[发明专利]一种变速控制力矩陀螺的角动量管理方法

说明书

本发明涉及一种变速控制力矩陀螺的角动量管理方法，技术方案如下：设计了VSCMGs的角动量管理算法，重点解决了以下几个问题——基于奇异度量的混合模式指令力矩输出，零运动作转子轮速平衡，零运动作框架构型避奇异，框架角速度死区非线性处理以及忽略项的补偿，并给出了相应的理论分析；VSCMGs的混合模式充分发挥了控制力矩陀螺可进行大力矩输出的优点，利用该操纵律，可实现大角度快速姿态机动操作。本发明方法提供了一种新的VSCMGs角动量管理算法，该方法相比于已有的角动量管理算法无论是在力矩输出精度、角速度跟踪还是在框架避奇异方面都有明显的改善，具有很好的工程价值。

技术领域

本发明是一种变速控制力矩陀螺的角动量管理方法，涉及航天卫星姿态控制领域，具体涉及一种卫星上用于姿态控制的角动量交换装置——变速控制力矩陀螺(VSCMG)的角动量管理方法，将转子加速和框架运动分开设计以达到很好的力矩输出精度的一种技术。

背景技术

随着航天事业的高速发展，航天任务的多样化，从几千克的皮卫星到几百吨的空间站，各式各样的姿态控制装置应运而生。目前用于卫星姿态机动主动控制的执行机构主要包括推力器、反作用飞轮、控制力矩陀螺等。控制力矩陀螺包括单框架控制力矩陀螺(CSCMG)和双框架控制力矩陀螺(DGCMG)。如果转子转速可变，两者又可以变为变速控制力矩陀螺(VSCMG)和双框架变速控制力矩陀螺(DGV)。控制力矩陀螺(CMG)由高速旋转的动量飞轮、框架和框架转动伺服系统组成。框架转动迫使动量飞轮的角动量改变方向，因而向外提供力矩输出，CMGs(不加s代表单个CMG，加s代表CMG构成的系统)向外提供的力矩与支撑其框架转动伺服系统的力矩器所需输入力矩之比近似等于框架转速与航天器姿态角速度之比，因此，CMG具有很高的力矩放大能力，这是它相比于飞轮机构最突出的优点。

VSCMG由于转子转速可调，因此在同样构型下，相比于CSCMG，它不但依然具有大力矩输出的特点，而且操纵自由度比CSCMG(不加s代表单个CSCMG，加s代表CSCMG构成的系统)多了一倍，使其在完成姿态控制时完全没有求解的奇异问题；同时转子转速可变的特点使其具有动量轮系统的特点，可以考虑利用VSCMGs(不加s代表单个VSCMG，加s代表VSCMG构成的系统)的动量轮模式来提供精细力矩输出。这样一来，利用同一套执行机构就实现了既能作大力矩输出也能作精细小力矩输出的功能。虽然VSCMGs具有其它执行机构无可比拟的显著优点，但操纵自由度的增加也必然带来了设计上的复杂性。与同时具备飞轮系统和CMGs两者的优点一样，VSCMGs在设计复杂性上常常也同时兼有这二者的特点：

首先，VSCMGs由于转子转速可变而具备了高精度力矩输出的可能性，因此，如何设计操纵律，使这种高精度输出能力从单纯理论上的可能性具体地转化为在大力矩输出和小力矩输出这两种不同情况下的切实可行的实现方法，这是首要的问题。

第二点，与CSCMGs类似，为了保持持续的三向力矩输出能力，VSCMGs必须避免构型上的奇异性，虽然从数学上讲，VSCMGs的奇异性可以通过其动量轮模式来补偿，但是由于实际上动量轮(RW)模式所能提供的补偿力矩相对于控制力矩陀螺(CMG)模式所能提供的力矩来说要小得多，因此，在要求提供较大的指令力矩时，RW模式对于CMG模式的构型奇异也是无能为力的，所以与CSCMGs相同，避免构型奇异也是VSCMGs的一个关键问题。

第三点，与CSCMGs不同，VSCMGs的转子转速可变性导致其有可能出现部分转子转速较低，使其力矩输出能力有限，或者部分转子转速过高，从而易于饱和的情况，因此，希望各VSCMGs的转子转速能够尽量达到平衡，确保适宜的角动量包络范围，避免系统较快的陷入饱和奇异状态。

最后，VSCMGs的转子转速可变性导致其存在与飞轮系统同样的角动量饱和卸载问题，如何设计合适的卸载策略，确保VSCMGs能够长期稳定的工作，是VSCMGs必须考虑的问题。