[發明專利]臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法及控制系統

有效

• 申請號: 201410641627.5
• 申請日: 2014-11-12
• 公開（公告）號: CN104483899A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 曹小濤;王棟;劉南南;楊維帆
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 王丹陽

技術領域

本發明涉及工業自動化技術領域，具體涉及一種臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法及控制系統。

背景技術

空間天文望遠鏡搭載于衛星或飛船等空間飛行器上完成對宇宙天體的拍攝任務，是天文學所需的一種極為重要的探測儀器。為實現高清晰天體成像，一般要求空間天文望遠鏡具有較高精度的慣性指向能力。臂式空間天文望遠鏡一般包括空間天文望遠鏡2和臂式機構，其中臂式機構由多個旋轉關節4串聯組成，臂式機構一端安裝于空間飛行器1上，另一端安裝于空間天文望遠鏡2上。在臂式空間天文望遠鏡的天文觀測過程中，通過控制臂式機構的多個旋轉關節4運動，從而使得空間天文望遠鏡2完成在慣性系下三個旋轉自由度方向(俯仰、橫滾和偏航)的慣性指向。

目前臂式空間天文望遠鏡慣性指向的控制方法主要是將每一個旋轉自由度分別按照互相之間無關聯的單輸入單輸出線性控制系統來處理，采用古典控制理論中的頻域分析方法完成控制系統設計。上述的現有臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法存在以下幾方面會導致慣性指向控制精度下降的因素：

1)由于臂式空間天文望遠鏡實質上是互相耦合的多輸入多輸出非線性控制系統，設計控制系統時所參考的模型的不確切會導致慣性指向控制精度下降；

2)由于現有方法很少考慮摩擦和執行器的非線性擾動等因素的影響，由于一般情況下，臂式空間天文望遠鏡慣性指向系統多為低速控制系統，摩擦等非線性擾動會嚴重影響慣性指向控制精度；

3)現有方法的轉速環不具有慣性穩定能力，因此對空間飛行器傳遞至空間天文望遠鏡的振動抑制能力較弱，也將使得慣性指向控制精度下降。

因此亟需一種能夠針對互相耦合多輸入多輸出非線性系統、在摩擦等非線性擾動以及空間飛行器振動影響下實現臂式空間天文望遠鏡高精度慣性指向的控制方法及控制系統。

發明內容

為了解決現有臂式空間天文望遠鏡慣性指向的控制方法存在的慣性指向控制精度低的問題，本發明提供一種臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法及控制系統。本發明的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法可以削弱互相耦合多輸入多輸出非線性系統、摩擦等非線性擾動以及空間飛行器振動對控制系統存在的不利影響，提高臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制精度。

本發明為解決技術問題所采用的技術方案如下：

本發明的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法，該方法是將臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制系統安裝在臂式空間天文望遠鏡和空間飛行器上，對臂式空間天文望遠鏡的慣性指向進行自動控制，該方法的條件和步驟如下：

a、依據事先經過分析或試驗得到的臂式空間天文望遠鏡的包含非線性因素的動力學模型，采用反饋線性化方法，得到分別對應于每個旋轉關節的單輸入單輸出線性化模型和非線性補償力矩；

b、依據每個旋轉關節的單輸入單輸出線性化模型設計完成每個旋轉關節的電流環控制算法、速度環控制算法和位置環控制算法，將這三個控制算法和步驟a中得到的每個旋轉關節的非線性補償力矩存儲于控制器中；

c、控制器接收來自于空間飛行器的期望慣性姿態指令信號，包括俯仰、橫滾和偏航三個旋轉自由度的期望角度值，望遠鏡慣性位置傳感器實時測量空間天文望遠鏡光軸的實際慣性姿態信號，采用卡爾曼濾波算法對空間天文望遠鏡光軸的實際慣性姿態信號進行計算得到更加精確的慣性姿態信號，包括俯仰、橫滾和偏航三個旋轉自由度的角度值；

d、在控制器中將期望慣性姿態指令信號與精確的慣性姿態信號相減，即將俯仰、橫滾和偏航三個旋轉自由度的期望角度值分別減去各自對應自由度的角度值，得到空間天文望遠鏡光軸的慣性姿態誤差；

e、每個關節位置傳感器實時測量得到對應的關節電機的旋轉角度信號，通過控制器中的逆運動學計算模塊以空間天文望遠鏡光軸的慣性姿態誤差、關節電機的旋轉角度信號作為輸入信號，經過旋轉矩陣計算得到對應的旋轉關節的關節角誤差值；

f、在控制器中將旋轉關節的關節角誤差值作為該旋轉關節的位置環控制算法的控制輸入，經過計算得到每個旋轉關節速度環的控制輸入；

g、每個關節慣性速度傳感器實時測量得到對應的旋轉關節相對于慣性系的角速度信號，在控制器中將旋轉關節速度環的控制輸入減去對應于該旋轉關節相對于慣性系的角速度信號，得到每個旋轉關節的慣性角速度誤差值；

h、在控制器中將旋轉關節的慣性角速度誤差值作為該旋轉關節的速度環控制算法的控制輸入，經過計算得到每個旋轉關節電流環的第一個控制輸入；

i、將步驟a中得到的旋轉關節的非線性補償力矩作為該旋轉關節電流環的第二個控制輸入；