一种绳系卫星姿态与角动量一体化控制方法，包括如下步骤：基于系绳力矩的姿态角速率阻尼，实现绳系卫星姿态的重力梯度稳定控制；利用姿控力矩使整星质心与系绳张力方向产生一定的偏离，从而形成动量轮角动量的卸载力矩，对动量轮角动量进行快速卸载，卸载后再恢复正常重力梯度稳定的姿态，从而完成系绳卫星姿态与角动量的一体化控制。本发明确保系绳卫星姿态稳定以及执行机构角动量的卸载同时完成，保证系绳卫星始终具有姿态调整的能力。
1.一种绳系卫星姿态与角动量一体化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：基于重力梯度稳定，对绳系卫星进行姿态控制；
当绳系卫星的动量轮的角动量积累量达到预设值时，对所述动量轮的角动量进行卸载，完成绳系卫星的姿态与角动量一体化控制；
重力梯度稳定的条件为：滚动角 和俯仰角θ分别趋于某一固定值，偏航角ψ稳定控制以保证绳系卫星的帆板对日定向；
基于重力梯度稳定对绳系卫星进行姿态控制的方法包括如下步骤：确定绳系卫星本体相对轨道坐标系的姿态矩阵CBO、绳系卫星本体相对轨道坐标系的目标姿态矩阵CTO、目标姿态角速度ωTO；
根据所述姿态矩阵CBO和目标姿态矩阵CTO分别确定对应的四元数qBO、qTO；将qTO与qBO的差和ωTO与绳系卫星本体角速度ωBO的差作为控制量；
对所述动量轮的角动量进行卸载的方法为：当动量轮任一轴的角动量积累量达到预设值时，根据该轴的角动量积累量，确定加入到该轴的姿态偏移量，由所述姿态偏移量产生系绳力矩对该轴的角动量积累量进行卸载。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在对绳系卫星进行姿态控制时，设定卫星姿态按123转序描述。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，某一轴的角动量积累量与该轴的姿态偏移量为线性关系。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，某一轴的角动量积累量与该轴的姿态偏移量为正比关系。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，采用惯性器件测量获得绳系卫星本体角速度ωBO。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，实现权利要求1至4中任一项所述的控制方法。
7.一种绳系卫星姿态与角动量一体化控制装置，其特征在于，包括：姿态控制模块，基于重力梯度稳定，用于对绳系卫星进行姿态控制；
角动量卸载模块，当绳系卫星的动量轮的角动量积累量达到预设值时，用于对所述动量轮的角动量进行卸载；
重力梯度稳定的条件为：滚动角 和俯仰角θ分别趋于某一固定值，偏航角ψ稳定控制以保证绳系卫星的帆板对日定向；
确定绳系卫星本体相对轨道坐标系的姿态矩阵CBO、绳系卫星本体相对轨道坐标系的目标姿态矩阵CTO、目标姿态角速度ωTO；
根据所述姿态矩阵CBO和目标姿态矩阵CTO分别确定对应的四元数qBO、qTO；将qTO与qBO的差和ωTO与绳系卫星本体角速度ωBO的差作为控制量；
对所述动量轮的角动量进行卸载的方式为：当动量轮任一轴的角动量积累量达到预设值时，根据该轴的角动量积累量，确定加入到该轴的姿态偏移量，由所述姿态偏移量产生系绳力矩对该轴的角动量积累量进行卸载。
一种绳系卫星姿态与角动量一体化控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种绳系卫星姿态与角动量一体化控制方法，属于绳系卫星姿态控制技术领域。
背景技术
