CN106249749A - 主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统，其特征在于，包括解锁锁紧状态信号发生器、姿态指令发生器、自适应姿态控制装置、载荷舱姿态主动控制装置、平台舱姿态从动控制装置、平台舱位置从动控制装置、解耦控制装置。本发明可以解决主从非接触双超卫星平台两舱在入轨初始解锁以及在轨重复锁紧解锁过程中变质心、变惯量的姿态稳定控制问题，保证主从非接触双超卫星平台在轨正常工作，实现双超性能指标。
Description
技术领域
本发明涉及双超卫星平台，具体地，涉及主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统。
背景技术
主从非接触双超卫星平台打破传统卫星载荷与平台固连设计思路，采用“动静隔离非接触、主从解耦高精度”的全新设计方法，突破固连设计方法存在微振动“难测、难控”技术瓶颈，可从根本上解决载荷指向精度与稳定度难以大幅提升的重大难题，实现载荷双超指标。
主从非接触双超卫星平台从发射到在轨应用，面临载荷舱与平台舱的解锁和重复锁紧解锁问题，造成卫星平台在解锁和锁紧的过程中存在质心与转动惯量的突变，这对卫星平台的姿态控制提出了更高的要求。传统卫星由于载荷与平台固连，因此不存在上述控制问题。针对主从非接触双超卫星平台对解锁、重复锁紧解锁过程，本发明提供了一种主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统。
不同于传统载荷与平台固连的设计方法，主从非接触双超卫星平台通过非接触磁浮机构实现两舱的动静隔离，物理上直接消除平台舱全频段微振动对载荷舱的不利影响，从根本上解决载荷指向精度与稳定度难以大幅提升的瓶颈问题，满足未来高低轨高分遥感、分布式遥感、高精度编队、高性能激光通信等高性能卫星对载荷指向精度、稳定度的双超指标要求。本发明提出一种主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统，应用于主从非接触双超卫星平台中，保障双超平台在入轨初始解锁以及在轨重复锁紧解锁过程中的姿态控制稳定，满足双超性能指标。
根据本发明提供的一种主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统，包括解锁锁紧状态信号发生器、姿态指令发生器、自适应姿态控制装置、载荷舱姿态主动控制装置、平台舱姿态从动控制装置、平台舱位置从动控制装置、解耦控制装置；
载荷舱姿态主动控制装置包括载荷舱姿态控制器、载荷姿态传感器；
平台舱位置从动控制装置包括相对位置控制器、相对位置传感器；
平台舱姿态从动控制装置包括相对姿态控制器；
自适应姿态控制装置包括自适应姿态控制器；
当主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱解锁分离时，姿态指令发生器根据接收自解锁锁紧状态信号发生器的解锁信号，分别向载荷舱姿态主动控制装置、平台舱姿态从动控制装置、平台舱位置从动控制装置发送姿态指令；载荷舱姿态控制器根据姿态指令以及载荷姿态传感器测量得到的载荷舱姿态信息，输出载荷舱姿态控制指令；相对位置控制器根据姿态指令以及相对位置传感器测量得到的载荷舱与平台舱相对位置信息，输出载荷舱与平台舱相对位置控制指令；解耦控制装置根据载荷舱姿态控制指令、载荷舱与平台舱相对位置控制指令，形成磁浮机构姿控力与磁浮机构位控力，其中，磁浮机构姿控力施加于载荷舱，实现对载荷舱姿态的主动控制，磁浮机构位控力施加于载荷舱与平台舱，实现对平台舱位置的从动控制；相对姿态控制器根据姿态指令以及相对位置传感器测量得到的载荷舱与平台舱相对位置信息，对平台舱进行姿态的从动控制；
当主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱在轨锁紧时，姿态指令发生器根据接收自解锁锁紧状态信号发生器的锁紧信号；自适应姿态控制器根据姿态指令以及整体姿态传感器测量得到的载荷舱与平台舱的整体的姿态信息，对载荷舱与平台舱的整体进行姿态控制。
