用于敏捷衛(wèi)星應(yīng)用的姿態(tài)控制的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明總體上涉及姿態(tài)控制，并且尤其便利地涉及衛(wèi)星和/或航天器的空間平臺的姿態(tài)控制。具體地，本發(fā)明的第一方面涉及具有有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的多個控制力矩陀螺(3、41、42、43、44、61、62、63、64)在姿態(tài)控制系統(tǒng)(100)的用途。此外，本發(fā)明的另一方面涉及用于控制姿態(tài)控制系統(tǒng)(100)的控制力矩陀螺組件(4、6、120)的改進邏輯。
【專利說明】
用于敏捷衛(wèi)星應(yīng)用的姿態(tài)控制
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明總體上設(shè)及姿態(tài)控制，尤其便利地是對衛(wèi)星和/或航天器的空間站的姿態(tài) 的控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，控制動量(或力矩)巧螺(或巧螺儀）（在下文中，將被稱為"CMG(Control Momentum Gyroscope))是尤其是在航天器/衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的用于姿態(tài)控制的扭矩產(chǎn) 生器。通常，該CMG因為其高輸出扭矩和快速響應(yīng)而替代反作用輪。
[0003] 在該方面，圖1通過示例的方式示意性示出可開發(fā)用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的CMG(總體 由1表示）的工作原理。
[0004] 尤其是，如圖1所示，CMG 1包括飛輪或轉(zhuǎn)子（由盤11示意性表示），該飛輪或轉(zhuǎn)子被 容納在殼體12中且通過飛輪馬達(在圖1中出于簡化視圖的目的，未示出）W恒定的角速度 旋轉(zhuǎn)，由此該飛輪或轉(zhuǎn)子具有角動量H。
[0005] 飛輪11與萬向節(jié)(在圖1中出于簡化視圖的目的，未示出）聯(lián)接，該萬向節(jié)可W通過 萬向節(jié)馬達(在圖1中出于簡化視圖的目的，未示出）操作從而使得所述飛輪11轉(zhuǎn)動，并且因 此該飛輪的角動量矢量Η圍繞垂直于角動量矢量Η的萬向節(jié)軸線G，因此生成能夠被用于使 得衛(wèi)星轉(zhuǎn)動的巧螺(或巧螺效應(yīng))扭矩Τ。生成的扭矩Τ位于垂直于轉(zhuǎn)子角動量矢量Η和萬向 節(jié)軸線G的軸線上，并且圍繞萬向節(jié)軸線GW與轉(zhuǎn)子11通過萬向節(jié)圍繞所述萬向節(jié)軸線G轉(zhuǎn) 動的角速度相同的角速度轉(zhuǎn)動。
[0006] 由于該類型的致動器的奇特性，因而航天器/衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中控制動量巧螺 (CMG)的使用已經(jīng)被限制很多年。事實上，CMG是基于允許無窮數(shù)量轉(zhuǎn)動的機械萬向節(jié)的復 雜的機電單元;其接合部在致動開始和停止階段過程中應(yīng)當支持較高轉(zhuǎn)速和極度的加速。 此外，它們基于滑環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)增大了成本且降低了整個系統(tǒng)的可靠性。
[0007] 因為由CMG生成的轉(zhuǎn)矩在垂直于萬向節(jié)軸線的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，所W包括多個CMG單元 的組件或集群通常需要在平面中或者Ξ維空間中控制期望的扭矩。在該方面，需要注意如 下的事實:術(shù)語"CMG集群"和"CMG組件"在本申請中將無差別地使用。
[000引CMG集群的構(gòu)造通常通過所有的CMG單元的方向來限定，尤其是通過萬向節(jié)軸線的 方向來限定。
[0009] 眾所周知，典型的單一萬向節(jié)CMG組件（即，一個轉(zhuǎn)子具有一個萬向節(jié))通常具有特 定類型的對稱性，運能夠分為兩個主要類型:獨立類型和多重類型。尤其是，獨立類型的單 一萬向節(jié)CMG組件不具有平行的萬向節(jié)方向/軸線，而多重類型的單一萬向節(jié)CMG組件具有 多組平行的萬向節(jié)方向/軸線。
[0010] 在該方面，圖2示意性示出了多重類型的單一萬向節(jié)CMG集群（總體上由2表示），該 集群包括6個單一萬向節(jié)CMG(即，其中，每個CMG都具有單一萬向節(jié)）。尤其是，在圖2中，出于 簡化視圖的目的，只示出了 6個單一萬向節(jié)CMG的轉(zhuǎn)子。具體地，如圖2所示，Ξ個轉(zhuǎn)子(分別 由21、22和23)表示，并且因此相應(yīng)的Ξ個CMG具有相互平行的第一萬向節(jié)方向/軸線(分別， 由Ι??，I。;和挺;;表示），然而其他Ξ個轉(zhuǎn)子(分別由24、25和26)和，因此相應(yīng)的Ξ個CMG具有 相互平行的但是與第一萬向節(jié)方向/軸線象:1，表。和換3不平行的第二萬向節(jié)方向/軸線(分 別由貪4，I?和耗6表示)。
