技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種采用飛輪控制的三軸穩(wěn)定對(duì)地觀測衛(wèi)星的角動(dòng)量管理方法，特別是采用噴氣卸載的冗余飛輪組角動(dòng)量自主管理方法,所述冗余飛輪組包括4個(gè)以上飛輪。

背景技術(shù)

現(xiàn)代長壽命三軸姿態(tài)穩(wěn)定衛(wèi)星在正常模式工作時(shí)，普遍采用冗余飛輪組作為姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)實(shí)施連續(xù)的穩(wěn)定控制。為克服外部環(huán)境干擾力矩對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響，姿態(tài)控制系統(tǒng)利用角動(dòng)量交換原理，由飛輪組吸收外擾力矩產(chǎn)生和積累的角動(dòng)量，如果沒有卸載措施，外擾力矩積累將導(dǎo)致飛輪組動(dòng)量飽和而失去控制能力，因此，對(duì)于輪控衛(wèi)星，動(dòng)量卸載是控制系統(tǒng)必不可少的組成部分。目前，對(duì)地指向三軸穩(wěn)定的輪控衛(wèi)星主要有兩種卸載方式：磁卸載和利用噴氣推力器卸載。磁卸載和噴氣推力器卸載，已是成熟技術(shù)，參見《衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制》（屠善澄主編，中國宇航出版社2001年出版）。

磁卸載是利用通電的磁力矩器和地磁場的作用產(chǎn)生力矩，因其值小，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)量卸載而不影響姿態(tài)穩(wěn)定性能，且只消耗電能而不消耗燃料。磁卸載是一種性能優(yōu)良的卸載方式，在低軌輪控衛(wèi)星上普遍采用，部分中軌衛(wèi)星也有應(yīng)用。然而，磁力矩很小同時(shí)也是該方式的局限所在，當(dāng)其所能產(chǎn)生的磁力矩不能超過外擾力矩時(shí)，就必須考慮別的卸載方式。磁力矩大小主要處決于軌道處的地磁強(qiáng)度和磁力矩器所能產(chǎn)生的磁矩的大小，因受結(jié)構(gòu)、功耗、星上剩磁要求等約束，磁力矩器磁矩受限，當(dāng)衛(wèi)星處于地球靜止軌道等地磁場很弱的高軌道、或者因衛(wèi)星特殊構(gòu)型等因素導(dǎo)致外擾力矩特別大，就會(huì)出現(xiàn)磁卸載方案不足以克服外擾力矩的問題，而必須考慮噴氣卸載角動(dòng)量管理等方案。

在長壽命三軸姿態(tài)穩(wěn)定的輪控衛(wèi)星上，為照顧軌道控制和應(yīng)急控制等需求，噴氣推力器一般也是標(biāo)準(zhǔn)配置，因此噴氣卸載的設(shè)備條件是具備的。但是噴氣控制力矩較大，在推力器工作期間，衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定性一般不能滿足正常任務(wù)要求，因此噴氣卸載只能間歇式地使用，其使用期間，衛(wèi)星正常業(yè)務(wù)暫時(shí)中斷。目前，低軌對(duì)地三軸穩(wěn)定的輪控衛(wèi)星一般采用噴氣卸載作為磁卸載的備份和保護(hù)，在磁卸載出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行替換，或在飛輪組角動(dòng)量超出設(shè)定的標(biāo)稱值一定范圍時(shí)采用噴氣卸載進(jìn)行保護(hù)；靜止軌道對(duì)地三軸穩(wěn)定的輪控衛(wèi)星普遍采用噴氣卸載。它們共同的技術(shù)特點(diǎn)是，在飛輪組角動(dòng)量超出設(shè)定的標(biāo)稱值一定范圍時(shí)，采用噴氣卸載，控制飛輪組角動(dòng)量回到設(shè)定的標(biāo)稱值，然后切換回正常輪控；其中標(biāo)稱值設(shè)定的原則一般為合成角動(dòng)量接近零或在-Y軸偏置預(yù)定值，超差判斷一般依據(jù)任一飛輪轉(zhuǎn)速接近飽和或接近零速（高穩(wěn)定衛(wèi)星一般避免飛輪轉(zhuǎn)速過零，因?yàn)檫^零時(shí)存在控制死區(qū)和靜摩擦反向的問題，從而影響控制精度）。

由于噴氣卸載會(huì)中斷衛(wèi)星正常業(yè)務(wù)運(yùn)行，通常對(duì)相鄰兩次噴氣卸載的時(shí)間間隔有要求，我們稱之為任務(wù)允許卸載周期。在衛(wèi)星受到的外擾力矩較小時(shí)，任務(wù)允許卸載周期內(nèi)積累的角動(dòng)量遠(yuǎn)小于飛輪組可調(diào)節(jié)的角動(dòng)量容量，上述噴氣卸載方案雖非最優(yōu)，卻也簡單有效；但是，在衛(wèi)星受到相當(dāng)大的外擾力矩時(shí)，任務(wù)允許卸載周期內(nèi)積累的角動(dòng)量接近飛輪組可調(diào)節(jié)的角動(dòng)量容量，該方案的缺陷變得突出，甚至不能滿足任務(wù)要求。美國專利US2009/0159753“MOMENTUM?MANAGEMENT?SYSTEM?FOR?REACTION?WHEEL?BY?USING?NULL?SPACE?VECTOR?AND?METHOD”，針對(duì)4個(gè)或多于4個(gè)的飛輪組(冗余飛輪組)，通過輪子零運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輪子實(shí)際轉(zhuǎn)速/角動(dòng)量與期望轉(zhuǎn)速/角動(dòng)量一致，以保證輪組有最大控制能力，而某一個(gè)輪子控制失效或能力退化時(shí)，使用零空間矢量重新分配三軸控制力矩，使得該輪子控制力矩為零，其它輪子實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星三軸控制。

目前的方法，存在的主要問題有：

（1）標(biāo)稱值的設(shè)定、卸載時(shí)各工作飛輪的轉(zhuǎn)速分配與控制，沒有遵循沿飛輪組可調(diào)節(jié)角動(dòng)量容量的優(yōu)化方向卸載，因此卸載后飛輪組可吸收外擾積累角動(dòng)量較少，在大的外擾力矩作用下卸載頻繁；

（2）沒有充分利用對(duì)地三軸穩(wěn)定衛(wèi)星外擾力矩呈現(xiàn)周期性的特點(diǎn)，卸載的角動(dòng)量除了包括在慣性系積累的角動(dòng)量（這一部分必須卸載掉），也包括了在慣性系交變的角動(dòng)量，后者造成燃料的額外消耗；

（3）非卸載周期內(nèi)一旦因?yàn)槟硞€(gè)飛輪故障造成飛輪組重新構(gòu)型時(shí)，需要中斷衛(wèi)星正常業(yè)務(wù)，進(jìn)行噴氣控制，重新調(diào)整新構(gòu)型飛輪組的初始動(dòng)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種沿飛輪組角動(dòng)量包容最大的優(yōu)化方向卸載、節(jié)省燃料、非卸載周期內(nèi)發(fā)生飛輪組重新構(gòu)型時(shí)不需噴氣控制的冗余飛輪組動(dòng)量自主管理方法。

本發(fā)明包括如下技術(shù)方案：