CN113232894A - 一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法 - Google Patents

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王淑一
陈超
王晋鹏
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綦艳霞
李晶心
何世民
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Abstract

本发明涉及一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法，属于卫星姿态控制技术领域。本发明解析计算方法，通过一次计算即可快速便捷地获得任意动量轮组合下的角动量最大包络，从而可根据其最大包络面分配动量轮输出力矩，以充分利用轮系的角动量输出能力，最终有效提升整星快速机动能力。

Description

一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法
技术领域
本发明涉及一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法，属于卫星姿态控制技术领域。
背景技术
对于轮控卫星，一般采用伪逆方法进行控制力矩分配，这种方法较为简单实用，但是基于伪逆的动量轮力矩分配所能实现的角动量输出相比轮系的最大角动量包络小得多，因此严重浪费了轮系的角动量输出能力，大幅降低了轮控卫星的姿态控制能力。为了充分利用动量轮组合的最大角动量包络，目前的方法是基于搜索方法计算轮系在各个方向上的最大角动量输出，通过大规模运算确定整个轮系的角动量输出的最大包络面，这对于星上有限的计算资源而言并不适用。对此，必须提出一种便于星上姿控系统实现的解析计算方法，通过一次计算即可快速便捷地获得任意动量轮组合下的角动量最大包络，从而可根据其最大包络面分配动量轮输出力矩，以充分利用轮系的角动量输出能力，最终有效提升整星快速机动能力。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对现有星载计算机计算能力的不足，提出一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法，通过一次计算即可快速便捷地获得任意动量轮组合下的角动量最大包络。
本发明的技术解决方案是：一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法，包括如下步骤：
确定各动量轮的标称角动量及其在整星质心坐标系下的安装向量；
根据动量轮的偏置角动量，计算动量轮角动量的输出范围；
计算动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij；i与j为动量轮编号，且不相等；
计算除动量轮i和j外其余N–2个动量轮饱和时在平面nij上的合成角动量方向；
依次计算两两不同动量轮含有偏置角动量时的全部角动量包络面的角点，根据所有角点画出所有包络面。
进一步地，各动量轮在整星质心坐标系下的安装向量为w1，…，wN，N个非共轴安装动量轮的安装矩阵为W＝[w1,w2,…,wN]∈R3×N；其中，N为正整数，R3×N为3×N的实数矩阵。
进一步地，所述动量轮角动量的输出范围为ΔHi＝[-Hmax-H0i,Hmax-H0i]；其中，动量轮的偏置角动量为H0i，动量轮最大角动量为Hmax。
进一步地，动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij为
Figure BDA0003050266580000021
其中，wi和wj分别为动量轮i和动量轮j的安装向量。
进一步地，所述合成角动量方向的计算方法为：
若sign(wk·nij)>0
Figure BDA0003050266580000022
若sign(wk·nij)<0
Figure BDA0003050266580000023
则合成角动量方向为
Figure BDA0003050266580000024
进一步地，包络面的角点的计算方法，
设动量轮i和动量轮j的四个角点为cij1,cij2,cij3,cij4，则包络面的四个角点分别为：
cij1＝ΔHi1·wi+ΔHj1·wj+vij
cij2＝ΔHi1·wi+ΔHj2·wj+vij
cij3＝ΔHi2·wi+ΔHj2·wj+vij
cij4＝ΔHi2·wi+ΔHj1·wj+vij。
一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现系统，包括：
第一模块，确定各动量轮的标称角动量及其在整星质心坐标系下的安装向量；
第二模块，根据动量轮的偏置角动量，计算动量轮角动量的输出范围；
第三模块，计算动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij；i与j为动量轮编号，且不相等；
第四模块，计算除动量轮i和j外其余N–2个动量轮饱和时在平面nij上的合成角动量方向；
第五模块，依次计算两两不同动量轮含有偏置角动量时的全部角动量包络面的角点，根据所有角点画出所有包络面。
进一步地，各动量轮在整星质心坐标系下的安装向量为w1，…，wN，N个非共轴安装动量轮的安装矩阵为W＝[w1,w2,…,wN]∈R3×N；其中，N为正整数，R3×N为3×N的实数矩阵；
所述动量轮角动量的输出范围为ΔHi＝[-Hmax-H0i,Hmax-H0i]；其中，动量轮的偏置角动量为H0i，动量轮最大角动量为Hmax；
动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij为
Figure BDA0003050266580000031
其中，wi和wj分别为动量轮i和动量轮j的安装向量；
所述合成角动量方向的计算方法为：
若sign(wk·nij)>0
Figure BDA0003050266580000032
若sign(wk·nij)<0
Figure BDA0003050266580000041
则合成角动量方向为
Figure BDA0003050266580000042
包络面的角点的计算方法，
设动量轮i和动量轮j的四个角点为cij1,cij2,cij3,cij4，则包络面的四个角点分别为：
