[发明专利]一种磁悬浮动量轮群的操纵方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器控制技术研究领域。特别涉及一种磁悬浮动量轮群的操纵方法。

背景技术

由于磁悬浮技术的先进发展，磁悬浮动量轮使得解决有特殊需求的姿态控制问题成为可能。在现代太空任务中，越来越需要有超高精度姿态指向，以及快速机动能力的航天器平台。与传统球形轴承支承的普通动量轮相比，转子依靠磁力支承的磁悬浮动量轮，几乎消除了所有的机械接触。此外，所有轴主动控制的磁悬浮动量轮显示另一个优势，磁悬浮转子可以在磁间隙范围内小角度偏转一定角度，这使得在垂直于自转轴的平面上输出陀螺力矩成为可能。为了表示方便，我们称磁悬浮动量轮转子的可偏转角为虚拟框架角，这样的磁悬浮动量轮称为带有虚拟框架能力的磁悬浮动量轮。一个磁悬浮动量轮既有自转轴方向的自转力矩输出，还有径向轴方向的陀螺力矩输出。为了最大限度地发挥磁悬浮动量轮在扩展力矩带宽，以及在有限能耗条件下进行三轴姿态控制的能力，采用多个磁悬浮动量轮组合，即磁悬浮动量轮群，成为一种新的趋势。

采用磁悬浮动量轮群作为航天器姿态控制执行机构时，需要根据期望力矩对磁悬浮动量轮群进行力矩分配，称为操纵律问题。现有的操纵律多是针对控制力矩陀螺群进行设计，在使用控制力矩陀螺群的一个最大障碍在于控制力矩陀螺群的框架角可能陷入奇异，从而导致控制力矩陀螺群在某个特定方向上无法输出力矩。因此针对控制力矩陀螺群的操纵律多是为了回避陀螺群奇异性问题设计的，例如基于权重最小范数解的伪逆操纵律，带零运动操纵律等。然而，在磁悬浮动量轮群中，由于磁悬浮动量轮的转子可偏转角度很小，受限于磁极面与转子的距离，通常来说小于3度，因此在磁悬浮动量轮群中不存在奇异性问题，针对控制力矩陀螺群设计的操纵律不再适用于磁悬浮动量轮群。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种针对磁悬浮动量轮群的操纵方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：建立基于磁悬浮动量轮群的航天器姿态动力学和运动学模型，基于以通式形式给出的航天器动力学模型，针对磁悬浮动量轮群设计基于改进的权重最小范数算法的操纵律，同时引入磁悬浮动量轮群虚拟框架角测度函数，避免虚拟框架角饱和以及磁悬浮动量轮群输出力矩饱和。

具体包括以下步骤：

1、建立航天器固连坐标系和磁悬浮动量轮群中每个磁悬浮动量轮固连坐标系；

建立航天器固连坐标系(b_x,b_y,b_z)，坐标系原点位于航天器质量中心，航天器装有N个磁悬浮动量轮；建立第j(j＝1,2,...,N)个磁悬浮动量轮固连坐标系(c_sj,c_αj，c_βj)，其中c_sj表示第j个磁悬浮动量轮自转轴方向单位向量，c_αj和c_βj表示第j个磁悬浮动量轮径向轴方向单位向量；

2、基于步骤1建立磁悬浮动量轮群角动量模型；

磁悬浮动量轮群对航天器的角动量贡献分为自转轴方向和径向轴方向，磁悬浮动量轮群相对航天器固连坐标系的角动量为：

hw=CsIwsΩ+CαIwαα·+CβIwββ·---(1)]]>