[發明專利]一種雙剛體航天器快速機動的最短時間確定方法

有效

• 申請號: 201510515288.0
• 申請日: 2015-08-20
• 公開（公告）號: CN105022402B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 耿云海;黃思萌;侯志立;李東柏;葉東;陳雪芹;張剛;方向;李海勤;史明明
• 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: 楊立超

技術領域

本發明涉及雙剛體航天器快速機動的最短時間確定方法。

背景技術

本發明是針對“無擾載荷”衛星的快速機動提出的?！盁o擾載荷”衛星的概念由Nelson Pedreior提出，應用于有高精度指向和高穩定度控制需求的衛星?！盁o擾載荷”衛星是一種雙剛體航天器，由載荷平臺與服務平臺兩部分構成，無接觸作動器控制載荷平臺的姿態，額外執行機構(如反作用輪等)控制服務平臺的姿態，無接觸作動器可隔離額外執行機構以及作用于服務平臺的外界環境干擾的振動，使有效載荷實現高精度指向和高穩定度控制。然而，由于無接觸作動器的有效工作范圍只有幾毫米，故服務平臺的姿態必須跟蹤載荷平臺的姿態，在大角度機動過程中，本質上，服務平臺與載荷平臺作為整體進行機動，相當于機動一個單剛體衛星，機動時間主要受額外執行機構限制，機動時間長。對于攜帶大型有效載荷的“無擾載荷”衛星，現有構型無法滿足快速機動的需求。

發明內容

本發明為解決現有無擾載荷衛星的無接觸作動器的有效工作范圍以及機動時間長，無法滿足攜帶大型有效載荷的無擾載荷衛星快速機動的問題，而提出了一種雙剛體航天器快速機動的最短時間確定方法。

上述的發明目的是通過以下技術方案實現的：

步驟一、建立載荷平臺坐標系O_sx_ay_az_a和服務平臺坐標系O_bx_by_bz_b，將載荷平臺坐標系記為S_a系，服務平臺坐標系記為S_b系，其中，O_s位于球鉸中心，O_b位于服務平臺質心，O_a為載荷平臺質心，O_c為雙剛體航天器系統質心，載荷平臺坐標系的坐標原點位于O_s，載荷平臺與服務平臺構成雙剛體航天器，載荷平臺和服務平臺通過球鉸連接；

步驟二、根據步驟一得到的S_a系和S_b系，寫出載荷平臺和服務平臺關于雙剛體航天器系統質心的轉動慣量矩陣；

步驟三、根據步驟二得到的載荷平臺和服務平臺關于雙剛體航天器系統質心的轉動慣量矩陣，寫出雙剛體航天器的姿態運動學方程和雙剛體航天器的角動量守恒方程；

步驟四、計算載荷平臺由初始姿態機動至目標姿態的歐拉軸e和轉角Φ_f；

步驟五、根據步驟四得出的轉角Φ_f，寫出載荷平臺跟蹤軌跡的角加速度角速度和角度Φ(t)的表達式；

步驟六、根據步驟四得出的歐拉軸e和步驟五得出的載荷平臺跟蹤軌跡的角加速度角速度和角度Φ(t)的表達式，寫出載荷平臺姿態四元數q_m0及q_m、載荷平臺的姿態矩陣C_ao、服務平臺的姿態矩陣C_bo、載荷平臺的姿態角速度服務平臺的姿態角速度載荷平臺的姿態角加速度和服務平臺的姿態角加速度的表達式；

步驟七、將步驟五中的和Φ(t)，以及步驟六中的C_ao、C_bo、和代入步驟三中的雙剛體航天器的姿態動力學方程和雙剛體航天器的角動量守恒方程，得到關于和t的和

步驟八、根據步驟四得出的轉角Φ_f、步驟七中的和使用Matlab優化工具箱，求解含約束的最短機動時間。

發明效果

本發明是針對用于災難應急監測的雙剛體衛星的姿態控制提出的，雙剛體航天器由載荷平臺與服務平臺構成，載荷平臺攜帶有效載荷，服務平臺攜帶執行機構，二者通過球鉸連接。研究雙剛體航天器的意義在于：(1)載荷平臺可攜帶較多的有效載荷；(2)雙剛體航天器的執行機構有電機和飛輪，相比于同質量和轉動慣量的單剛體航天器，其機動速度更快；(3)載荷平臺與服務平臺分開，可減小執行機構的振動對有效載荷的影響。因為雙剛體航天器的主要任務之一是使攜帶有效載荷的載荷平臺快速機動，所以對攜帶執行機構的服務平臺的姿態無要求。本發明選取了使載荷平臺快速機動、服務平臺保持對地定向的情況。