cij1＝ΔHi1·wi+ΔHj1·wj+vij
cij2＝ΔHi1·wi+ΔHj2·wj+vij
cij3＝ΔHi2·wi+ΔHj2·wj+vij
cij4＝ΔHi2·wi+ΔHj1·wj+vij。
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法的步骤。
一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明通过解析计算可以一次获得动量轮组合的最大角动量包络面，计算效率高，存储量小，便于星上计算实现；
(2)、本发明所获得的角动量最大包络面具有清晰的边界，根据包络面可精确获得具有最大包络特性的动量轮分配力矩，从而获得一种不同于伪逆法的动量轮力矩分配方法；
(3)、本发明获得的最大角动量包络面进行动量轮力矩分配，可大幅提升动量轮组合的角动量输出能力，从而提升整星的快速机动能力和动量轮抗饱和能力。
附图说明
图1为本发明方法流程框图；
图2，左图为采用本发明所述方法得到的5动量轮角动量最大包络，右图为采用搜索方法得到的5动量轮角动量最大包络；
图3，左图为采用本发明所述方法得到的4动量轮角动量最大包络，右图为采用搜索方法得到的4动量轮角动量最大包络。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～3 所示)：
确定各动量轮的标称角动量及其在整星质心坐标系下的安装向量；
根据动量轮的偏置角动量，计算动量轮角动量的输出范围；
计算动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij；i与j为动量轮编号，且不相等；
计算除动量轮i和j外其余N–2个动量轮饱和时在平面nij上的合成角动量方向；
依次计算两两不同动量轮含有偏置角动量时的全部角动量包络面的角点，根据所有角点画出所有包络面。
进一步，在本申请提供的实施例中，各动量轮在整星质心坐标系下的安装向量为w1，…，wN，N个非共轴安装动量轮的安装矩阵为W＝[w1,w2,…,wN] ∈R3×N；其中，N为正整数，R3×N为3×N的实数矩阵。
在一种可能实现的方式中，所述动量轮角动量的输出范围为ΔHi＝[-Hmax- H0i,Hmax-H0i]；其中，动量轮的偏置角动量为H0i，动量轮最大角动量为Hmax。
进一步，在一种可能实现的方式中，动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij为
Figure BDA0003050266580000061
其中，wi和wj分别为动量轮i和动量轮j的安装向量。
在一种可能实现的方式中，所述合成角动量方向的计算方法为：
若sign(wk·nij)>0
Figure BDA0003050266580000062
若sign(wk·nij)<0
Figure BDA0003050266580000063
则合成角动量方向为
Figure BDA0003050266580000064
可选的，在一种可能实现的方式中，包络面的角点的计算方法，
设动量轮i和动量轮j的四个角点为cij1,cij2,cij3,cij4，则包络面的四个角点分别为：
cij1＝ΔHi1·wi+ΔHj1·wj+vij
cij2＝ΔHi1·wi+ΔHj2·wj+vij
cij3＝ΔHi2·wi+ΔHj2·wj+vij
cij4＝ΔHi2·wi+ΔHj1·wj+vij。
基于与图1相同的发明构思，本发明还提供一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现系统，包括：
第一模块，确定各动量轮的标称角动量及其在整星质心坐标系下的安装向量；
第二模块，根据动量轮的偏置角动量，计算动量轮角动量的输出范围；
第三模块，计算动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij；i与j为动量轮编号，且不相等；
第四模块，计算除动量轮i和j外其余N–2个动量轮饱和时在平面nij上的合成角动量方向；
第五模块，依次计算两两不同动量轮含有偏置角动量时的全部角动量包络面的角点，根据所有角点画出所有包络面。
进一步，各动量轮在整星质心坐标系下的安装向量为w1，…，wN，N个非共轴安装动量轮的安装矩阵为W＝[w1,w2,…,wN]∈R3×N；其中，N为正整数， R3×N为3×N的实数矩阵。
在一种可能实现的方式中，所述动量轮角动量的输出范围为ΔHi＝[-Hmax- H0i,Hmax-H0i]；其中，动量轮的偏置角动量为H0i，动量轮最大角动量为Hmax；
动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij为
Figure BDA0003050266580000071
其中，wi和wj分别为动量轮i和动量轮j的安装向量。
在一种可能实现的方式中，所述合成角动量方向的计算方法为：
若sign(wk·nij)>0
Figure BDA0003050266580000072
若sign(wk·nij)<0
Figure BDA0003050266580000073
则合成角动量方向为
Figure BDA0003050266580000074
在一种可能实现的方式中，包络面的角点的计算方法，
设动量轮i和动量轮j的四个角点为cij1,cij2,cij3,cij4，则包络面的四个角点分别为：
cij1＝ΔHi1·wi+ΔHj1·wj+vij
cij2＝ΔHi1·wi+ΔHj2·wj+vij
cij3＝ΔHi2·wi+ΔHj2·wj+vij
cij4＝ΔHi2·wi+ΔHj1·wj+vij。
实施例
根据本发明提出的方法，以50Nms动量轮以五棱锥构型安装为例，其最大角动量包络面为图1和图2左图所示。采用Matlab工具箱中的搜索函数 fminimax找出最大角动量，通过104次搜索运算，即可获得动量轮的角动量最大包络面，如图1和图2的右图所示。计算结果表明，两种方法获得的最大包络面完全一致，但是后者由于没有解析形式，运算量很大，耗时较多，不利于星上计算机实现；前者通过解析计算可一次获得包络面，计算速度快，存储量小，当需要使用时可随时调用，便于星上计算最大角动量包络下的动量轮力矩分配。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
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 (10)

