V型轮控且单轮掉电卫星的三轴姿态快速稳定控制方法与流程

技术特征：
1.一种v型轮控且单轮掉电卫星的三轴姿态快速稳定控制方法，其特征在于步骤如下：(1)红外地球敏感器测量卫星滚动角和俯仰角；(2)以v型动量轮组工作时，进行姿态控制；(3)当v型动量轮组中任一个动量轮掉电，则在星上控制器的输入端置滚动角输入和滚动角速度输入为零；(4)启动反作用轮，轮型工作状态改为l型动量轮组；(5)禁止喷气卸载和喷气控制；(6)根据掉电轮的转速情况，计算反作用轮输出控制力矩；(7)判断掉电轮转速是否为零，如果掉电轮转速下降为0后，将滚动角输入和滚动角速度输入接入星上控制器，实现闭环控制，之后进入步骤(8)；(8)判断掉电轮是否加电，如果加电，进入步骤(9)；如果未加电，返回步骤(7)；(9)将反作用轮改为转速控制方式，反作用轮的转速目标为启用时刻的转速，且控制方式改为原v型动量轮组方式，卫星控制器重新接入滚动角输入和滚动角速度输入。2.根据权利要求1所述的一种v型轮控且单轮掉电卫星的三轴姿态快速稳定控制方法，其特征在于：卫星上装有红外地球敏感器、第一动量轮、第二动量轮以及反作用轮，第一动量轮和第二动量轮工作时，构成v型动量轮组；当第一动量轮和反作用轮工作时，或者第二动量轮和反作用轮工作时，构成l型动量轮组。3.根据权利要求1所述的一种v型轮控且单轮掉电卫星的三轴姿态快速稳定控制方法，其特征在于：步骤(6)中所述掉电轮的转速情况，具体包括如下三种情况：第一动量轮掉电且转速不等于零；第二动量轮掉电且转速不等于零；掉电后第一动量轮或第二动量轮转速为零。4.根据权利要求3所述的一种v型轮控且单轮掉电卫星的三轴姿态快速稳定控制方法，其特征在于：当第一动量轮掉电且转速不等于零时，通过如下方式计算反作用轮输出控制力矩：步骤一：确定整星偏置角动量卫星小角度控制动力学方程为星偏置角动量卫星小角度控制动力学方程为星偏置角动量卫星小角度控制动力学方程为其中，分别为滚动角、俯仰角和偏航角，分别为滚动角速度和偏航角速度，分别为滚动角加速度、俯仰角加速度和偏航角加速度，i
x
,i
y
,i
z
分别为x轴、y轴和z轴转动惯量，h0,ω0分别为整星偏置动量和轨道角速度；t
dmw1
为第一动量轮产生的未知摩擦干扰力矩，β为动量轮中心轴与-y轴的夹角，和分别为第一动量轮和第二动量轮产生的力矩，为反作用轮产生的力矩；步骤二：若利用第二动量轮对俯仰轴进行控制，控制力矩由俯仰轴控制器给出，使
得θ
→
0，进而有则有将该式带入方程(1b)得到步骤三：若使则反作用轮输出力矩为同理可得，第二动量轮掉电且转速不等于零时，反作用轮输出力矩为5.根据权利要求4所述的一种v型轮控且单轮掉电卫星的三轴姿态快速稳定控制方法，其特征在于：当掉电后第一动量轮或第二动量轮转速为零时，通过如下方式确定反作用轮的输出力矩：掉电轮转速等于零时，则有t
dmw1
＝0，此时反作用轮和第二动量轮或者反作用轮和第一动量轮进行l型动量轮组控制方式，滚动轴控制器输入接入闭环系统内，控制力矩分别由滚动轴控制器和俯仰轴控制器给出。6.根据权利要求1所述的一种v型轮控且单轮掉电卫星的三轴姿态快速稳定控制方法，其特征在于：当掉电动量轮恢复加电后，反作用轮改为转速控制，并由当前转速控制到目标转速，在此过程中不引入喷气卸载，整个过程星体角动量未发生变化，基于角动量等价交换原理，动量轮恢复加电后，反作用轮控制到目标转速后，v型动量轮组角动量仍保持掉电前状态，转速恢复至掉电前状态。7.