CN110688731B - 一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法 - Google Patents

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CN110688731B CN201910791692.9A CN201910791692A CN110688731B CN 110688731 B CN110688731 B CN 110688731B CN 201910791692 A CN201910791692 A CN 201910791692A CN 110688731 B CN110688731 B CN 110688731B
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Abstract

一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，涉及星载运动附件扰动建模与抑制技术领域；包括如下步骤：步骤一、建立下平台坐标系OBXBYBZB；建立上平台坐标系OPXPYPZP；步骤二、建立下平台各铰点Bi的下平台铰链点坐标系BiXBiYBiZBi；建立下平台各铰点Bi的下平台铰链点坐标系PiXPiYPiZPi；步骤三、计算上平台运动引起的总角动量
Figure DDA0002179721030000011
步骤四、根据步骤三得到的上平台运动引起的总角动量
Figure DDA0002179721030000012
计算卫星的控制系统对指向运动的补偿力矩
Figure DDA0002179721030000013
对天线产生的扰动进行补偿；本发明有效抑制了平台指向运动的不利影响，保证卫星姿态具有高稳定度水平。

Description

一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法
技术领域
本发明涉及一种星载运动附件扰动建模与抑制技术领域，特别是一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法。
背景技术
当前，多载荷卫星通过将有效载荷安装在指向平台上，通过平台的敏捷指向实现对目标的扫描、凝视、跟踪等成像任务，从而提高载荷的工作效能。然而，载荷的指向运动势必会对整星姿态以及不同载荷的目标指向产生强烈干扰。如何有效消除载荷运动产生的姿态扰动，使各载荷能够互不干扰地执行各自的成像任务，从而使卫星系统达到一种扰动解耦的高动态协同控制状态，是多载荷卫星姿控系统必须解决的关键问题。然而，传统卫星姿态控制系统一般采用闭环反馈控制的方式实现卫星的姿态稳定，并不考虑载荷运动对卫星姿态的影响，这种处理方式在运动载荷单一，且相对较小时是合理的，但在运动载荷较大或者具有多个运动载荷时，反馈系统由于其固有的滞后特性，已难以抑制载荷指向运动对卫星平台的扰动影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，有效抑制了平台指向运动的不利影响，保证卫星姿态具有高稳定度水平。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，包括如下步骤：
步骤一、下平台与星本体固连，上平台为载荷安装面，建立下平台坐标系OBXBYBZB；建立上平台坐标系OPXPYPZP；
步骤二、下平台3个铰链点分别用Bi表示；上平台3个铰链点分别用Pi表示；下平台铰链点Bi与对应上平台铰链点Pi之间通过支杆连接；i为正整数，1≤i≤3；建立下平台各铰点Bi的下平台铰链点坐标系BiXBiYBiZBi；建立下平台各铰点Bi的下平台铰链点坐标系PiXPiYPiZPi；
步骤三、计算上平台运动引起的总角动量
Figure BDA0002179721010000021
步骤四、根据步骤三得到的上平台运动引起的总角动量
Figure BDA0002179721010000022
计算卫星的控制系统对指向运动的补偿力矩
Figure BDA0002179721010000023
对天线产生的扰动进行补偿。
在上述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，所述的步骤一中，下平台坐标系OBXBYBZB的建立方法为：
原点OB位于下平台的圆心，ZB轴垂直于下平台指向上平台，YB轴位于下平台所在平面，XB轴方向由右手法则确定；
上平台坐标系OPXPYPZP的建立方法为：
原点OP位于上平台铰点外接圆的圆心，ZP轴竖直向上，YP轴位于上平台所在平面，初始状态下与YB平行，XP轴方向由右手法则确定。
在上述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，所述的步骤二中，下平台铰链点坐标系BiXBiYBiZBi的建立方法为：
原点Bi位于下平台铰点Bi处，ZBi方向沿支杆方向向上，YBi方向为支杆的转动轴轴向，XBi方向由右手法则确定；
上平台铰链点坐标系PiXPiYPiZPi的建立方法为：
坐标原点Pi位于上平台铰点Pi处，ZPi方向沿支杆方向向上，YPi方向为支杆的转动轴，XPi方向由右手法则确定。
在上述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，所述的步骤三中，上平台运动引起的总角动量
Figure BDA0002179721010000024
的计算方法包括如下步骤：
S1、计算上平台的角动量
