CN110450982B - 空间扫描机构的角动量前馈补偿方法及补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间扫描机构的角动量前馈补偿方法，包括以下步骤，S1、构建角动量前馈补偿模型：根据空间扫描机构的扫描运动模型构建角动量前馈补偿模型；S2、信息采集：星载计算机采集空间扫描机构的启动时刻信息和运动过程中的换向时刻信息；S3、计算输出反作用飞轮最终转速：星载计算机根据步骤S1得到的角动量前馈补偿模型，结合步骤S2的采集信息，输出反作用飞轮的最终转速，实现对空间扫描机构的角动量前馈补偿。本发明根据一类扫描相机扫描运动规律的方法的特点，针对性的设计了搭载此类载荷的遥感卫星的角动量前馈补偿方法，可以较好的提升遥感卫星成像质量。

Description

空间扫描机构的角动量前馈补偿方法及补偿系统

技术领域

本发明涉及航天设备控制技术领域，具体地，涉及空间扫描机构的角动量前馈补偿方法及补偿系统。

背景技术

一类遥感卫星采用的相机是以扫描机构运动实现大范围的观测任务，扫描机构的运动会对遥感成像的质量带来影响，因此需要对其进行运动补偿，使卫星的姿态稳定度满足指标。这类扫描机构通常有固定的运动规律，可以通过前馈的力矩或角动量补偿对运动干扰进行抑制。

经过对现有技术的检索，申请号为201811511144.8的发明专利公开了一种卫星动量轮在轨姿态无偏差起旋和消旋的控制方法，包括如下步骤：遥控注数设置卫星最终需要的目标角动量；管理反作用飞轮的动量，控制所述卫星在期望中心转速范围内工作；计算磁前馈力矩；将卫星控制器计算的输出力矩、磁前馈力矩、常规的解耦力矩和干扰补偿力矩合成得到三轴指令力矩控制周期内积分得到三轴卫星的指令角动量，根据卫星的安装矩阵计算得到正在使用的卫星的指令转速。该方法不适用遥感卫星的空间扫描机构的角动量前馈补偿。

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空间扫描机构的角动量前馈补偿方法及补偿系统。

根据本发明提供的一种空间扫描机构的角动量前馈补偿方法，包括以下步骤，

S1、构建角动量前馈补偿模型：根据空间扫描机构的扫描运动模型构建角动量前馈补偿模型；

其中，I_SM为扫描机构的绕转动轴的转动惯量，ω_SM(t)为扫描机构的运动角速度随时间变化的函数，上述I_SM、ω_SM(t)为已知量，H(t)即为待求的设计值。

ω_SM(t)表达式如下

其中ω_max为扫描机构运动的最大角速度，f为扫描运动加(减)速正弦曲线的频率；t1为扫描机构加速运动结束时刻，t2为扫描机构匀速运动结束时刻。

S2、信息采集：星载计算机采集空间扫描机构的启动时刻信息和运动过程中的换向时刻信息；

S3、计算输出反作用飞轮最终转速：星载计算机根据步骤S1得到的角动量前馈补偿模型，结合步骤S2的采集信息，输出反作用飞轮的最终转速，实现对空间扫描机构的角动量前馈补偿。

进一步地，所述步骤S1中，角动量前馈补偿模型的构建方法包括：

S11、将空间扫描机构的扫描运动模型表述为角动量与时间的关系式H_SW＝I_SM×ω_SM(t)；

S12、将步骤S11中的角动量与时间的关系式按照1/2正弦周期加速、减速及匀速的规律重新描述得到角动量前馈补偿模型，使得角动量前馈补偿模型中的角动量与时间轴包络的面积和空间扫描机构的角动量与时间轴包络的面积相等。

进一步地，所述步骤S2中，采用感应同步器采集扫描机构运动信息，具体的信息采集方法包括：

S21、采集空间扫描机构的启动时刻信息并进行编码，输出给星载计算机；

S22、采集空间扫描机构运动过程中的换向时刻信息并进行编码，输出给星载计算机。

进一步地，所述步骤S3中，反作用飞轮最终转速的计算方法如下：

S31、根据步骤S1得到的角动量前馈补偿模型，结合步骤S2得采集到的信息，按照下式计算反作用飞轮前馈补偿转速ω：

其中，H为步骤S1中的角动量前馈补偿模型实时得出的角动量，单位Nms，J为反作用飞轮的转动惯量，单位kgm²；

S32、将步骤S31得到的反作用飞轮前馈补偿转速ω与反作用飞轮当前转速ω₀进行叠加，输出反作用飞轮的最终转速。

本发明还提供一种空间扫描机构的角动量前馈补偿系统，包括以下模块，

角动量前馈补偿模型构建模块：根据空间扫描机构的扫描运动模型构建角动量前馈补偿模型；

信息采集模块：星载计算机采集空间扫描机构的启动时刻信息和运动过程中的换向时刻信息；

反作用飞轮最终转速的计算输出模块：星载计算机根据角动量前馈补偿模型构建模块得到的角动量前馈补偿模型，结合信息采集模块的采集的信息，输出反作用飞轮的最终转速，实现对空间扫描机构的角动量前馈补偿。