根据权利要求1所述的一种v型轮控且单轮掉电卫星的三轴姿态快速稳定控制方法，其特征在于：若掉电轮未恢复加电，则根据掉电轮转速进行判断。8.一种根据权利要求1所述的v型轮控且单轮掉电卫星的三轴姿态快速稳定控制方法实现的三轴姿态快速稳定控制系统，其特征在于包括：滚动角和俯仰角测量模块：红外地球敏感器测量卫星滚动角和俯仰角；动量轮组控制模块：以v型动量轮组工作时，进行姿态控制；当v型动量轮组中任一个动量轮掉电，则在星上控制器的输入端置滚动角输入和滚动角速度输入为零；启动反作用轮，轮型工作状态改为l型动量轮组；禁止喷气卸载和喷气控制；反作用轮控制力矩计算模块：根据掉电轮的转速情况，计算反作用轮输出控制力矩；加电判断控制模块：判断掉电轮转速是否为零，如果掉电轮转速下降为0后，将滚动角输入和滚动角速度输入接入星上控制器，实现闭环控制；判断掉电轮是否加电，如果加电，将反作用轮改为转速控制方式，反作用轮的转速目标为启用时刻的转速，且控制方式改为原v型动量轮组方式，卫星控制器重新接入滚动角输入和滚动角速度输入；如果未加电，返回反作用轮控制力矩计算模块。9.根据权利要求8所述的三轴姿态快速稳定控制系统，其特征在于：所述掉电轮的转速情况，具体包括如下三种情况：第一动量轮掉电且转速不等于零；第二动量轮掉电且转速不等于零；掉电后第一动量轮或第二动量轮转速为零；当第一动量轮掉电且转速不等于零时，通过如下方式计算反作用轮输出控制力矩：步骤一：确定整星偏置角动量卫星小角度控制动力学方程为
其中，θ,ψ分别为滚动角、俯仰角和偏航角，分别为滚动角速度和偏航角速度，分别为滚动角加速度、俯仰角加速度和偏航角加速度，i
x
,i
y
,i
z
分别为x轴、y轴和z轴转动惯量，h0,ω0分别为整星偏置动量和轨道角速度；t
dmw1
为第一动量轮产生的未知摩擦干扰力矩，β为动量轮中心轴与-y轴的夹角，和分别为第一动量轮和第二动量轮产生的力矩，为反作用轮产生的力矩；步骤二：若利用第二动量轮对俯仰轴进行控制，控制力矩由俯仰轴控制器给出，使得θ
→
0，进而有则有将该式带入方程(1b)得到步骤三：若使则反作用轮输出力矩为同理可得，第二动量轮掉电且转速不等于零时，反作用轮输出力矩为当掉电后第一动量轮或第二动量轮转速为零时，通过如下方式确定反作用轮的输出力矩：掉电轮转速等于零时，则有t
dmw1
＝0，此时反作用轮和第二动量轮或者反作用轮和第一动量轮进行l型动量轮组控制方式，滚动轴控制器输入接入闭环系统内，控制力矩分别由滚动轴控制器和俯仰轴控制器给出。10.根据权利要求9所述的三轴姿态快速稳定控制系统，其特征在于：当掉电动量轮恢复加电后，反作用轮改为转速控制，并由当前转速控制到目标转速，在此过程中不引入喷气卸载，整个过程星体角动量未发生变化，基于角动量等价交换原理，动量轮恢复加电后，反作用轮控制到目标转速后，v型动量轮组角动量仍保持掉电前状态，转速恢复至掉电前状态；若掉电轮未恢复加电，则根据掉电轮转速进行判断。

技术总结
一种V型轮控且单轮掉电卫星的三轴姿态快速稳定控制方法，该方法适用于东方红四号卫星平台中V型轮控工作时单个飞轮掉电情况，在不改变现有卫星的配置条件下，将备份反作用轮加电，进行转速保持热备份。当动量轮掉电时，未掉电轮采用Y方向姿态控制力矩方式，对俯仰角进行控制，反作用轮输出力矩等于(


技术研发人员：武云丽 雷仲谋 何刚 郭廷荣 张树华 崔振江 周中泽 李建平 葛莹
受保护的技术使用者：北京控制工程研究所
技术研发日：2022.09.06
技术公布日：2022/11/25