Figure BDA0002179721010000025
S2、计算支杆的角动量
Figure BDA0002179721010000026
S3、计算上平台运动引起的总角动量
Figure BDA0002179721010000027
在上述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，所述的S1中，上平台的角动量
Figure BDA0002179721010000031
的计算方法为：
测量星本体的姿态角速度为
Figure BDA0002179721010000032
上平台的姿态角速度为
Figure BDA0002179721010000033
设mj为上平台中的某一质点，则mj相对于下平台坐标系的位置矢量
Figure BDA0002179721010000034
为
Figure BDA0002179721010000035
式中，
Figure BDA0002179721010000036
为OP点相对于OB点的位置矢量；
Figure BDA0002179721010000037
为质点mj相对于OP的位置矢量；
则上平台的角动量
Figure BDA0002179721010000038
为：
Figure BDA0002179721010000039
式中，
Figure BDA00021797210100000310
为质点mj的线速度矢量；
Figure BDA00021797210100000311
将公式(3)代入公式(2)，得：
Figure BDA00021797210100000312
式中，mP为上平台的质量；
Figure BDA00021797210100000313
为上平台的一阶质量矩；
Figure BDA00021797210100000314
为上平台相对于OP点的转动惯量。
在上述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，所述的S2中，支杆的角动量
Figure BDA00021797210100000315
的计算方法为：
上平台铰链点Pi相对于下平台的线速度
Figure BDA00021797210100000316
为：
Figure BDA00021797210100000317
式中，
Figure BDA0002179721010000041
为铰接点Pi相对于OP点的位置矢量；
则支杆由于上平台铰链点Pi运动引起的牵连转动角速度
Figure BDA0002179721010000042
为：
Figure BDA0002179721010000043
式中，
Figure BDA0002179721010000044
为Pi点相对于Bi点的位置矢量；
Figure BDA0002179721010000045
建立支杆的角动量
Figure BDA0002179721010000046
的计算方程：
Figure BDA0002179721010000047
式中，
Figure BDA0002179721010000048
为支杆上部的角动量；
Figure BDA0002179721010000049
为支杆下部的角动量。
在上述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，所述支杆上部的角动量
Figure BDA00021797210100000410
的计算方法为：
Figure BDA00021797210100000411
式中，
Figure BDA00021797210100000412
为支杆上部的质量；
Figure BDA00021797210100000413
为支杆上部的一阶质量矩；
Figure BDA00021797210100000414
为支杆上部的转动惯量。
在上述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，所述支杆下部角动量
Figure BDA00021797210100000415
的计算方法为：
Figure BDA0002179721010000051
式中，
Figure BDA0002179721010000052
为支杆下部的质量；
Figure BDA0002179721010000053
为支杆下部的一阶质量矩；
Figure BDA0002179721010000054
为支杆下部的转动惯量。
在上述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，所述S3中，上平台运动引起的总角动量
Figure BDA0002179721010000055
的计算方法为：
Figure BDA0002179721010000056
在上述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，设定一个控制周期为Δt，计算一个控制周期Δt内，指向平台运动角动量变化量
Figure BDA0002179721010000057
Figure BDA0002179721010000058
式中，
Figure BDA0002179721010000059
为指向平台在时刻t相对于星体质心的角动量；
计算卫星的控制系统对指向运动的补偿力矩
Figure BDA00021797210100000510
Figure BDA00021797210100000511
式中，
Figure BDA00021797210100000512