[0002] 绳系卫星由于系绳的存在，对各单星的姿态控制带来了很大的挑战。系绳在不同张紧状态下的张力有很大区别，而且系绳张力的方向随着两星的相对姿态和相对位置的变化而改变，一般情况下无法精确通过卫星质心，因此，卫星姿态始终受到一个具有很大不确定性的系绳力矩的扰动影响，如何在系绳张力作用下实现卫星的姿态稳定并确保姿态执行机构始终处于不饱和状态是绳系卫星姿态控制必须解决的关键问题。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于：克服现有技术的上述不足，提供一种绳系卫星姿态与角动量一体化控制方法，包括如下步骤：基于系绳力矩的姿态角速率阻尼，实现绳系卫星姿态的重力梯度稳定控制；利用姿控力矩使整星质心与系绳张力方向产生一定的偏离，从而形成动量轮角动量的卸载力矩，对动量轮角动量进行快速卸载，卸载后再恢复正常重力梯度稳定的姿态，从而完成系绳卫星姿态与角动量的一体化控制。本发明确保系绳卫星姿态稳定以及执行机构角动量的卸载同时完成，保证系绳卫星始终具有姿态调整的能力。
[0004] 本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
[0005] 一种绳系卫星姿态与角动量一体化控制方法，包括如下步骤：
[0006] 基于重力梯度稳定，对绳系卫星进行姿态控制；
[0007] 当绳系卫星的动量轮的角动量积累量达到预设值时，对所述动量轮的角动量进行卸载，完成绳系卫星的姿态与角动量一体化控制。
[0008] 上述的控制方法，优选的，重力梯度稳定的条件为：滚动角 和俯仰角θ分别趋于某一固定值，偏航角ψ稳定控制以保证绳系卫星的帆板对日定向。
[0009] 上述的控制方法，优选的，基于重力梯度稳定对绳系卫星进行姿态控制的方法包括如下步骤：
[0010] 确定绳系卫星本体相对轨道坐标系的姿态矩阵CBO、绳系卫星本体相对轨道坐标系的目标姿态矩阵CTO、目标姿态角速度ωTO；
[0011] 根据所述姿态矩阵CBO和目标姿态矩阵CTO分别确定对应的四元数qBO、qTO；将qTO与qBO的差和ωTO与绳系卫星本体角速度ωBO的差作为控制量。
[0012] 上述的控制方法，优选的，在对绳系卫星进行姿态控制时，设定卫星姿态按123转序描述。
[0013] 上述的控制方法，优选的，对所述动量轮的角动量进行卸载的方法为：当动量轮任一轴的角动量积累量达到预设值时，根据该轴的角动量积累量，确定加入到该轴的姿态偏移量，由所述姿态偏移量产生系绳力矩对该轴的角动量积累量进行卸载。
[0014] 上述的控制方法，优选的，某一轴的角动量积累量与该轴的姿态偏移量为线性关系。
[0015] 上述的控制方法，优选的，某一轴的角动量积累量与该轴的姿态偏移量为正比关系。
[0016] 上述的控制方法，优选的，采用惯性器件测量获得绳系卫星本体角速度ωBO。
[0017] 一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现上述的控制方法。
[0018] 一种绳系卫星姿态与角动量一体化控制装置，包括：
[0019] 姿态控制模块，基于重力梯度稳定，用于对绳系卫星进行姿态控制；
[0020] 角动量卸载模块，当绳系卫星的动量轮的角动量积累量达到预设值时，用于对所述动量轮的角动量进行卸载。
[0021] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0022] (1)本发明所述的重力梯度稳定姿态控制充分利用了系绳力矩对姿态的控制作用，避免了动量轮等输出力矩较小的姿态执行机构与系绳力矩的对抗；
[0023] (2)本发明利用系绳张力形成卸载力矩对系统角动量进行有效的卸载，使动量轮角动量始终处于不饱和状态，保证卫星姿态处于可控状态下；
[0024] (3)本发明实现了绳系卫星的姿态和角动量的一体化控制，可有效节省为角动量卸载专门设置的执行机构，从而节约卫星研制成本，满足低成本卫星快速开发的市场需求。
附图说明
