轮的最大角动量略小，保证动量轮能够吸收所有的角动量。为了避免速率阻尼在两种方式之间频繁切换，考虑测量误差后，H₁的取值略大于H₂。例如，动量轮最大角动量为0.5Nms，则可设置H₁＝0.4,H₂＝0.3。

当总角动量H_T处于H₂和H₁之间时，维持之前的速率阻尼状态。如果之前为动量轮速率阻尼，则继续进行动量轮速率阻尼；如果之前是磁力矩器阻尼，则继续进行磁力矩器速率阻尼。当刚开始速率阻尼时，默认当前的速率阻尼状态为动量轮速率阻尼。

a.磁力矩器速率阻尼

根据当前地球磁场在卫星本体系的三轴分量和卫星的角速度计算三轴磁力矩器所需产生的磁矩：

M = - \frac{K_{M}}{{| B |}^{2}} \cdot (B &CircleTimes; \hat{ω})

其中B为磁场强度矢量在卫星本体系的三轴分量，可以利用磁场模型计算得到，也可使用磁强计测量得到。表示两个矢量叉乘。K_M为增益系数。增益系数K_M的典型值取15，可以根据磁力矩器的大小、卫星轨道所处的地球磁场强度的具体值进行选取。姿态控制计算机根据所需的三轴磁矩，对三轴磁力矩器施加一定的电压，使其产生磁矩。

磁力矩器速率阻尼的同时，动量轮需要维持标称角动量。维持标称角动量的控制算法如下：

ΔH_x＝H_x0-H_x

ΔH_y＝H_y0-H_y

ΔH_z＝H_z0-H_z

I_{hx}^{+} = I_{hx}^{-} + K_{IH} \cdot Δt \cdot Δ H_{x}, I_{hx} = mlf (I_{hx}^{+}, I_{\max});

I_{hy}^{+} = I_{hy}^{-} + K_{IH} \cdot Δt \cdot Δ H_{y}, I_{hy} = mlf (I_{hy}^{+}, I_{\max});

I_{hz}^{+} = I_{hz}^{-} + K_{IH} \cdot Δt \cdot Δ H_{z}, I_{hz} = mlf (I_{hz}^{+}, I_{\max});

T_x＝I_hx+K_pH·ΔH_x

T_y＝I_hy+K_pH·ΔH_y

T_z＝I_hz+K_pH·ΔH_z

T_xT_yT_z分别是需要动量轮产生的星体三轴控制力矩。

其中H_x0,H_y0,H_z0为三个动量轮的标称角动量，一般均设置为0。为三轴角动量积分值，为上一周期三轴角动量积分值，积分值初始值均为0。I_hx、I_hy和I_hz为限幅后的三轴角动量积分值；K_pH为比例项控制参数，K_IH为积分控制参数，I_max为积分限幅值，这三个参数取值可根据动量轮的具体参数进行选取，典型值为K_pH＝0.05,K_IH＝0.0025。Δt为控制周期。mlf(a,b)函数为限幅函数，当a≥b时，返回值为b；当a≤-b时，返回值为-b；当-b<a<b时，返回值为a。

b.动量轮速率阻尼

根据星体的角速度计算需要动量轮产生的星体三轴控制力矩：

[\begin{matrix} T_{x} \\ T_{y} \\ T_{z} \end{matrix}] = - K_{D} \cdot [\begin{matrix} {\hat{ω}}_{x} \\ {\hat{ω}}_{y} \\ {\hat{ω}}_{z} \end{matrix}]

其中K_D为增益系数，为3×3对角线矩阵，可根据动量轮的力矩大小等参数进行设计。

姿态控制计算机根据所需的三轴力矩，分别向动量轮发送控制指令，使其产生所需要的力矩。

(3)姿态控制计算机每个控制周期重复上述步骤(1)和步骤(2)。若速率阻尼初始时，角动量H_T较小，则会使用动量轮进行阻尼，如果在阻尼过程中由于卫星受到干扰的作用，角动量H_T增大了，在步骤(2)中会自动转为磁力矩器速率阻尼。

若速率阻尼初始时，角动量H_T较大，则会使用磁力矩器进行阻尼，在阻尼过程中，角动量H_T不断减小，当小于H₂时，在步骤(2)中会自动转为动量轮速率阻尼。速率阻尼一直持续到H_T小于H₃(设置为很小的角动量，如0.01Nms)时，就完成了整个速率阻尼过程。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种使用动量轮与磁力矩器联合的速率阻尼方法，所述动量轮为三轴动量轮，磁力矩器为三轴磁力矩器，其特征在于，每个控制周期的速率阻尼方法步骤如下：

(2)判断卫星总角动量H_T大小；

当所述卫星总角动量H_T大于设定值H₃小于设定值H₂时，转入步骤(3)；当卫星总角动量H_T大于设定值H₁时，转入步骤(4)；当卫星总角动量H_T小于等于设定值H₃时，转入步骤(5)；当H₂≤H_T≤H₁时，判断上一周期的速率阻尼方式，当上一周期为动量轮速率阻尼时，转入步骤(3)，当上一周期为磁力矩器阻尼时，转入步骤(4)；H₃<H₂<H₁；当刚开始速率阻尼时，默认当前的速率阻尼状态为动量轮速率阻尼；

(5)结束速率阻尼。

2.根据权利要求1所述的一种使用动量轮与磁力矩器联合的速率阻尼方法，其特征在于，进行动量轮速率阻尼的方法如下：

根据陀螺测量的角速度

\hat{ω} = {[\begin{matrix} {\hat{ω}}_{x} & {\hat{ω}}_{y} & {\hat{ω}}_{z} \end{matrix}]}^{T}

[\begin{matrix} T_{x} \\ T_{y} \\ T_{z} \end{matrix}] = - K_{D} \cdot [\begin{matrix} {\hat{ω}}_{x} \\ {\hat{ω}}_{y} \\ {\hat{ω}}_{z} \end{matrix}],

其中K_D为增益系数，为3×3对角线矩阵；

3.根据权利要求1所述的一种使用动量轮与磁力矩器联合的速率阻尼方法，其特征在于，动量轮速率阻尼的方法如下：

根据陀螺测量的角速度

\hat{ω} = {[\begin{matrix} {\hat{ω}}_{x} & {\hat{ω}}_{y} & {\hat{ω}}_{z} \end{matrix}]}^{T}