为指向平台的角动量变化率。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明基于系统角动量的变化量进行扰动分析和补偿力矩设计，相比直接采用显式表达的力和力矩方程具有更广泛的物理意义，且不涉及难以测量的线加速度和角加速度，因而具有更好的工程适用性；
(2)本发明采用前馈力矩补偿的方式设计补偿量，不需要经过参数估计的收敛过程，保证了扰动补偿的实时性，这对于提高系统的动态性能，应对快速变化的平台扰动力矩有重要意义；
(3)本发明建立了一类具有环状铰接关系的运动机构精确扰动力矩模型，由于这类机构刚性好，能够利用结构分析软件获得较高精度的惯量/结构参数，从而确保了扰动分析结果的准确性，可进一步应用于具有类似结构形式运动系统的卫星姿态扰动估计。
附图说明
图1为本发明扰动建模与抑制流程示意图；
图2为本发明并联指向平台示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为扰动建模与抑制流程示意图，由图可知，一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，包括如下步骤：
步骤一、如图2所示为并联指向平台示意图，由图可知，下平台与星本体固连，上平台为载荷安装面，建立下平台坐标系OBXBYBZB；建立上平台坐标系OPXPYPZP；
下平台坐标系OBXBYBZB的建立方法为：
原点OB位于下平台的圆心，ZB轴垂直于下平台指向上平台，YB轴位于下平台所在平面，XB轴方向由右手法则确定；
上平台坐标系OPXPYPZP的建立方法为：
原点OP位于上平台铰点外接圆的圆心，ZP轴竖直向上，YP轴位于上平台所在平面，初始状态下与YB平行，XP轴方向由右手法则确定。
步骤二、下平台3个铰链点分别用Bi表示；上平台3个铰链点分别用Pi表示；下平台铰链点Bi与对应上平台铰链点Pi之间通过支杆连接；i为正整数，1≤i≤3；建立下平台各铰点Bi的下平台铰链点坐标系BiXBiYBiZBi；建立下平台各铰点Bi的下平台铰链点坐标系PiXPiYPiZPi。
下平台铰链点坐标系BiXBiYBiZBi的建立方法为：
原点Bi位于下平台铰点Bi处，ZBi方向沿支杆方向向上，YBi方向为支杆的转动轴轴向，XBi方向由右手法则确定；
上平台铰链点坐标系PiXPiYPiZPi的建立方法为：
坐标原点Pi位于上平台铰点Pi处，ZPi方向沿支杆方向向上，YPi方向为支杆的转动轴，XPi方向由右手法则确定。
步骤三、计算上平台运动引起的总角动量
Figure BDA0002179721010000071
上平台运动引起的总角动量
Figure BDA0002179721010000072
的计算方法包括如下步骤：
S1、计算上平台的角动量
Figure BDA0002179721010000073
上平台的角动量
Figure BDA0002179721010000074
的计算方法为：
测量星本体的姿态角速度为
Figure BDA0002179721010000075
下平台与星本体固连，上平台为载荷安装面，其姿态角速度为
Figure BDA0002179721010000076
设mj为上平台中的某一质点，则mj相对于下平台坐标系的位置矢量
Figure BDA0002179721010000077
为：
Figure BDA0002179721010000078
式中，
Figure BDA0002179721010000079
为OP点相对于OB点的位置矢量；
Figure BDA00021797210100000710
为质点mj相对于OP的位置矢量；
则上平台的角动量
Figure BDA00021797210100000711
为：
Figure BDA00021797210100000712
式中，
Figure BDA00021797210100000713
为质点mj的线速度矢量；
Figure BDA00021797210100000714
将公式(3)代入公式(2)，得：
Figure BDA00021797210100000715
式中，mP为上平台的质量；
Figure BDA0002179721010000081
为上平台的一阶质量矩；
Figure BDA0002179721010000082
为上平台相对于OP点的转动惯量。
S2、计算支杆的角动量
Figure BDA0002179721010000083
支杆的角动量
Figure BDA0002179721010000084
的计算方法为：
仅考虑上平台相对于下平台只存在姿态运动而不存在平移运动的情况，则上平台铰链点Pi相对于下平台的线速度
Figure BDA0002179721010000085
为：
Figure BDA0002179721010000086
式中，
Figure BDA0002179721010000087
为铰接点Pi相对于OP点的位置矢量；
则支杆由于上平台铰链点Pi运动引起的牵连转动角速度
Figure BDA0002179721010000088
为：
Figure BDA0002179721010000089
式中，
Figure BDA00021797210100000810
为Pi点相对于Bi点的位置矢量；
Figure BDA00021797210100000811
由此支杆必须进行伸缩运动才能适应上平台产生的牵连运动，此时支杆的质心、惯量等参数都将发生变化。为了避免将问题复杂化，可将支杆分解成两部分进行分析，一部分与上平台的Pi点铰接，一部分与下平台的Bi点铰接，两部分质心、惯量等参数不变，则支杆的角动量
