[發(fā)明專利]空間飛行器姿態(tài)控制地面仿真系統(tǒng)效能評(píng)估方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410326561.0
• 申請(qǐng)日: 2014-07-06
• 公開（公告）號(hào): CN104077456B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏紅偉;刁雁華;馬廣程;王常虹;劉飛;王有松
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
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1.一種空間飛行器姿態(tài)控制地面仿真系統(tǒng)效能評(píng)估方法，包括動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)的可信度評(píng)估、運(yùn)動(dòng)學(xué)子系統(tǒng)的可信度評(píng)估、測(cè)量子系統(tǒng)的可信度評(píng)估和控制子系統(tǒng)的可信度評(píng)估，其特征在于：

(1)、動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)的可信度評(píng)估方法如下：

給動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)輸入脈沖控制力矩，記錄角速率的脈沖響應(yīng)變化曲線，取上升時(shí)間與若干采樣點(diǎn)為相似元，與實(shí)際星上脈沖響應(yīng)比較，得到相似元的值；

根據(jù)層次分析法建立判斷矩陣P，經(jīng)過歸一化處理，得到相似元的權(quán)系數(shù)，最后計(jì)算得到動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)的可信度；

根據(jù)動(dòng)量矩定理，剛體空間飛行器的動(dòng)力學(xué)方程表示為：

T=H·+ω×H---(1)]]>

空間飛行器外力矩T包含控制力矩和干擾力矩兩部分，即T＝T_c+T_d，T_c為控制力矩，T_d為干擾力矩，空間飛行器的角動(dòng)量H由空間飛行器本體的角動(dòng)量h_s和飛輪的角動(dòng)量h_W兩部分組成，即H＝h_s+Dh_W，其中h_s＝Jω，J為空間飛行器本體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，D為飛輪的安裝方向陣，ω是轉(zhuǎn)動(dòng)角速率；

考慮飛輪的動(dòng)態(tài)特性，將T＝T_c+T_d、H＝h_s+Dh_W帶入式(1)中，得剛體空間飛行器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程為：

Jω·+ω×Jω=Tc+Td-Dh·w-ω×Dhw---(2)]]>

具體步驟如下：

步驟(1.1)：選取相似元du_i：給動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)輸入指令脈沖控制力矩，記錄系統(tǒng)角速率的脈沖響應(yīng)曲線，選取上升時(shí)間du₄和若干采樣點(diǎn)的數(shù)值為相似元以三個(gè)采樣點(diǎn)為例，它們對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為t₁，t₂，t₃，取對(duì)應(yīng)的數(shù)值大小du₁，du₂，du₃為相似元；

步驟(1.2)：計(jì)算相似元的值q(du_i)：與實(shí)際星上階躍響應(yīng)比較，得到相似元的值，地面仿真過程中，存在氣流摩擦力矩、渦流力矩、靜不平衡力矩的擾動(dòng)力矩，此外還有環(huán)境振動(dòng)、溫度變化、平臺(tái)變形的干擾；實(shí)際太空中存在太陽(yáng)光壓力矩、重力梯度力矩、地磁力矩和氣動(dòng)力矩的干擾力矩，所以兩個(gè)脈沖響應(yīng)曲線都是一個(gè)衰減過程，上升時(shí)間反應(yīng)了脈沖響應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化過程，采樣點(diǎn)反應(yīng)了脈沖響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)衰減過程，采樣點(diǎn)越多，越能夠體現(xiàn)動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)的仿真特性；

步驟(1.3)：計(jì)算相似元的權(quán)系數(shù)β_i：根據(jù)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型及其原理，上升時(shí)間在所有相似元中的重要性是最高的，在其余的采樣點(diǎn)中，越晚采樣，越能夠體現(xiàn)動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)的衰減特性，重要性越高，所以，相似元的重要程度從重到輕依次為：du₄＞du₃＞du₂＞du₁，根據(jù)層次分析法得到判斷矩陣P：

P=12461/21321/41/3121/61/21/21---(3)]]>

求出判斷矩陣P的最大特征值，λ_max＝4.1031，則一致性指標(biāo)平均隨機(jī)一致性指數(shù)RI₍₄₎＝0.90，則隨機(jī)一致性比率于是認(rèn)為判斷矩陣P的一致性是能夠接受的；

將列元素歸一化后的矩陣按行相加：

βi‾=2.0601.0570.5170.367T---(4)]]>

將列向量歸一化處理，得到相似元的權(quán)系數(shù)：

β_i＝[0.517?0.264?0.129?0.092]^T??????????????(5)