进一步地，所述角动量前馈补偿模型构建模块中，角动量前馈补偿模型的构建方法包括：

S11、将空间扫描机构的扫描运动模型表述为角动量与时间的关系式；

S12、将步骤S11中的角动量与时间的关系式按照1/2正弦周期加速、减速及匀速的规律重新描述得到角动量前馈补偿模型，使得角动量前馈补偿模型中的角动量与时间轴包络的面积和空间扫描机构的角动量与时间轴包络的面积相等。

进一步地，所述信息采集模块的信息采集方法包括：

S21、采集空间扫描机构的启动时刻信息并进行编码，输出给星载计算机；

S22、采集空间扫描机构运动过程中的换向时刻信息并进行编码，输出给星载计算机。

进一步地，所述反作用飞轮最终转速的计算输出模块中，反作用飞轮最终转速的计算方法如下：

S31、根据步骤S1得到的角动量前馈补偿模型，结合步骤S2得采集到的信息，按照下式计算反作用飞轮前馈补偿转速ω：

其中，H为步骤S1中的角动量前馈补偿模型实时得出的角动量，单位Nms，J为反作用飞轮的转动惯量，单位kgm²；

S32、将步骤S31得到的反作用飞轮前馈补偿转速ω与反作用飞轮稳态控制转速ω₀进行叠加，输出反作用飞轮的最终转速。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明补偿方法只需借助卫星常规控制的反作用飞轮，不需要另行增加补偿轮，减少了执行机构的配置。

2.本发明提出的角动量补偿方法相对力矩前馈补偿方法对飞轮与扫描机构的同步性要求相对降低，易于工程实现。

3、本发明补偿方法根据一类扫描相机扫描运动规律的方法的特点，针对性的设计了搭载此类载荷的遥感卫星的角动量前馈补偿方法，可以较好的提升遥感卫星成像质量。

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为本发明获取角动量前馈补偿模型的原理图；

图2为扫描机构运动特征及计算机信息采集时刻示意图。

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。

本发明针对一类采用固定扫描规律的扫描相机作为载荷的遥感卫星，设计了角动量前馈补偿方法。

接下来对本发明做进一步详细的描述。

一种空间扫描机构的角动量前馈补偿方法，包括以下步骤，

S1、构建角动量前馈补偿模型：根据空间扫描机构的扫描运动模型构建角动量前馈补偿模型；

其中，I_SM为扫描机构的绕转动轴的转动惯量为，ω_SM(t)为扫描机构的运动角速度随时间变化的函数，上述I_SM、ω_SM(t)为已知量，H(t)即为待求的设计值；

ω_SM(t)表达式如下

其中ω_max为扫描机构运动的最大速度，f为扫描运动加(减)速正弦曲线的频率。

角动量前馈补偿模型的构建方法包括：

S11、将空间扫描机构的扫描运动模型表述为角动量大小与时间的关系式H_SW＝I_SM×ω_SM(t)，角动量大小为纵坐标、时间为横坐标；

S12、将步骤S11中的角动量大小与时间的关系式按照1/2正弦周期加速、减速及匀速的规律重新描述得到角动量前馈补偿模型，使得角动量前馈补偿模型中的角动量与时间轴包络的面积和扫描相机的角动量与时间轴包络的面积相等。

角动量前馈补偿模型加减速规律要改写成1/2正弦周期，要满足扫描运动的角动量包络面积A与角动量前馈补偿模型的面积B相等(如图1所示)。

S2、信息采集：星载计算机采集空间扫描机构的启动时刻信息和运动过程中的换向时刻信息；

采用感应同步器采集扫描机构运动信息，具体的信息采集方法包括：

S21、采集空间扫描机构的启动时刻信息并进行编码，输出给星载计算机；

S22、采集空间扫描机构运动过程中的换向时刻信息并进行编码，输出给星载计算机。

扫描运动的启动时刻(①)和码字、运动换向的时刻(②、③、④…)和码字要同步送给星载计算机(如图2所示)。

S3、计算输出反作用飞轮最终转速：星载计算机根据步骤S1得到的角动量前馈补偿模型，结合步骤S2的采集信息，同步输出角动量补偿指令给反作用飞轮，然后输出反作用飞轮的最终转速，实现对空间扫描机构的角动量前馈补偿；