优选地，在主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱的解锁分离过程中，自适应姿态控制器根据解锁过程中主从非接触双超卫星平台质心与转动惯量的变化，自适应调整姿态控制参数，完成平台舱的姿态自适应从动控制。
优选地，在主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱的在轨锁紧过程中，自适应姿态控制器根据锁紧过程中主从非接触双超卫星平台质心与转动惯量的变化，自适应调整姿态控制参数，完成载荷舱与平台舱的整体的自适应姿态控制。
优选地，自适应姿态控制器能够在对接式构型或者内含式构型的惯量改变过程中，进行变惯量变质心控制或者变惯量控制。
优选地，所述对接式构型，是指：主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱不共质心，载荷舱与平台舱在解锁和锁紧过程中，主从非接触双超卫星平台质心和转动惯量均发生变化。
优选地，所述内含式构型，是指：主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱共质心，载荷舱与平台舱在解锁和锁紧过程中，主从非接触双超卫星平台质心基本不变化，转动惯量发生变化。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明可以应用于主从非接触双超卫星平台在两舱解锁和锁紧过程的卫星姿态控制，使双超卫星平台的载荷舱和平台舱在两舱解锁和锁紧过程中姿态控制稳定，不发生卫星姿态失控，是主从非接触双超卫星平台实现高精度控制的关键控制技术。主从非接触双超卫星平台可实现载荷指向精度、稳定度分别高达10-4度、10-6度/秒的双超控制，可应用于高低轨高分遥感、分布式遥感、高精度编队、高性能激光通信、空间攻防与深空探测等领域。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
主从非接触双超卫星平台主要由载荷舱和平台舱组成，载荷舱上安装有光纤陀螺、有效载荷、星敏感器、磁浮机构定子等安静部件，平台舱上安装有太阳帆板及其驱动机构、飞轮、推力器、贮箱、天线、磁浮机构动子等活动部件。载荷舱和平台舱这两舱间通过非接触磁浮机构实现动静隔离。
根据本发明提供的一种主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统，包括解锁锁紧状态信号发生器、姿态指令发生器、自适应姿态控制装置、载荷舱姿态主动控制装置、平台舱姿态从动控制装置、平台舱位置从动控制装置、解耦控制装置；
载荷舱姿态主动控制装置包括载荷舱姿态控制器、载荷姿态传感器；平台舱位置从动控制装置包括相对位置控制器、相对位置传感器；平台舱姿态从动控制装置包括相对姿态控制器；自适应姿态控制装置包括自适应姿态控制器；
当主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱解锁分离时，姿态指令发生器根据接收自解锁锁紧状态信号发生器的解锁信号，分别向载荷舱姿态主动控制装置、平台舱姿态从动控制装置、平台舱位置从动控制装置发送姿态指令；载荷舱姿态控制器根据姿态指令以及载荷姿态传感器测量得到的载荷舱姿态信息，输出载荷舱姿态控制指令；相对位置控制器根据姿态指令以及相对位置传感器测量得到的载荷舱与平台舱相对位置信息，输出载荷舱与平台舱相对位置控制指令；解耦控制装置根据载荷舱姿态控制指令、载荷舱与平台舱相对位置控制指令，形成磁浮机构姿控力与磁浮机构位控力，其中，磁浮机构姿控力施加于载荷舱，实现对载荷舱姿态的主动控制，磁浮机构位控力施加于载荷舱与平台舱，实现对平台舱位置的从动控制；相对姿态控制器根据姿态指令以及相对位置传感器测量得到的载荷舱与平台舱相对位置信息，对平台舱进行姿态的从动控制；
当主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱在轨锁紧时，姿态指令发生器根据接收自解锁锁紧状态信号发生器的锁紧信号；自适应姿态控制器根据姿态指令以及整体姿态传感器测量得到的载荷舱与平台舱的整体的姿态信息，对载荷舱与平台舱的整体进行姿态控制。