[0025] 图1为本发明执行流程示意图。
[0026] 图2为绳系卫星的受力分析。
[0027] 图3为重力梯度稳定下的卫星姿态角和角速度曲线。
[0028] 图4为利用系绳力矩对动量轮系统合成角动量进行卸载的时间曲线。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
[0030] 如图1所示，本发明提出一种绳系卫星姿态与角动量一体化控制方法，步骤如下：
[0031] 步骤一、基于重力梯度稳定的绳系卫星姿态控制：
[0032] 设卫星姿态按123转序描述，则该转序下的三个欧拉角可由卫星本体相对轨道坐标系的姿态矩阵CBO得到，即
[0033]
[0034] 其中RPY为三个欧拉角 的求解函数，可根据卫星本体相对于轨道坐标系的姿态矩阵CBO按123转序解算出三个欧拉角 其中 为实时滚动角,θ为实时俯仰角,ψ为实时偏航角。
[0035] 在重力梯度作用下，实时滚动角 和实时俯仰角θ趋于某一固定值，但实时偏航角ψ仍然需要维持稳定控制，以保证帆板对日定向，因此三轴目标姿态 应为：
[0036]
[0037] 其中， 为目标滚动角,θT为目标俯仰角,ψT为目标偏航角。其控制思想是不对滚动角和俯仰角进行控制，仅对其进行速率阻尼。
[0038] 则目标姿态矩阵CTO为：
[0039]
[0040] 式中DCM姿态转换函数，可将三个目标姿态角 根据123转序计算出相应的姿态矩阵CTO。
[0041] 而目标姿态角速度ωTO为：
[0042] ωTO＝[0,0,0]T
[0043] 则控制量为：
[0044] qBT＝Qim(qTO,qBO)
[0045] ωBT＝ωTO‑ωBO
[0046] 式中，qTO为CTO对应的四元数，qBO为CBO对应的四元数，Qim为两个四元数的求差函数，可得到两个四元数{qTO,qBO}的差qBT；ωBO为卫星本体相对轨道坐标的角速度，可由陀螺测量获得，ωBT是当前卫星本体角速度与目标角速度的差。
[0047] 步骤二、利用系绳力矩的动量轮角动量卸载：
[0048] 设卫星姿态在系绳力矩作用下已接近平衡状态，但是卫星动量轮系合成角动量仍在积累，X轴的角动量积累量为ΔHx，Y轴的角动量积累量为ΔHy，为了对X轴和Y轴的角动量进行卸载，则应对卫星X轴和Y轴姿态加入偏移量 和Δθ为：
[0049]
[0050]
[0051] 其中，kx为X轴角动量反馈系数，100>kx>0；ky为Y轴角动量反馈系数，100>ky>0。由姿态偏移量 和Δθ产生的系绳力矩即可对角动量积累量进行卸载。
[0052] 一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现权利上述的控制方法。
[0053] 一种绳系卫星姿态与角动量一体化控制装置，包括：
[0054] 姿态控制模块，基于重力梯度稳定，用于对绳系卫星进行姿态控制；
[0055] 角动量卸载模块，当绳系卫星的动量轮的角动量积累量达到预设值时，用于对所述动量轮的角动量进行卸载。
[0056] 实施例：
[0057] 设绳系卫星的系绳连接点在卫星‑Z面，系绳张力大小为0.14N，张力方向与卫星质心之间在X方向和Y方向存在{374.922E‑3,374.922E‑3}m的偏差，理论计算表明，该偏差引起的系绳力矩将使卫星姿态产生的滚动角‑27.92°，俯仰角32°的姿态变化，卫星受力分析如图2所示。采用本发明所述的控制方法，仿真效果如图3和图4所示，其中图3表示完成了重力梯度稳定控制，图4表示完成了系统角动量的卸载。仿真表明，在配合系绳力矩进行的角速率阻尼作用，可使卫星姿态稳定到预定的滚动角和俯仰角，且动量轮的合成角动量得到了有效的卸载而趋于零，说明姿态和角动量实现了一体化控制。
[0058] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
