[發(fā)明專利]一種基于特征模型的航天器無拖曳控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710637329.2
• 申請(qǐng)日: 2017-07-31
• 公開（公告）號(hào): CN107390526B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄒奎;茍興宇;吳宏鑫;劉其睿;談樹萍;宗紅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

本發(fā)明提供了一種基于特征模型的航天器無拖曳控制方法，該方法在每個(gè)控制周期，接收加速度計(jì)反饋的殘余加速度測(cè)量值；考慮被控航天器、推力器與加速度計(jì)的動(dòng)力學(xué)特征，基于從推力器指令輸入至加速度計(jì)測(cè)量輸出的特征模型，根據(jù)黃金分割自適應(yīng)控制律、邏輯積分控制律和邏輯雙重積分控制律，分別計(jì)算當(dāng)前控制周期的黃金分割自適應(yīng)控制分量、邏輯積分控制分量、邏輯雙重積分控制分量；將當(dāng)前控制周期的黃金分割自適應(yīng)控制分量、邏輯積分控制分量和邏輯雙重積分控制分量合成，得到推力器控制指令，并將其發(fā)送至推力器。本發(fā)明方法充分考慮了空間環(huán)境特征，使航天器的非引力加速度抑制精度優(yōu)于傳統(tǒng)的積分控制方法和嵌入式模型控制方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種航天器無拖曳控制方法，具體涉及一種基于特征模型的航天器無拖曳控制方法，屬于航天器無拖曳控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無拖曳航天器內(nèi)部至少包含一顆測(cè)試質(zhì)量，封閉的空腔使測(cè)試質(zhì)量不受大氣阻力、太陽光壓力等外界環(huán)境的干擾。無拖曳控制系統(tǒng)由懸浮在航天器空腔中的測(cè)試質(zhì)量、檢測(cè)測(cè)試質(zhì)量和航天器之間相對(duì)位移的敏感器、高精度成比例的推力器和無拖曳控制器構(gòu)成。無拖曳控制是指抵消作用在航天器上的非引力和所有力矩，使航天器僅在引力的作用下自由運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)航天器無拖曳飛行的一種方案是讓航天器跟蹤測(cè)試質(zhì)量，即位移模式。另一種方案是讓測(cè)試質(zhì)量跟蹤航天器，測(cè)試質(zhì)量是主動(dòng)受控的且與航天器之間構(gòu)成一臺(tái)靜電懸浮加速度計(jì)，即加速度計(jì)模式。不同于位移模式，加速度計(jì)模式中的航天器與檢驗(yàn)質(zhì)量更像一臺(tái)太空加速度計(jì)，作用在衛(wèi)星上的殘余非引力加速度被測(cè)量出來，然后將其反饋給無拖曳控制器實(shí)現(xiàn)阻力抵消。

太空中一些基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，如已發(fā)射了的GP-B衛(wèi)星、GOCE衛(wèi)星，以及將來的LISA計(jì)劃和天琴計(jì)劃等，要求航天器具有純引力軌道。工程實(shí)際中航天器的軌道受到大氣阻力、太陽光壓力等的干擾。航天器無拖曳控制的優(yōu)點(diǎn)是抵消這些非引力達(dá)到某種可以接受的水平為載荷提供比較寧靜的工作環(huán)境，尤其是在測(cè)量頻帶要求具有非常高的控制精度。

目前，在航天器無拖曳控制領(lǐng)域中以2008年發(fā)表在Automatica雜志(Vol.44,No.7,2008,p1766–1780)上的論文“Drag-free control and attitude control for theGOCE satellite”中提供的嵌入式模型控制方法最著名，這是因?yàn)樵摲椒ㄔ跉W洲GOCE衛(wèi)星上得以成功應(yīng)用，并取得了滿意的控制效果。但嵌入式模型控制方法的理論體系非常復(fù)雜，其實(shí)際工程應(yīng)用要求設(shè)計(jì)者對(duì)相關(guān)理論具有深入的理解，工程實(shí)現(xiàn)比較困難。且嵌入式模型控制不具備自適應(yīng)性，其問題在于模型截?cái)啵瑹o拖曳航天器從推力器至梯度計(jì)的嵌入式模型是一階的，前進(jìn)方向上大氣阻力的嵌入式模型是二階的，這種降階模型舍去了高階模型的信息，必然犧牲閉環(huán)控制系統(tǒng)精度。此外，在對(duì)付工作在加速度計(jì)模式下的航天器無拖曳控制問題時(shí)，2003年發(fā)表在Advances in Space Research雜志(Vol.32,No.7,2003,p1221–1226)上的論文“Drag-free control for fundamental physics missions”指出從推力器輸入指令至梯度計(jì)輸出之間的傳遞函數(shù)可近似處理為常數(shù)，那么無拖曳控制可以采用最簡(jiǎn)單的積分控制。盡管積分控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠使閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，但是它對(duì)于中頻帶的大氣阻力抑制效果差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于特征模型的航天器無拖曳控制方法，使航天器的非引力加速度抑制精度得到提高。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于特征模型的航天器無拖曳控制方法，該方法包括如下步驟：

(1)、考慮航天器無拖曳控制系統(tǒng)中被控航天器、推力器與加速度計(jì)的動(dòng)力學(xué)特征，定義從推力器指令輸入至加速度計(jì)測(cè)量輸出的特征模型形式為：

y(k+1)＝f₁(k)y(k)+f₂(k)y(k-1)+g₀(k)u(k)