[發明專利]一種基于PD控制律的姿態控制IP核及采用該IP核的衛星姿態控制力矩計算系統

無效

• 申請號: 201110141483.3
• 申請日: 2011-05-27
• 公開（公告）號: CN102346486A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發明（設計）人: 張相宇;張志剛;于文進;蘭盛昌;張錦繡;曹喜濱;林曉輝;潘瑞;馬玉海
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

技術領域

本發明涉及航天電子領域，尤其涉及一種衛星應用的、采用硬件描述語言實現的基于PD控制律的衛星姿態控制專用IP核及設計方法。

背景技術

隨著技術的發展，國內外將FPGA用于實現各種濾波算法和控制器已經有較多討論，且FPGA在航天領域的應用也越來越多。大規模的基于SRAM的FPGA，同基于反熔絲的FPGA一樣，已經可以被應用于航天領域。建立基于FPGA的姿態控制系統，利用了FPGA處理速度快，結構簡單、輕便的優點，以硬件處理代替軟件計算。既減輕了星載計算機的負擔，又減少了姿態控制對星載計算機的依賴，為微小衛星的正常運行提供了保障。這將會是姿態控制技術一個重要的發展方向。

PD控制算法是衛星姿態控制算法中最常用的算法，將其利用IP核實現，通過以FPGA為載體的星載計算機片內總線連接CPU，可以協同星載計算機完成姿態控制算法的計算，從而減小星載計算機的負擔，并提高姿態控制系統的性能。

坐標系定義到控制算法

設衛星的絕對角速度，即衛星本體相對于慣性空間的姿態角速度為ω；軌道坐標系相對于地心慣性坐標系的角速度為ω₀；衛星本體相對于軌道坐標系的角速度為ω_bo；由角速度矢量的疊加性得：

ω＝ω_bo+ω₀?????????????????(1)

其中ω₀＝[0-ω₀0]^T，ω₀為航天器質心繞地心的軌道角速度。

采用ZYX順序旋轉的歐拉角參數來描述衛星本體坐標相對軌道坐標系的姿態，則姿態角速度ω在星體坐標系下的分量列陣可表示為：

(2)

其中ω_x、ω_y、ω_z分別為衛星相對慣性空間的姿態角速度ω在星體坐標系x、y、z軸的分量，θ、ψ分別為ZYX旋轉順序下的三個歐拉角，分別為相應歐拉角的變化率，分別為旋轉過程中的姿態轉換矩陣，為軌道坐標系到星體坐標系的姿態轉換矩陣。

在此基礎上建立衛星姿態動力學方程，將衛星視為剛體，取系統質心C為參考點時，根據動量矩定理：角動量h對時間的導數等于作用在剛體質心的外力矩T。根據矢量在不同坐標系下對時間的導數關系有：

dIhdt=dBhdt+ω×h=T---(3)]]>

下標_I代表在慣性系下對時間的導數，而_B代表在剛體固聯坐標系下對時間的導數。將h＝I·ω帶入上式得：

I·ω.+ω×h=T---(4)]]>

其中I為星體轉動慣量矩陣，ω為星體相對慣性系的轉動角速度，h＝I·ω為星體角動量，T為星體所受的外力矩。

控制算法：

在(1)式中ω₀可以表示為：

其中為真近點角，p為軌道半正交弦，μ為中心天體引力常數。若衛星軌道為圓形，軌道半徑R與半正交弦p相等，則有：