反作用飞轮最终转速的计算方法如下：

S31、根据步骤S1得到的角动量前馈补偿模型，结合步骤S2得采集到的信息及编码，按照下式计算反作用飞轮前馈补偿转速ω：

其中，H为步骤S1中的角动量前馈补偿模型实时得出的角动量，单位Nms，J为反作用飞轮的转动惯量，单位kgm²；

S32、将步骤S31得到的反作用飞轮前馈补偿转速ω与反作用飞轮当前转速ω₀进行叠加，输出反作用飞轮的最终转速，最终转速为稳态控制用输出转速ω₀与角动量前馈补偿模型计算的转速ω之和。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

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)

1.一种空间扫描机构的角动量前馈补偿方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1、构建角动量前馈补偿模型：根据空间扫描机构的扫描运动模型构建角动量前馈补偿模型；角动量前馈补偿模型的构建方法包括：

S11、将空间扫描机构的扫描运动模型表述为角动量与时间的关系式；

S12、将步骤S11中的角动量与时间的关系式按照1/2正弦周期加速、减速及匀速的规律重新描述得到角动量前馈补偿模型，使得角动量前馈补偿模型中的角动量与时间轴包络的面积和空间扫描机构的角动量与时间轴包络的面积相等；

S2、信息采集：星载计算机采集空间扫描机构的启动时刻信息和运动过程中的换向时刻信息；

S3、计算输出反作用飞轮最终转速：星载计算机根据步骤S1得到的角动量前馈补偿模型，结合步骤S2的采集信息，输出反作用飞轮的最终转速，实现对空间扫描机构的角动量前馈补偿。

2.根据权利要求1所述的空间扫描机构的角动量前馈补偿方法，其特征在于，所述步骤S2中，信息采集方法包括：

S21、采集空间扫描机构的启动时刻信息并进行编码，输出给星载计算机；

S22、采集空间扫描机构运动过程中的换向时刻信息并进行编码，输出给星载计算机。

3.根据权利要求1所述的空间扫描机构的角动量前馈补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中，反作用飞轮最终转速的计算方法如下：

S31、根据步骤S1得到的角动量前馈补偿模型，结合步骤S2的 采集到的信息，按照下式计算反作用飞轮前馈补偿转速ω：

其中，H为步骤S1中的角动量前馈补偿模型实时得出的角动量，单位Nms，J为反作用飞轮的转动惯量，单位kgm²；

S32、将步骤S31得到的反作用飞轮前馈补偿转速ω与反作用飞轮当前转速ω₀进行叠加，输出反作用飞轮的最终转速。

4.一种空间扫描机构的角动量前馈补偿系统，其特征在于，包括以下模块，

角动量前馈补偿模型构建模块：根据空间扫描机构的扫描运动模型构建角动量前馈补偿模型；角动量前馈补偿模型的构建方法包括：

S11、将空间扫描机构的扫描运动模型表述为角动量与时间的关系式；

S12、将步骤S11中的角动量与时间的关系式按照1/2正弦周期加速、减速及匀速的规律重新描述得到角动量前馈补偿模型，使得角动量前馈补偿模型中的角动量与时间轴包络的面积和空间扫描机构的角动量与时间轴包络的面积相等；

信息采集模块：星载计算机采集空间扫描机构的启动时刻信息和运动过程中的换向时刻信息；

反作用飞轮最终转速的计算输出模块：星载计算机根据角动量前馈补偿模型构建模块得到的角动量前馈补偿模型，结合信息采集模块的采集的信息，输出反作用飞轮的最终转速，实现对空间扫描机构的角动量前馈补偿。

5.根据权利要求4所述的空间扫描机构的角动量前馈补偿系统，其特征在于，所述信息采集模块的信息采集方法包括：

S21、采集空间扫描机构的启动时刻信息并进行编码，输出给星载计算机；

S22、采集空间扫描机构运动过程中的换向时刻信息并进行编码，输出给星载计算机。

6.根据权利要求4所述的空间扫描机构的角动量前馈补偿系统，其特征在于，所述反作用飞轮最终转速的计算输出模块中，反作用飞轮最终转速的计算方法如下：

S31、根据步骤S1得到的角动量前馈补偿模型，结合步骤S2的 采集到的信息，按照下式计算反作用飞轮前馈补偿转速ω：

其中，H为步骤S1中的角动量前馈补偿模型实时得出的角动量，单位Nms，J为反作用飞轮的转动惯量，单位kgm²；

S32、将步骤S31得到的反作用飞轮前馈补偿转速ω与反作用飞轮稳态控制转速ω₀进行叠加，输出反作用飞轮的最终转速。

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