Figure BDA00021797210100000812
是两部分的角动量之和：
建立支杆的角动量
Figure BDA00021797210100000813
的计算方程：
Figure BDA00021797210100000814
式中，
Figure BDA00021797210100000815
为支杆上部的角动量；
Figure BDA00021797210100000816
为支杆下部的角动量。
支杆上部的角动量
Figure BDA0002179721010000091
的计算方法为：
Figure BDA0002179721010000092
式中，
Figure BDA0002179721010000093
为支杆上部的质量；
Figure BDA0002179721010000094
为支杆上部的一阶质量矩；
Figure BDA0002179721010000095
为支杆上部的转动惯量。
支杆下部角动量
Figure BDA0002179721010000096
的计算方法为：
Figure BDA0002179721010000097
式中，
Figure BDA0002179721010000098
为支杆下部的质量；
Figure BDA0002179721010000099
为支杆下部的一阶质量矩；
Figure BDA00021797210100000910
为支杆下部的转动惯量。
S3、计算上平台运动引起的总角动量
Figure BDA00021797210100000911
根据上平台的角动量、支杆上、下部的角动量，可以求出上平台运动引起的总角动量
Figure BDA00021797210100000912
为：
Figure BDA00021797210100000913
步骤四、根据步骤三得到的上平台运动引起的总角动量
Figure BDA00021797210100000914
计算卫星的控制系统对指向运动的补偿力矩
Figure BDA00021797210100000915
对天线产生的扰动进行补偿。
卫星的控制系统对指向运动的补偿力矩
Figure BDA00021797210100000916
的计算方法为：
设定一个控制周期为Δt，计算一个控制周期Δt内，指向平台运动角动量变化量
Figure BDA0002179721010000101
Figure BDA0002179721010000102
式中，
Figure BDA0002179721010000103
为指向平台在时刻t相对于星体质心的角动量；
计算卫星的控制系统对指向运动的补偿力矩
Figure BDA0002179721010000104
Figure BDA0002179721010000105
式中，
Figure BDA0002179721010000106
为指向平台的角动量变化率。
步骤五、将步骤四计算得到的补偿力矩对卫星的控制量进行补偿，抑制指向平台对卫星的扰动的影响，在进行补偿时应满足如下公式
Figure BDA0002179721010000107
其中，
Figure BDA0002179721010000108
为整星转动惯量，
Figure BDA0002179721010000109
为反馈控制器输出的三轴姿控力矩；
Figure BDA00021797210100001010
为指向平台前馈补偿力矩，作用是抑制载荷指向运动引起的姿态扰动。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、下平台与星本体固连，上平台为载荷安装面，建立下平台坐标系OBXBYBZB；建立上平台坐标系OPXPYPZP；下平台坐标系OBXBYBZB的建立方法为：
原点OB位于下平台的圆心，ZB轴垂直于下平台指向上平台，YB轴位于下平台所在平面，XB轴方向由右手法则确定；
上平台坐标系OPXPYPZP的建立方法为：
原点OP位于上平台铰点外接圆的圆心，ZP轴竖直向上，YP轴位于上平台所在平面，初始状态下与YB平行，XP轴方向由右手法则确定；
步骤二、下平台3个铰链点分别用Bi表示；上平台3个铰链点分别用Pi表示；下平台铰链点Bi与对应上平台铰链点Pi之间通过支杆连接；i为正整数，1≤i≤3；建立下平台各铰点Bi的下平台铰链点坐标系BiXBiYBiZBi；建立上平台各铰点Pi的下平台铰链点坐标系PiXPiYPiZPi；下平台铰链点坐标系BiXBiYBiZBi的建立方法为：
原点Bi位于下平台铰点Bi处，ZBi方向沿支杆方向向上，YBi方向为支杆的转动轴轴向，XBi方向由右手法则确定；
上平台铰链点坐标系PiXPiYPiZPi的建立方法为：
坐标原点Pi位于上平台铰点Pi处，ZPi方向沿支杆方向向上，YPi方向为支杆的转动轴，XPi方向由右手法则确定；
步骤三、计算上平台运动引起的总角动量
Figure FDA0002645028160000011
上平台运动引起的总角动量
Figure FDA0002645028160000012
的计算方法包括如下步骤：
S1、计算上平台的角动量
Figure FDA0002645028160000013
上平台的角动量
Figure FDA0002645028160000014
的计算方法为：
测量星本体的姿态角速度为
Figure FDA0002645028160000015
上平台的姿态角速度为
Figure FDA0002645028160000016
设mj为上平台中的某一质点，则mj相对于下平台坐标系的位置矢量