1.一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定各动量轮的标称角动量及其在整星质心坐标系下的安装向量；
根据动量轮的偏置角动量，计算动量轮角动量的输出范围；
计算动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij；i与j为动量轮编号，且不相等；
计算除动量轮i和j外其余N–2个动量轮饱和时在平面nij上的合成角动量方向；
依次计算两两不同动量轮含有偏置角动量时的全部角动量包络面的角点，根据所有角点画出所有包络面。
2.根据权利要求1所述的一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法，其特征在于：各动量轮在整星质心坐标系下的安装向量为w1，…，wN，N个非共轴安装动量轮的安装矩阵为W＝[w1,w2,…,wN]∈R3×N；其中，N为正整数，R3×N为3×N的实数矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法，其特征在于：所述动量轮角动量的输出范围为ΔHi＝[-Hmax-H0i,Hmax-H0i]；其中，动量轮的偏置角动量为H0i，动量轮最大角动量为Hmax。
4.根据权利要求1所述的一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法，其特征在于，动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij为
Figure FDA0003050266570000011
其中，wi和wj分别为动量轮i和动量轮j的安装向量。
5.根据权利要求1所述的一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法，其特征在于，所述合成角动量方向的计算方法为：
若sign(wk·nij)>0
Figure FDA0003050266570000021
若sign(wk·nij)<0
Figure FDA0003050266570000022
则合成角动量方向为
Figure FDA0003050266570000023
6.根据权利要求1所述的一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现方法，其特征在于，包络面的角点的计算方法，
设动量轮i和动量轮j的四个角点为cij1,cij2,cij3,cij4，则包络面的四个角点分别为：
cij1＝ΔHi1·wi+ΔHj1·wj+vij
cij2＝ΔHi1·wi+ΔHj2·wj+vij
cij3＝ΔHi2·wi+ΔHj2·wj+vij
cij4＝ΔHi2·wi+ΔHj1·wj+vij。
7.一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现系统，其特征在于，包括：
第一模块，确定各动量轮的标称角动量及其在整星质心坐标系下的安装向量；
第二模块，根据动量轮的偏置角动量，计算动量轮角动量的输出范围；
第三模块，计算动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij；i与j为动量轮编号，且不相等；
第四模块，计算除动量轮i和j外其余N–2个动量轮饱和时在平面nij上的合成角动量方向；
第五模块，依次计算两两不同动量轮含有偏置角动量时的全部角动量包络面的角点，根据所有角点画出所有包络面。
8.根据权利要求7所述的一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现系统，其特征在于，各动量轮在整星质心坐标系下的安装向量为w1，…，wN，N个非共轴安装动量轮的安装矩阵为W＝[w1,w2,…,wN]∈R3×N；其中，N为正整数，R3×N为3×N的实数矩阵；
所述动量轮角动量的输出范围为ΔHi＝[-Hmax-H0i,Hmax-H0i]；其中，动量轮的偏置角动量为H0i，动量轮最大角动量为Hmax；
动量轮i和动量轮j构成的最大包络面法向量nij为
Figure FDA0003050266570000031
其中，wi和wj分别为动量轮i和动量轮j的安装向量；
所述合成角动量方向的计算方法为：
若sign(wk·nij)>0
Figure FDA0003050266570000032
若sign(wk·nij)<0
Figure FDA0003050266570000033
则合成角动量方向为
Figure FDA0003050266570000034
包络面的角点的计算方法，
设动量轮i和动量轮j的四个角点为cij1,cij2,cij3,cij4，则包络面的四个角点分别为：
cij1＝ΔHi1·wi+ΔHj1·wj+vij
cij2＝ΔHi1·wi+ΔHj2·wj+vij
cij3＝ΔHi2·wi+ΔHj2·wj+vij
cij4＝ΔHi2·wi+ΔHj1·wj+vij。
9.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～权利要求6任一所述方法的步骤。
10.一种多动量轮角动量最大包络计算在轨实现设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1～权利要求6任一所述方法的步骤。
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