在主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱的解锁分离过程中，自适应姿态控制器根据解锁过程中主从非接触双超卫星平台质心与转动惯量的变化，自适应调整姿态控制参数，完成平台舱的姿态自适应从动控制。
在主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱的在轨锁紧过程中，自适应姿态控制器根据锁紧过程中主从非接触双超卫星平台质心与转动惯量的变化，自适应调整姿态控制参数，完成载荷舱与平台舱的整体的自适应姿态控制。
自适应姿态控制器能够在对接式构型或者内含式构型的惯量改变过程中，进行变惯量变质心控制或者变惯量控制。所述对接式构型，是指：主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱不共质心，载荷舱与平台舱在解锁和锁紧过程中，主从非接触双超卫星平台质心和转动惯量均发生变化。所述内含式构型，是指：主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱共质心，载荷舱与平台舱在解锁和锁紧过程中，主从非接触双超卫星平台质心基本不变化，转动惯量发生变化。具体地，内含式构型中，载荷体积、数量受限、可扩展性较弱、结构耦合严重、两舱连接界面复杂。对接式构型中，适应载荷大小均可、可多级悬挂、可扩展性强、结构耦合小、两舱连接界面清晰。
具体地，在主从非接触双超卫星平台入轨后，为了实现载荷舱的双超模式，两舱锁紧装置解锁，两舱分离，两舱控制模式为载荷舱主动，平台舱从动的控制模式，这个过程中，平台舱由最初的整星控制模式切换到仅控制平台舱跟随载荷舱的模式，即变惯量变质心控制，对此过程进行姿态控制，以实现载荷舱姿态的迅速收敛和双超控制；在轨重复锁紧解锁的解锁过程与初始解锁过程一致，在轨锁紧过程则与之相反，在此过程，载荷舱和平台舱由载荷舱主动，平台舱从动的控制模式切换到整星控制模式，即变惯量变质心控制，对此过程进行姿态控制，以实现双超平台整星姿态稳定控制，为后续进行轨道推进等任务提供良好的姿态，保证双超卫星平台在轨道推进过程中两舱之间锁紧固定。变惯量变质心控制，适用对接式构型的惯量改变过程伴随质心改变过程，还适用于内含式构型的只改变惯量，质心无明显变化的过程。
在一个优选例中，如图1所示，主从非接触双超卫星平台的姿态控制主要由解锁锁紧状态信号发生器101、姿态指令发生器102、整体姿态控制回路103、载荷舱姿态主动控制回路104、平台舱姿态从动控制回路105以及平台舱位置从动控制回路106组成；整体姿态控制回路103用于对相互锁紧的平台舱与载荷舱进行整体姿态控制；载荷舱姿态主动控制回路104用于在平台舱与载荷舱解锁时对载荷舱的姿态进行控制。
主从非接触双超卫星平台入轨后，以及在轨锁紧后重复解锁后，载荷舱与平台舱解锁分离，解锁锁紧状态信号发生器101发送解锁信号，姿态指令发生器102分别对载荷舱姿态主动控制回路104、平台舱姿态从动控制回路105以及平台舱位置从动控制回路106发出相应的姿态指令。载荷舱姿态控制器根据姿态指令以及载荷姿态传感器测量的姿态信息，相对位置控制器根据相对位置传感器测量的相对位置信息，通过解耦分配，形成磁浮机构姿控力与位控力，分别完成载荷舱姿态主动控制，以及平台舱位置从动控制。平台舱自适应姿态控制器根据解锁过程中，卫星平台质心与转动惯量的变化，自适应调整姿态控制参数，完成平台舱姿态从动控制。
主从非接触双超卫星在轨锁紧时，载荷舱与平台舱合为一体，解锁锁紧状态信号101发送锁紧信号，载荷舱姿态主动控制回路104、平台舱姿态从动控制回路105与平台舱位置从动控制回路106不工作，切换至平台舱与载荷舱整体姿态控制回路103，姿态指令发生器102向平台舱与载荷舱整体姿态控制回路103发出姿态指令。平台舱自适应姿态控制器根据锁紧过程中，卫星平台质心与转动惯量的变化，自适应调整姿态控制参数，完成平台舱+载荷舱整体姿态控制。
