[发明专利]一种失效卫星的消旋控制方法及系统

说明书

本发明提供一种失效卫星的消旋控制方法及系统，其中所述方法包括：基于刚体姿态动力学模型，分析给定外力矩作用下刚体的角速度和转动动能的变化规律，并确定第一消旋阶段的控制策略和第二消旋阶段的控制策略；执行所述第一消旋阶段的控制策略，并测量目标失效卫星的角速度；若判断所述角速度分量满足第一消旋阶段的结束条件，则执行所述第二消旋阶段的控制策略，直至所述目标失效卫星的角速度满足所述第二消旋阶段的结束条件；其中，所述控制策略用于将控制力矩作用于目标失效卫星的给定惯性主轴以使目标失效卫星的角速度降低至预设阈值。本发明可以保证航天器在控制力矩受限、测量不够精确的条件下稳定消旋，控制方案简单，实用性强。

技术领域

本发明涉及空间技术领域，更具体地，涉及一种失效卫星的消旋控制方法及系统。

背景技术

失效卫星一般绕其最大惯性主轴高速自旋，对失控卫星进行消旋可以使其变成变为稳定或低速旋转目标，失效卫星消旋是一项重要的空间技术，在轨碎片清除、轨目标捕获等方面具有至关重要的作用。在实际的消旋过程中，由于角速度测量不精确，控制存在延迟等因素，总会存在误差。这些误差对于传统测控系统提出了严峻的挑战。

目前的卫星消旋控制方法包括以下几种：1)阻尼式消旋控制方法，采用增加目标转动阻尼或者定时输入阻尼动力矩的方式，使目标能量耗散速度增加；2)反馈消旋控制方法，以目标角速度与任务要求角速度的偏差为观测量，将姿态运动方程线性化或者直接使用非线性方程，设计反馈控制率实现目标消旋，包括线性反馈控制方法和非线性反馈控制方法；3)“阻尼+反馈”的消旋控制方案，使用观测所得目标信息，通过控制器模拟阻尼的作用方式施加外力矩来达到消除目标旋转的目的。这种消旋控制方法结合了反馈式消旋控制方法中控制过程精确可控的特点和阻尼式消旋控制方法中力矩幅值要求低、稳定性高和省能量的特点。“阻尼+反馈”消旋控制方法的着重点是阻尼的设计，通过推导刚体在受特定外力矩条件下的姿态运动方程，得出合适的外力矩作用规律，使得目标的旋转得到控制。

普通的阻尼式消旋控制方法中需要执行机构多次或连续接触目标来实现消旋控制，若执行机构操作失误会很容易对任务星造成危险；线性反馈控制方法不适合角速度偏差值很大的情况，而非线性反馈控制方法的计算过程复杂，且对测控系统的要求较高；应用“阻尼+反馈”的消旋控制方案中，由于有外力矩作用条件下的刚体姿态动力学方程没有解析解，导致模拟力矩施加规律需要通过数值方法求解，控制过程复杂，实用性较低。亟需控制过程简单，对测控系统要求较低的较实用的消旋控制方案。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种失效卫星的消旋控制方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供一种失效卫星的消旋控制方法，包括：

基于刚体姿态动力学模型，分析给定外力矩作用下刚体的角速度和转动动能的变化规律，并根据所述变化规律确定第一消旋阶段的控制策略和第二消旋阶段的控制策略；

执行所述第一消旋阶段的控制策略，并对目标失效卫星在控制力矩作用轴上的角速度分量进行跟踪；

若判断所述角速度分量满足第一消旋阶段的结束条件，则执行所述第二消旋阶段的控制策略，直至所述目标失效卫星的角速度满足所述第二消旋阶段的结束条件；

其中，所述第一消旋阶段的控制策略和第二消旋阶段的控制策略用于将控制力矩作用于目标失效卫星的给定惯性主轴以使目标失效卫星的角速度降低至预设阈值。

根据本发明的另一个方面，提供一种失效卫星的消旋控制系统，包括：

控制策略确定模块，用于基于刚体姿态动力学模型，分析给定外力矩作用下刚体的角速度和转动动能的变化规律，并根据所述变化规律确定第一消旋阶段的控制策略和第二消旋阶段的控制策略；

第一执行模块，用于执行所述第一消旋阶段的控制策略，并对目标失效卫星在控制力矩作用轴上的角速度分量进行跟踪；