[發明專利]一種基于魯棒偽逆操縱率的SGCMG故障在軌預案設計方法

有效

• 申請號: 201710253762.6
• 申請日: 2017-04-18
• 公開（公告）號: CN106919055B
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發明（設計）人: 汪禮成;吳德安;吳敬玉;賈艷勝;鐘金鳳;徐櫻;李小斌;王文妍;楊盛慶
• 申請（專利權）人: 上海航天控制技術研究所
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 周榮芳

本發明公開了一種衛星采用單框架控制力矩陀螺(SGCMG)作為姿態控制執行機構時，基于魯棒偽逆操縱率的單框架控制力矩陀螺故障預案設計方法，首先根據控制力矩陀螺群的構形和各個單框架控制力矩陀螺框架軸的方向布置，確定陀螺群的角動量H與力矩矩陣C；然后設計魯棒偽逆操縱率；最后針對控制力矩陀螺在軌易出現的故障：通斷故障、內轉子轉速不穩定故障、通訊故障、外框架卡死、外框架轉速不變故障，基于魯棒偽逆算法，通過星上自主診斷和預案設計，能夠在n?3個(n為控制力矩陀螺群中SGCMG的個數)SGCMG故障下也能基本保證星體姿態的正常對地控制。本發明能夠提高衛星在軌實時自主診斷能力，減少對地面的依賴，避免地面解決措施的延時，增強安全性，降低整星風險。

技術領域

本發明涉及單框架控制力矩陀螺故障(SGCMG)在軌預案設計方法，具體涉及一種基于魯棒偽逆操縱率的SGCMG故障在軌預案設計方法。

背景技術

隨著空間技術的發展，現代衛星結構尺寸越來越復雜，星體轉動慣量大，且具有快速姿態機動的要求，對星上執行機構提出了輸出角動量大，力矩輸出大的要求。單框架控制力矩陀螺通過控制外框架轉動，能夠在較短時間內將較高角動量控制到要求目標指向，且輸出連續的、較精確的力矩，輸出力矩的范圍大，能夠滿足大慣量衛星大角度姿態快速機動要求同時滿足高精度高穩定度指標。

整個單框架力矩陀螺包括三大部分：即內轉子飛輪、內框架系統、外框架系統，內轉子飛輪安裝在內框架上，以恒定高速旋轉；內框架安裝在外框架上，并低速旋轉。內框架高速轉動的輪體以固定的轉速保持角動量，通過控制外框架轉動，在垂直于框架與輪體角動量的方向產生陀螺力矩：

式中：為外框架轉動速度，H為控制力矩陀螺的輪體角動量，陀螺力矩T_SGCMG作用到星體上使得運動狀態變化。

根據SGCMG的力矩特性，當進行單軸控制時，至少需要兩個SGCMG(如圖1所示，星體Z向采用兩個控制力矩陀螺，X、Y向采用反作用飛輪控制)；當進行三軸姿態控制時，至少需要三個SGCMG，又由于SGCMGs自身固有的奇異問題，需要附加冗余度來解決，因此要實現三軸姿態控制則系統需要配置4個或4個以上的控制力矩陀螺構成控制力矩陀螺群(SGCMGs)(如圖2和圖3所示的五棱錐構型和金字塔構型)。

故由于控制力矩陀螺的結構復雜，在軌容易發生的故障狀況多，在軌使用時易出現以下故障：通斷狀態、內轉子轉速不穩定、通訊故障、外框架卡死、外框轉速不變，當發生上述故障時，將會對星體姿態帶來較大影響，嚴重時將會影響整星任務。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于魯棒偽逆操縱率的SGCMG故障在軌預案設計方法，通過星上算法自主智能設計，它能夠在n-3個(n為控制力矩陀螺群中SGCMG的個數)SGCMG故障下也能基本保證星體姿態的正常對地控制，從而有效提高衛星在軌實時自主診斷能力，減少對地面的依賴，避免地面解決措施的延時，增強安全性，降低整星風險。

為達到上述目的，本發明提供了一種基于魯棒偽逆操縱率的SGCMG故障在軌預案設計方法，包含以下步驟：

步驟S1、根據控制力矩陀螺群的構型和各個陀螺框架軸的方向，確定陀螺群的角動量H和力矩輸出矩陣C；

步驟S2、根據最小化偽逆解和奇異可控原則設計控制力矩陀螺外框架轉速魯棒偽逆操縱率；

步驟S3、對衛星在軌控制力矩陀螺故障進行自主診斷與預案執行；當所述故障為通斷故障時，執行步驟S4；當所述故障為內轉子轉速不穩定故障時，執行步驟S5；當所述故障為通訊故障時，執行步驟S6；當所述故障為外框架卡死故障時，執行步驟S7；當所述故障為外框架轉速不變故障時，執行步驟S8；

步驟S4、對控制力矩陀螺的通斷故障進行星上自主診斷，魯棒偽逆操縱率智能切換解算正常控制力矩陀螺的外框架轉速指令；