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单框架控制力矩陀螺新型操纵律研究

孙志远  
【摘要】:随着航天技术的发展,对地观测卫星的分辨率被要求得越来越高。高精度的对地观测分辨率可以获得敏感目标更细致的信息,已成为了当前对地观测卫星发展的主流趋势。然而,高精度的对地观测分辨率常意味着相对较小的视场孔径角,而要想实现对敏感区域大范围的观测就要求卫星能够快速频繁地进行姿态机动,这就要求卫星平台具备敏捷的姿态机动能力。敏捷的姿态机动能力可以保证小卫星从一个目标区域观测完之后能够迅速机动到另一个目标区域,这样可以在一个轨道周期内采集到更多的科学数据,极大地增加整个小卫星的功率密度。 敏捷的姿态机动性能要求卫星姿态控制系统能够提供足够大的姿态控制力矩。单框架控制力矩陀螺(Single Gimbal Control Moment Gyro,以下简称SGCMG)是一种有效的角动量交换机构,具有力矩放大能力,在同等质量和体积下能够提供比飞轮高一个数量级的控制力矩。SGCMG虽然具有上述优点,但是也存在严重的奇异问题。所谓奇异是指:在某些框架角构型上,无论整个SGCMG系统如何转动,都无法产生沿某一方向上的力矩,此时整个姿态控制系统丧失了三轴姿态控制能力。奇异问题的存在给SGCMG操纵律的研究和设计带来了极大困难,也进一步影响了SGCMG在航天器上的应用。SGCMG操纵律的任务是根据SGCMG系统当前的框架角状态和由姿态控制系统给出的期望控制力矩矢量,合理分配每个SGCMG单元的框架角速度大小,使得整个系统的输出力矩与期望控制力矩一致,同时还要有效地回避奇异状态。 因此,对于采用SGCMG作为姿态执行机构的航天器来说,姿态控制系统的设计首先必须设计出能够有效地回避奇异状态、精确输出期望力矩的操纵律。虽然SGCMG在国外的航天器上已经得到了成功的应用,但是由于涉及到军事保密问题,这方面有价值的资料公开较少。本文在综合调研了国内外SGCMG的航天应用概况、SGCMG奇异机理和操纵律的研究概况的基础上,主要目的是针对某型采用SGCMG作为姿态执行机构的高分辨敏捷小卫星,设计出能够有效回避奇异同时精确输出期望力矩的操纵律。主要完成了以下几方面的工作: 研究了SGCMG奇异产生的机理、奇异面的分类和分布情况。介绍了SGCMG的力矩输出原理和力矩放大原理,分析了SGCMG系统奇异形成的机理,给出了SGCMG角动量奇异曲面的分类和判别方法,绘制了金字塔构型SGCMG系统的各类角动量奇异面,并研究各类奇异曲面的几何特性。 设计了一种新型的奇异逃离操纵律。根据SGCMG力矩输出的几何关系,提出了一个能够合理评价整个SGCMG系统输出期望力矩能力的性能指标,并在此基础上提出了力矩输出能力最优原理。接着,根据所提出的力矩输出能力最优原理,设计了一种既能够使得系统输出期望力矩的能力最强,又能保证输出力矩的误差最小的新型操纵律。然后,采用奇异值分解理论分别对其进行了“框架角锁定”现象和力矩输出误差分析。理论分析表明:所设计的力矩输出能力最优操纵律不存在“框架角锁定”现象,且合理选择相关的参数可以极大地降低力矩输出误差。最后,对所设计的新型操纵律进行了基于Matlab/SimuLink的仿真验证。数学仿真结果表明:与几种经典的操纵律相比,所设计的新型操纵律能够提前以较小的力矩误差为代价顺利回避椭圆奇异面,具有奇异逃离性能好和力矩输出误差小的优点;而且,三轴大角度机动仿真表明所设计的操纵律能够顺利完成星体的三轴姿态大角度机动任务。 提出了一种新型SGCMG离线操纵方法。针对采用SGCMG作为姿态执行机构的小卫星在大角度机动过程中SGCMG系统易陷入奇异的问题,本文借鉴轨迹优化领域的相关研究成果,提出了一种基于自适应Gauss伪谱法的SGCMG离线操纵方法。该算法能够综合考虑到实际工程应用中存在的SGCMG框架角受限、框架角速度受限,奇异量度受限,星体机动角速度受限以及星体初始、终端状态受限等约束条件,将卫星大角度机动问题看成满足上述一系列约束条件和边界条件同时实现某一性能指标最优的最优控制问题。然后,结合自适应高斯伪谱法与序列二次规划,求解带有边界约束与路径约束的最优化问题,最终获得实现性能指标最优的SGCMG系统无奇异框架角最优轨迹。在Matlab/GPOPS环境下,对于单次姿态机动任务,该算法能够在25s的时间内给出顺利实现大角度机动并满足所有约束条件,同时近似精度优于10-3的高精度平滑轨迹;对于4次连续姿态机动任务,该算法可以在143s内给出顺利完成整个姿态机动任务同时满足所有约束条件的高精度平滑轨迹。与经典的全局奇异回避算法相比,本文提出的算法具有计算速度快、计算精度高以及易于实现等优点。 论文最后对论文已经完成的工作进行了总结,并对SGCMG的操纵律研究进行了展望。


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