[發(fā)明專利]一種基于模型預(yù)測(cè)控制的太陽(yáng)帆姿態(tài)軌道耦合控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810844693.0
• 申請(qǐng)日: 2018-07-27
• 公開（公告）號(hào): CN109164817B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁建平;高琛;袁靜;張軍華;李琪;王偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

一種基于模型預(yù)測(cè)控制的太陽(yáng)帆姿態(tài)軌道耦合控制方法，包括以下步驟：步驟一：建立RCDs在太陽(yáng)帆姿態(tài)軌道控制中的控制力矩和控制力模型；步驟二：建立地月系統(tǒng)太陽(yáng)帆軌道運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程；步驟三：建立地月系統(tǒng)太陽(yáng)帆姿態(tài)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程；步驟四：結(jié)合步驟二和步驟三的方程，建立太陽(yáng)帆相對(duì)運(yùn)動(dòng)耦合方程；步驟五：利用步驟四所得的耦合方程，采用模型預(yù)測(cè)控制方法設(shè)計(jì)控制律。本發(fā)明利用RCDs作為太陽(yáng)帆主動(dòng)控制的姿態(tài)軌道驅(qū)動(dòng)器，采用模了型預(yù)測(cè)控制方法設(shè)計(jì)太陽(yáng)帆姿態(tài)軌道控制律，便于解決在姿態(tài)軌道耦合控制過程中驅(qū)動(dòng)器的耦合和飽和以及太陽(yáng)帆姿態(tài)角度的輸出受限。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天器飛行控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于模型預(yù)測(cè)控制的太陽(yáng)帆姿態(tài)軌道耦合控制方法，優(yōu)化反射率控制裝置(RCDs)作為太陽(yáng)帆姿態(tài)軌道控制器的性能。

背景技術(shù)

與傳統(tǒng)航天器相比，太陽(yáng)帆利用太陽(yáng)光壓無(wú)需燃料就能夠獲得連續(xù)小推力且具有高載荷比的優(yōu)點(diǎn)，在地月空間任務(wù)中的應(yīng)用潛力巨大。目前，地月系統(tǒng)中太陽(yáng)帆的理論研究主要集中于單個(gè)太陽(yáng)帆周期軌道和懸浮軌道的設(shè)計(jì)，多太陽(yáng)帆的編隊(duì)飛行研究尚屬于開放性課題。考慮到地月系統(tǒng)太陽(yáng)帆任務(wù)軌道的不穩(wěn)定性，太陽(yáng)帆需要進(jìn)行主動(dòng)軌道控制，太陽(yáng)光壓力的大小和方向都與太陽(yáng)帆姿態(tài)密切相關(guān)，且特殊編隊(duì)飛行任務(wù)對(duì)太陽(yáng)帆之間的相對(duì)姿態(tài)有精度要求，因此太陽(yáng)帆需要進(jìn)行主動(dòng)姿態(tài)控制，故而太陽(yáng)帆的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和控制研究非常重要。

反射率控制裝置(RCDs)是一種無(wú)需燃料消耗的新型姿態(tài)驅(qū)動(dòng)器，并且同時(shí)可以作為軌道驅(qū)動(dòng)器。目前，RCDs在太陽(yáng)帆姿態(tài)軌道耦合控制中存在以下3個(gè)關(guān)鍵問題：1、RCDs產(chǎn)生的控制力矩具有飽和效應(yīng)且與RCDs的面積比例、分布和太陽(yáng)帆的姿態(tài)角密切；2、RCDs改變太陽(yáng)帆反射率系數(shù)時(shí)會(huì)改變作用于太陽(yáng)帆的太陽(yáng)光壓力大小，進(jìn)而影響太陽(yáng)帆的軌道特性，造成姿態(tài)軌道控制間的耦合問題；3、考慮到RCDs的電能消耗，需要設(shè)計(jì)合適的切換率。

由于模型預(yù)測(cè)控制具有顯示處理約束的能力，能比較容易的處理輸入耦合和飽和問題以及輸出約束問題，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。通過模型預(yù)測(cè)耦合控制器處理RCDs在姿態(tài)軌道控制過程中的耦合、飽和問題以及姿態(tài)角和角速度輸出受限是一個(gè)新的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種基于模型預(yù)測(cè)控制的太陽(yáng)帆姿態(tài)軌道耦合控制方法，利用RCDs作為太陽(yáng)帆主動(dòng)控制的姿態(tài)軌道驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)避免在姿態(tài)軌道耦合控制過程中驅(qū)動(dòng)器的耦合和飽和以及太陽(yáng)帆姿態(tài)角度的輸出受限。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的太陽(yáng)帆姿態(tài)軌道耦合控制方法包括以下步驟：

步驟一：建立RCDs在太陽(yáng)帆姿態(tài)軌道控制中的控制力矩和控制力模型；

步驟二：建立地月系統(tǒng)太陽(yáng)帆軌道運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程；

步驟三：建立地月系統(tǒng)太陽(yáng)帆姿態(tài)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程；

步驟四：結(jié)合步驟二和步驟三的方程，建立太陽(yáng)帆相對(duì)運(yùn)動(dòng)耦合方程；

步驟五：利用步驟四所得的耦合方程，采用模型預(yù)測(cè)控制方法設(shè)計(jì)控制律。