[發(fā)明專利]一種航天器多級(jí)復(fù)合控制的目標(biāo)姿態(tài)協(xié)同規(guī)劃方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810513680.5
• 申請(qǐng)日: 2018-05-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108762285B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 關(guān)新;湯亮;王有懿;張科備;郝仁劍;田科豐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 胡健男

一種航天器多級(jí)復(fù)合控制的目標(biāo)姿態(tài)協(xié)同規(guī)劃方法及系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的航天器多級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)包括星體一級(jí)控制系統(tǒng)和載荷二級(jí)控制系統(tǒng)。在航天器大角度敏捷機(jī)動(dòng)過(guò)程中要求載荷和星體跟蹤同一目標(biāo)姿態(tài)。由于星體控制周期不同，需要在星體平臺(tái)目標(biāo)姿態(tài)已知的情況下，采用插值方法計(jì)算出載荷控制周期Δt₂時(shí)間內(nèi)的目標(biāo)姿態(tài)。首先由星體姿態(tài)規(guī)劃算法計(jì)算出下一個(gè)控制周期Δt₁內(nèi)的目標(biāo)姿態(tài)θ_br。然后，載荷在已知Δt₁時(shí)間內(nèi)的目標(biāo)姿態(tài)θ_br，采用牛頓插值方法計(jì)算出每一個(gè)Δt₂時(shí)間內(nèi)載荷的目標(biāo)姿態(tài)θ_pr。在星體和載荷每個(gè)時(shí)間點(diǎn)目標(biāo)姿態(tài)都已知的情況下，航天器多級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)采用星體和載荷兩級(jí)PID控制器進(jìn)行姿態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)航天器光學(xué)載荷高穩(wěn)定控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天器姿態(tài)控制領(lǐng)域，涉及一種實(shí)現(xiàn)航天器多級(jí)復(fù)合控制的目標(biāo)姿態(tài)協(xié)同規(guī)劃方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

天基天文觀測(cè)、極高分辨率對(duì)地觀測(cè)等航天器任務(wù)提出了光學(xué)載荷超高精度指向超高穩(wěn)定度控制超敏捷控制等“三超”控制需求。傳統(tǒng)的航天器器受限于敏感器測(cè)量帶寬、執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)帶寬等因素，難以滿足光學(xué)載荷“三超”控制需求。針對(duì)此問(wèn)題，基于主動(dòng)指向超靜平臺(tái)的航天器多級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。航天器多級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)中星體和載荷通過(guò)柔性主動(dòng)指向超靜平臺(tái)連接，通過(guò)主動(dòng)指向超靜平臺(tái)二級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)載荷高性能控制。

與傳統(tǒng)的航天器平臺(tái)不同，航天器多級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)包含星體和載荷兩級(jí)控制系統(tǒng)，這要求航天器多級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)在大角度敏捷機(jī)動(dòng)過(guò)程時(shí)載荷和星體平臺(tái)在同一時(shí)刻應(yīng)保持對(duì)同一目標(biāo)姿態(tài)跟蹤控制。由于載荷控制周期Δt₂遠(yuǎn)小于星體控制周期Δt₁，且航天器多級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)在軌運(yùn)行時(shí)只能實(shí)時(shí)規(guī)劃出Δt₁內(nèi)星體的目標(biāo)姿態(tài)θ_br。因此，需要在已知Δt₁內(nèi)星體的目標(biāo)姿態(tài)θ_br時(shí)，通過(guò)插值方法計(jì)算出載荷控制周期Δt₂內(nèi)的載荷目標(biāo)姿態(tài)。而線性插值在載荷控制周期Δt₂內(nèi)插值誤差較大，且線性插值的非光滑特性對(duì)載荷姿態(tài)控制帶來(lái)周期性誤差波動(dòng)，對(duì)載荷姿態(tài)控制精度產(chǎn)生干擾。因此有必要研究載荷目標(biāo)姿態(tài)規(guī)劃方法，從而提高載荷目標(biāo)姿態(tài)插值光滑性，提高載荷姿態(tài)控制精度。現(xiàn)有航天器平臺(tái)目標(biāo)姿態(tài)規(guī)劃方法存在以下不足：

1、難以滿足不同控制周期對(duì)同一目標(biāo)姿態(tài)的一致性要求

目前常規(guī)的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中只有星體一級(jí)姿態(tài)控制，不包含載荷二級(jí)姿態(tài)控制系統(tǒng)。航天器在整星敏捷機(jī)動(dòng)過(guò)程中，僅需規(guī)劃出星體一級(jí)目標(biāo)姿態(tài)。由于航天器星體和載荷控制周期不同，星體控制周期遠(yuǎn)大于載荷控制周期，采用現(xiàn)有姿態(tài)規(guī)劃方法僅能實(shí)現(xiàn)航天器星體目標(biāo)姿態(tài)規(guī)劃，無(wú)法實(shí)現(xiàn)載荷二級(jí)目標(biāo)姿態(tài)規(guī)劃。例如，采用現(xiàn)有姿態(tài)規(guī)劃方法僅能實(shí)現(xiàn)0.125s內(nèi)星體目標(biāo)姿態(tài)計(jì)算，無(wú)法實(shí)現(xiàn)0.005s內(nèi)的載荷目標(biāo)姿態(tài)規(guī)劃，無(wú)法滿足航天器載荷姿態(tài)超高精度超高穩(wěn)定度超敏捷控制需求。因此，需要進(jìn)一步研究載荷二級(jí)目標(biāo)姿態(tài)的規(guī)劃方法，其規(guī)劃方法應(yīng)簡(jiǎn)單、計(jì)算量少、滿足載荷控制單元計(jì)算能力，為航天器載荷二級(jí)姿態(tài)控制提供準(zhǔn)確的目標(biāo)姿態(tài)。

2、難以實(shí)現(xiàn)載荷目標(biāo)姿態(tài)和目標(biāo)角速度的平滑性

航天器多級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)在姿態(tài)敏捷機(jī)動(dòng)過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)獲得載荷和星體的目標(biāo)姿態(tài)。采用現(xiàn)有的姿態(tài)規(guī)劃方法可獲得星體控制周期Δt₁內(nèi)星體的目標(biāo)姿態(tài)。星體將此姿態(tài)發(fā)送給載荷，通過(guò)載荷姿態(tài)規(guī)劃方法計(jì)算出載荷控制周期Δt₂內(nèi)的載荷目標(biāo)姿態(tài)。由于星體控制周期Δt₁的定時(shí)精度存在隨機(jī)誤差dt，這影響著載荷目標(biāo)姿態(tài)和目標(biāo)角速度規(guī)劃的平滑性。采用線性插值方法，由于隨機(jī)誤差dt的存在，造成線性插值得到的載荷目標(biāo)姿態(tài)和目標(biāo)角速度非光滑特性明顯，引起載荷姿態(tài)控制周期性誤差波動(dòng)，不利于載荷超高穩(wěn)定度控制。

發(fā)明內(nèi)容