[发明专利]一种基于磁悬浮控制力矩陀螺的航天器姿态角速率测量方法

摘要

本发明涉及一种基于磁悬浮控制力矩陀螺的姿态角速率测量方法，在实现航天器姿态控制的同时进行航天器姿态角速率测量。根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学模型；利用便于直接测量和计算的磁悬浮转子所受合外力矩以及航天器和框架静止时的磁悬浮转子偏转力矩，间接得到航天器和框架转动时对磁悬浮转子的作用力矩；根据惯量矩定理和姿态测量一体化原理，利用四棱锥执行机构中的磁悬浮控制力矩陀螺，给出了航天器的姿态角速率的解析表达式；本发明可以替代传统姿控系统的速率陀螺，减少姿控系统的体积重量。本发明属于航天控制技术领域，可应用于高精度航天器姿态控制与测量。

主权项

一种基于磁悬浮控制力矩陀螺的航天器姿态角速率测量方法，其特征在于：根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学方程；利用便于直接测量和计算的磁悬浮转子所受合外力矩以及航天器和框架静止时的磁悬浮转子偏转力矩，间接得到航天器和框架转动时对磁悬浮转子的作用力矩；根据惯量矩定理和姿态测量一体化原理，利用四棱锥执行机构中的磁悬浮CMG，给出了航天器的姿态角速率的解析解， 具体包括以下步骤：(1)根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子动力学方程为：其中，式中，Hr表示在转子系下转子的角动量，I表示转子绕CMG参考坐标系旋转的转动惯量，Ir表示转子径向转动惯量，Iz表示转子轴向转动惯量，Ωi表示转子的绝对角速度，表示转子坐标系的绝对角速度，即相对于惯性空间的转速，表示转子相对磁轴承的偏转速度，表示转子相对于惯性空间的速度，为CMG参考系相对于惯性空间的速度，为磁轴承坐标系到转子坐标系的变换矩阵，为框架坐标系到磁轴承坐标系的变换矩阵，为CMG参考系相对于框架坐标系的变换矩阵，α是转子在y轴方向的径向偏转角，β是转子在x方向的径向偏转角，是转子在y轴方向的径向偏转角速度，是转子在x轴方向的径向偏转角速度，和为CMG参考系相对于惯性空间的角速度，δ为从CMG参考坐标系到框架坐标系的旋转角度，为沿Xcmg轴的框架角速率，为星体投影到框架转轴的角速度；(2)建立转子力矩方程根据测控一体化原理，转子所受合外力矩Mr在转子系下的表达式可分解为两部分：又转子所受合外力矩也可以表示为：磁悬浮转子所受磁力可表示成如下线性形式：fλ＝kiλiλ+khλhλ(λ＝ax,ay,bx,by)转子偏转力矩的表达式为：α＝(hay‑hby)/(2lm)，β＝(hax‑hbx)/(2lm)式中，kiλ和khλ(λ＝ax,ay,bx,by)分别表示磁悬浮转子的径向Ax、Ay、Bx和By通道的电流刚度和位移刚度；iax、ibx、iay和iby是四个径向通道的绕组电流，hax、hbx、hay和hby是磁悬浮转子分别在Ax、Bx、Ay和By方向上的线性位移量，lm表示从磁悬浮转子中心到径向磁轴承中心的距离，表示框架和星体静止时磁悬浮转子偏转力矩，表示框架、航天器转动引起的等效力矩，需要特别说明的是hax、hbx、hay、hby可以通过电涡流位移传感器测量，可以计算得到转子偏转力矩在Mr的表达式中去掉并经过简化，可得出航天器、框架转动情况下等效加在转子的外部耦合力矩的表达式为：(3)简化运算磁悬浮转子外部耦合力矩磁悬浮转子耦合力矩的径向分量表达式为：由于的表达式比较复杂，令则通过简化解算得到磁悬浮转子的径向分量之和：(4)求解航天器姿态角速率解析解通过四棱锥构型中的三个磁悬浮CMG可以得到关于的3个方程，得到航天器姿态角速率，表达式为：