[發明專利]一種充液航天器姿態控制與晃動抑制方法

有效

• 申請號: 201810238220.6
• 申請日: 2018-03-22
• 公開（公告）號: CN108388264B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 王澤國;張洪華;鄧雅
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張麗娜

1.一種充液航天器姿態控制與晃動抑制方法，其特征在于該方法的步驟包括：

(1)建立充液航天器的三維力學等效數學模型，獲取航天器姿態歐拉角θ_x,θ_y,θ_z；

(2)根據模態分離算法對步驟(1)獲取的航天器姿態歐拉角θ_y進行模態分離，得到剛體模態估計值和晃動模態估計值

(3)根據模態分離算法對步驟(1)獲取的航天器姿態歐拉角θ_z進行模態分離，得到的剛體模態估計值和晃動模態估計值

(4)根據步驟(2)和步驟(3)得到的晃動模態估計值和計算晃動角估計值和

(5)根據步驟(1)獲取的歐拉角θ_x、步驟(2)和步驟(3)得到的剛體模態估計值和計算四元數剛體模態

(6)根據步驟(5)得到的四元數剛體模態航天器本體角速度ω_b以及航天器剛體部分轉動慣量J_s，使用分區四元數控制算法計算分區四元數控制器分量u_s；

(7)根據步驟(4)得到的晃動角估計值和使用正位置反饋控制算法計算正位置反饋控制器分量u_p；

(8)根據步驟(6)和步驟(7)得到的u_s和u_p計算航天器姿態控制器M＝u_s+u_p；

(9)根據步驟(8)得到的M作為充液航天器的姿態控制力矩，從而實現充液航天器姿態控制與晃動抑制。

2.根據權利要求1所述的一種充液航天器姿態控制與晃動抑制方法，其特征在于：所述的步驟(1)中，建立充液航天器的三維力學等效數學模型包括充液航天器的動力學方程和運動學方程。

3.根據權利要求2所述的一種充液航天器姿態控制與晃動抑制方法，其特征在于：建立充液航天器的動力學方程的方法為：

建立如下三個坐標系：O_Ix_Iy_Iz_I為慣性坐標系，原點O_I位于初始時刻的天體表面，x_I指向豎直向上，y_I和z_I組成水平面；O_bx_by_bz_b為航天器本體坐標系，原點O_b位于航天器干重質心，x_b指向航天器對稱軸，y_b和z_b分別指向另外兩個慣性主軸；O_px_py_pz_p為球擺坐標系，原點O_p位于球擺中心，O_px_py_pz_p由本體系O_bx_by_bz_b兩次旋轉得到，先繞著y_b軸旋轉α₁得到x′_by_bz′_b，然后繞著第一次旋轉后的z′_b軸旋轉α₂；α₁和α₂為球擺的旋轉角，亦稱為晃動角；

充液航天器的動力學方程如式(1)為：

其中

式中，為球擺相對于慣性坐標系的位置矢量，為航天器質心相對于慣性坐標系的位置矢量，為球擺相對于慣性坐標系的加速度，為航天器質心相對于慣性坐標系的加速度矢量，為天體表面重力加速度矢量，為質心O_b到球擺固定點O_c的位置矢量，為O_c到球擺中心的位置矢量，為O_bx_by_bz_b相對于O_Ix_Iy_Iz_I的轉動角速度，為O_px_py_pz_p相對于O_bx_by_bz_b的轉動角速度，為O_bx_by_bz_b相對于O_Ix_Iy_Iz_I的轉動角加速度，為O_px_py_pz_p相對于O_bx_by_bz_b的轉動角加速度；

為控制力，為控制力矩，為常值干擾力矩，為晃動阻尼力矩；m_p為球擺質量，m_s為剛體質量，為剛體慣性張量；

為了得到動力學方程式(1)的坐標表示，將(1)中各個矢量投影到本體坐標系：

其中R_b為在本體系投影坐標，R_bx、R_by、R_bz分別為R_b的x、y、z軸坐標分量，r_t為在本體系投影坐標，r_p為在本體系投影坐標，g為在本體系投影坐標，g_x、g_y、g_z為g的x、y、z軸坐標分量，ω_b為在本體系投影坐標，ω_bx、ω_by、ω_bz為ω_b的x、y、z軸坐標分量，為α₁相對時間導數，為α₂相對時間導數，F為在本體系投影坐標，F_x、F_y、F_z為F的x、y、z軸坐標分量，M為在本體系投影坐標，M_x、M_y、M_z為M的x、y、z軸坐標分量，d為在本體系投影坐標，d_y、d_z為d的y、z軸坐標分量，M_d為在本體系投影坐標，ω_p為在本體系投影坐標，p₁＝[0,1,0]^T,p₂＝[sinα₁,0,cosα₁]^T為球擺坐標系兩次轉動的轉軸，和為張量，L_p為球擺擺長，r_tx為球擺固定點到質心的距離坐標，ξ為阻尼系數，g_e0為天體表面重力加速度，為晃動頻率。