步驟(1.4)：計(jì)算動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)的可信度Q₁：

Q1=Σi4βiq(dui)---(6)]]>

(2)、運(yùn)動(dòng)學(xué)子系統(tǒng)的可信度評(píng)估方法如下：

采用基于四元數(shù)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程作為運(yùn)動(dòng)學(xué)子系統(tǒng)，由于實(shí)際空間飛行器和地面仿真系統(tǒng)都采用基于四元數(shù)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，所以運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)的可信度Q₂＝1；

(3)、測(cè)量子系統(tǒng)的可信度評(píng)估方法如下：

給測(cè)量子系統(tǒng)輸入指令姿態(tài)，記錄測(cè)量元件的輸出姿態(tài)，計(jì)算測(cè)量精度，作為相似元，結(jié)合星敏感器的測(cè)量精度，得到測(cè)量子系統(tǒng)的可信度，

根據(jù)層次分析法建立判斷矩陣P，經(jīng)過歸一化處理，得到相似元的權(quán)系數(shù)，最后計(jì)算得到測(cè)量子系統(tǒng)的可信度；

具體步驟如下：

步驟(3.1)：選取相似元u_i：給測(cè)量子系統(tǒng)指令姿態(tài)四元數(shù)q₀，記錄測(cè)量元件的輸出姿態(tài)四元數(shù)信息q₁，計(jì)算偏差四元數(shù)q_e，1：

qe,1=q0-1⊗q1---(7)]]>

偏差四元數(shù)是對(duì)姿態(tài)誤差的一種描述形式，其標(biāo)量部分接近等于1，矢量部分近似等于白噪聲，取其標(biāo)量部分的均值cu₁，方差cu₂，矢量部分的均值cu_3-5，方差cu_6-8作為相似元；

步驟(3.2)：計(jì)算相似元的值q(cu_i)：對(duì)于指令姿態(tài)四元數(shù)q₀，空間飛行器上星敏感器實(shí)際輸出姿態(tài)四元數(shù)q₂，它的偏差四元數(shù)q_e，2為：

qe,2=q0-1⊗q2---(8)]]>

q_e，1與q_e，2相比較，計(jì)算相似元的值q(cu_i)。

步驟(3.3)：計(jì)算相似元的權(quán)系數(shù)β_i：八個(gè)相似元的重要程度從重到輕依次為：cu₆＝cu₇＝cu₈＞cu₃＝cu₄＝cu₅＞cu₁＞cu₂，根據(jù)層次分析法得到判斷矩陣P：

P=1112224611122246111222461/21/21/2111321/21/21/2111321/21/21/2111321/41/41/41/31/31/3121/61/41/41/21/21/21/21---(9)]]>

求出判斷矩陣P的最大特征值，λ_max＝8.2206，則一致性指標(biāo)CI＝0.0315。平均隨機(jī)一致性指數(shù)RI₍₈₎＝1.41，則隨機(jī)一致性比率CR＝0.0223＜0.10，于是認(rèn)為判斷矩陣P的一致性是能夠接受的；

將判斷矩陣P按列歸一化得：

P‾=0.20340.20000.20000.20340.20340.20340.17780.22220.20340.20000.20000.20340.20340.20340.17780.22220.20340.20000.20000.20340.20340.20340.17780.22220.10170.10000.10000.10170.10170.10170.13330.07410.10170.10000.10000.10170.10170.10170.13330.07410.10170.10000.10000.10170.10170.10170.13330.07410.05080.05000.05000.03390.03390.03390.04440.07410.03390.05000.05000.05080.05080.05080.02220.0370---(10)]]>

將列元素歸一化后的矩陣按行相加：

βi‾=1.61361.61361.61360.81420.81420.81420.37110.3457T---(11)]]>

將列向量歸一化處理，得到相似元的權(quán)系數(shù)：

β_i＝[0.2017?0.2017?0.2017?0.1018?0.1018?0.1018?0.0464?0.0432]^T?????????(12)

步驟(3.4)：計(jì)算測(cè)量子系統(tǒng)的可信度Q₃：

Q3=Σi8βiq(cui)---(13)]]>

(4)、控制子系統(tǒng)的可信度評(píng)估方法如下：

控制子系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制算法兩部分組成，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有飛輪和噴氣推力器，飛輪在太空環(huán)境和地面環(huán)境下，不會(huì)產(chǎn)生變化，因此飛輪的可信度是1；噴氣推力器的推力與所處環(huán)境有關(guān)，取地面環(huán)境下的推力為相似元，與太空環(huán)境比較，計(jì)算相似元的值，

地面仿真系統(tǒng)的目的在于在地面環(huán)境中模擬太空環(huán)境中的衛(wèi)星機(jī)動(dòng)情況，因此為了保證天地一致性，地面仿真系統(tǒng)采用的控制算法和實(shí)際太空中采用的控制算法應(yīng)該是一樣的，所以控制算法的可信度是1；