本发明可以解决主从非接触双超卫星平台两舱在入轨初始解锁以及在轨重复锁紧解锁过程中变质心、变惯量的姿态稳定控制问题，保证主从非接触双超卫星平台在轨正常工作，实现双超性能指标。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统，其特征在于，包括解锁锁紧状态信号发生器、姿态指令发生器、自适应姿态控制装置、载荷舱姿态主动控制装置、平台舱姿态从动控制装置、平台舱位置从动控制装置、解耦控制装置；
载荷舱姿态主动控制装置包括载荷舱姿态控制器、载荷姿态传感器；
平台舱位置从动控制装置包括相对位置控制器、相对位置传感器；
平台舱姿态从动控制装置包括相对姿态控制器；
自适应姿态控制装置包括自适应姿态控制器；
当主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱解锁分离时，姿态指令发生器根据接收自解锁锁紧状态信号发生器的解锁信号，分别向载荷舱姿态主动控制装置、平台舱姿态从动控制装置、平台舱位置从动控制装置发送姿态指令；载荷舱姿态控制器根据姿态指令以及载荷姿态传感器测量得到的载荷舱姿态信息，输出载荷舱姿态控制指令；相对位置控制器根据姿态指令以及相对位置传感器测量得到的载荷舱与平台舱相对位置信息，输出载荷舱与平台舱相对位置控制指令；解耦控制装置根据载荷舱姿态控制指令、载荷舱与平台舱相对位置控制指令，形成磁浮机构姿控力与磁浮机构位控力，其中，磁浮机构姿控力施加于载荷舱，实现对载荷舱姿态的主动控制，磁浮机构位控力施加于载荷舱与平台舱，实现对平台舱位置的从动控制；相对姿态控制器根据姿态指令以及相对位置传感器测量得到的载荷舱与平台舱相对位置信息，对平台舱进行姿态的从动控制；
当主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱在轨锁紧时，姿态指令发生器根据接收自解锁锁紧状态信号发生器的锁紧信号；自适应姿态控制器根据姿态指令以及整体姿态传感器测量得到的载荷舱与平台舱的整体的姿态信息，对载荷舱与平台舱的整体进行姿态控制。
2.根据权利要求1所述的主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统，其特征在于，在主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱的解锁分离过程中，自适应姿态控制器根据解锁过程中主从非接触双超卫星平台质心与转动惯量的变化，自适应调整姿态控制参数，完成平台舱的姿态自适应从动控制。
3.根据权利要求1所述的主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统，其特征在于，在主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱的在轨锁紧过程中，自适应姿态控制器根据锁紧过程中主从非接触双超卫星平台质心与转动惯量的变化，自适应调整姿态控制参数，完成载荷舱与平台舱的整体的自适应姿态控制。
4.根据权利要求2或3所述的主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统，其特征在于，自适应姿态控制器能够在对接式构型或者内含式构型的惯量改变过程中，进行变惯量变质心控制或者变惯量控制。
5.根据权利要求4所述的主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统，其特征在于，所述对接式构型，是指：主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱不共质心，载荷舱与平台舱在解锁和锁紧过程中，主从非接触双超卫星平台质心和转动惯量均发生变化。
6.根据权利要求4所述的主从非接触双超卫星平台变质心变惯量姿态控制系统，其特征在于，所述内含式构型，是指：主从非接触双超卫星平台的载荷舱与平台舱共质心，载荷舱与平台舱在解锁和锁紧过程中，主从非接触双超卫星平台质心基本不变化，转动惯量发生变化。
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