Figure FDA0002645028160000021
为
Figure FDA0002645028160000022
式中，
Figure FDA0002645028160000023
为OP点相对于OB点的位置矢量；
Figure FDA0002645028160000024
为质点mj相对于OP的位置矢量；
则上平台的角动量
Figure FDA0002645028160000025
为：
Figure FDA0002645028160000026
式中，
Figure FDA0002645028160000027
为质点mj的线速度矢量；
Figure FDA0002645028160000028
联立上述公式，得：
Figure FDA0002645028160000029
式中，mP为上平台的质量；
Figure FDA00026450281600000210
为上平台的一阶质量矩；
Figure FDA00026450281600000211
为上平台相对于OP点的转动惯量；
S2、计算支杆的角动量
Figure FDA00026450281600000212
S3、计算上平台运动引起的总角动量
Figure FDA00026450281600000213
步骤四、根据步骤三得到的上平台运动引起的总角动量
Figure FDA00026450281600000214
计算卫星的控制系统对指向运动的补偿力矩
Figure FDA00026450281600000215
对天线产生的扰动进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，其特征在于：所述的S2中，支杆的角动量
Figure FDA00026450281600000216
的计算方法为：
上平台铰链点Pi相对于下平台的线速度
Figure FDA00026450281600000217
为：
Figure FDA00026450281600000218
式中，
Figure FDA0002645028160000031
为铰接点Pi相对于OP点的位置矢量；
则支杆由于上平台铰链点Pi运动引起的牵连转动角速度
Figure FDA0002645028160000032
为：
Figure FDA0002645028160000033
式中，
Figure FDA0002645028160000034
为Pi点相对于Bi点的位置矢量；
Figure FDA0002645028160000035
建立支杆的角动量
Figure FDA0002645028160000036
的计算方程：
Figure FDA0002645028160000037
式中，
Figure FDA0002645028160000038
为支杆上部的角动量；
Figure FDA0002645028160000039
为支杆下部的角动量。
3.根据权利要求2所述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，其特征在于：所述支杆上部的角动量
Figure FDA00026450281600000310
的计算方法为：
Figure FDA00026450281600000311
式中，
Figure FDA00026450281600000312
为支杆上部的质量；
Figure FDA00026450281600000313
为支杆上部的一阶质量矩；
Figure FDA00026450281600000314
为支杆上部的转动惯量。
4.根据权利要求3所述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，其特征在于：所述支杆下部角动量
Figure FDA00026450281600000315
的计算方法为：
Figure FDA00026450281600000316
式中，
Figure FDA0002645028160000041
为支杆下部的质量；
Figure FDA0002645028160000042
为支杆下部的一阶质量矩；
Figure FDA0002645028160000043
为支杆下部的转动惯量。
5.根据权利要求4所述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，其特征在于：所述S3中，上平台运动引起的总角动量
Figure FDA0002645028160000044
的计算方法为：
Figure FDA0002645028160000045
6.根据权利要求5所述的一种并联式指向平台的扰动建模与抑制方法，其特征在于：所述步骤四中，卫星的控制系统对指向运动的补偿力矩
Figure FDA0002645028160000046
的计算方法为：
设定一个控制周期为Δt，计算一个控制周期Δt内，指向平台运动角动量变化量
Figure FDA0002645028160000047
Figure FDA0002645028160000048
式中，
Figure FDA0002645028160000049
为指向平台在时刻t相对于星体质心的角动量；
计算卫星的控制系统对指向运动的补偿力矩
Figure FDA00026450281600000410
Figure FDA00026450281600000411
式中，
Figure FDA00026450281600000412
为指向平台的角动量变化率。
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