具體步驟如下：

步驟(4.1)：選取相似元ku_i，計(jì)算相似元的值q(ku_i)：控制子系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制算法兩部分組成，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有飛輪和噴氣推力器，作為相似元ku₁和ku₂，飛輪在太空環(huán)境和地面環(huán)境下，不會(huì)產(chǎn)生變化，因此ku₁的值是1，噴氣推力器的推力與所處環(huán)境有關(guān)，噴氣推力器所選用的推力器電磁閥的工作壓力為0.70±0.05MPa，經(jīng)飛行驗(yàn)證，實(shí)際數(shù)據(jù)表明真空條件下推力達(dá)3.8±0.2N，經(jīng)計(jì)算在大氣常壓下其推力達(dá)到3.6N～3.7N，進(jìn)一步計(jì)算出相似元ku₂的值q(ku₂)；

地面仿真系統(tǒng)的目的在于在地面環(huán)境中模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)空間飛行器的姿態(tài)控制，因此為了保證天地一致性，控制子系統(tǒng)采用的控制算法和實(shí)際太空中采用的控制算法應(yīng)該是一樣的，所以控制算法ku₃的可信度是1；

步驟(4.2)：計(jì)算相似元的權(quán)系數(shù)β_i：由于地面仿真系統(tǒng)的目的在于在地面環(huán)境中模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)空間飛行器的姿態(tài)控制，因此控制算法ku₃的重要性是最高的，對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，飛輪用于空間飛行器姿態(tài)的末端控制，決定了姿態(tài)控制精度，而噴氣推力器用于空間飛行器的大角度機(jī)動(dòng)，所以三個(gè)相似元的重要程度從重到輕依次為：ku₃＞ku₂＞ku₁，根據(jù)層次分析法得到判斷矩陣P：

P=1241/2131/41/31---(14)]]>

求出判斷矩陣P的最大特征值，λ_max＝3.018，則一致性指標(biāo)CI＝0.0090。平均隨機(jī)一致性指數(shù)RI₍₃₎＝0.58，則隨機(jī)一致性比率CR＝0.0155＜0.10，于是認(rèn)為判斷矩陣P的一致性是能夠接受的；

將判斷矩陣P按列歸一化得：

P‾=0.5710.6010.5000.2860.3000.3750.1430.0990.125---(15)]]>

將列元素歸一化后的矩陣按行相加：

將列向量歸一化處理，得到相似元的權(quán)系數(shù)：

β_i＝[0.557?0.320?0.123]^T???????????(17)

步驟(4.3)：計(jì)算測(cè)量子系統(tǒng)的可信度Q₄：

Q4=Σi3βiq(kui)---(18)]]>

通過綜合上述四個(gè)子系統(tǒng)，地面仿真系統(tǒng)的整體效能評(píng)估方法如下：

根據(jù)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)Q₁、運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)Q₂、測(cè)量系統(tǒng)Q₃和控制系統(tǒng)的可信度Q₄，將上述四個(gè)分系統(tǒng)作為相似元，采用相關(guān)方法，計(jì)算地面仿真系統(tǒng)的整體效能Q₀，

方法是：將上述四個(gè)子系統(tǒng)看成四個(gè)相似元zu₁，zu₂，zu₃，zu₄，套用權(quán)系數(shù)確定方法，計(jì)算出整個(gè)地面仿真系統(tǒng)的可信度Q₀；

地面仿真模型中，動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)是最重要的，其次是測(cè)量子系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)學(xué)子系統(tǒng)，相似元的重要程度從重到輕依次為：zu₁＞zu₃＞zu₄＞zu₂，根據(jù)層次分析法得到判斷矩陣P：

P=12461/21321/41/3121/61/21/21---(19)]]>

求出判斷矩陣P的最大特征值，λ_max＝4.1031，則一致性指標(biāo)平均隨機(jī)一致性指數(shù)RI₍₄₎＝0.90，則隨機(jī)一致性比率于是認(rèn)為判斷矩陣P的一致性是能夠接受的；

將列元素歸一化后的矩陣按行相加：

βi‾=2.0601.0570.5170.367T---(20)]]>

將列向量歸一化處理，得到相似元的權(quán)系數(shù)：

β_i＝[0.517?0.264?0.129?0.092]^T????????????(21)

計(jì)算地面仿真系統(tǒng)的整體效能Q₀：

Q0=Σi4βiQi---(22)]]>

或者方法是：認(rèn)為地面仿真系統(tǒng)的整體效能Q₀是四個(gè)子系統(tǒng)可信度的加權(quán)平均值Q₀：

Q0=14(Q1+Q2+Q3+Q4)---(23)]]>

或者方法是：將四個(gè)子系統(tǒng)中最小的可信度作為地面仿真系統(tǒng)的整體效能Q₀：

Q₀＝min{Q₁?Q₂?Q₃?Q₄}????????????????(24)