[001。 此外，轉(zhuǎn)子21、22和23具有在一個相同的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的角動量矢量(分別由h2i，h22 和1123表不），并且轉(zhuǎn)子24、25和26具有角動量矢量(分別由1124，112日和1126表不），該角動量矢量 在與轉(zhuǎn)子21、22和23的角動量矢量}121，1122和1123在其中轉(zhuǎn)動的平面平行的一個相同的平面內(nèi) 轉(zhuǎn)動。
[0012] 在US2011/011982A1中描述了 CMG集群的一個示例，該文件設(shè)及用于航天器姿態(tài)控 審IJ系統(tǒng)的模塊化CMG系統(tǒng)，其中模塊化的CMG系統(tǒng)由多個CMG模塊形成，其中每個CMG模塊都 具有與其他的CMG模塊的設(shè)計相同的模塊化的封閉設(shè)計，從而多個CMG模塊可多種陣列 構(gòu)造中的期望的任一種被安裝在航天器陣列總線結(jié)構(gòu)中。
[0013] 此外，US 2003/160132 A1公開了一種動力不平衡補償系統(tǒng)，動力不平衡補償系統(tǒng) 補償航天器上的轉(zhuǎn)動組件的動力不平衡從而補償出現(xiàn)的動力不平衡力矩。尤其是，根據(jù)US 2003/160132 A1的所述動力不平衡補償系統(tǒng)包括航天器、安裝在航天器上的且圍繞轉(zhuǎn)動軸 線相對于航天器轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動組件，W及安裝在轉(zhuǎn)動組件上并且生成垂直于轉(zhuǎn)動軸線的動量 矢量分量的一個或多個動量裝置。一個或多個動量裝置在轉(zhuǎn)動組件的旋轉(zhuǎn)期間生成補償扭 矩，從而補償轉(zhuǎn)動組件的動力不平衡。
[0014] CMG集群的最重要缺陷是存在一些情況，其中：CMG不能沿著特定方向生成扭矩，運 些特定方向稱為奇異方向。CMG集群當其接近特定的萬向節(jié)角度幾何構(gòu)造時接近奇異方向。 因此，必須選擇具有不同的優(yōu)點和缺點的專用奇異避免邏輯，從而緩解該問題的效果。
[001引在過去，多種CMG控制技術(shù)已經(jīng)被提議和執(zhí)行W避免奇異情況，諸如：
[0016] .預先在地面上執(zhí)行離線優(yōu)化，W計算離線萬向節(jié)軌線，從而滿足任務(wù)需求，并且 同時避免奇異情況;或者
[0017] ?將誤差/干擾引入到被致動的轉(zhuǎn)矩中的奇異避免技術(shù)。
[001引在EP 1 908 686 A1中公開CMG陣列中的奇異避免的分層策略的示例，該EP 1 908 686 A1設(shè)及用于調(diào)整航天器的姿態(tài)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括：
[0019] ?被構(gòu)造為允許零空間移動(null space maneuver)的一組0\16;^及
[0020] ?動量致動器控制處理器，所述動量致動器控制處理器被連接到該組CMG并且被 構(gòu)造為
[0021 ]-確定強制的零空間移動W避免奇異，W及
[0022] -確定可選的零空間移動W增大可用的扭矩。
[0023] 尤其是，所述強制的零空間移動能夠基于特定的萬向節(jié)角度而被計算，并且能夠 通過增大逆雅克比控制矩陣被執(zhí)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 因此，本發(fā)明的第一目的是提供姿態(tài)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有比已知姿態(tài)控制 系統(tǒng)更低的復雜度，并且因此具有更低的成本，并且同時，具有更高的可靠性和穩(wěn)定性。
[0025] 此外，本發(fā)明的第二目的是提供一種具有改進的奇異避免能力的姿態(tài)控制系統(tǒng)。
[0026] 運些和其他目的在W下方面通過本發(fā)明來完成，即本發(fā)明設(shè)及在所附權(quán)利要求中 限定的控制力矩巧螺組件、姿態(tài)控制單元和姿態(tài)控制系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0027] 為了更好地理解本發(fā)明，僅僅是非限定性示例的優(yōu)選實施例將參考附圖而被說明 (所有的附圖不是按比例的），其中：
[0028] 圖1示意性示出了控制動量巧螺的工作原理；
[0029] 圖2示意性示出了多重類型的控制動量巧螺集群；
[0030] 圖3示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的第一方面的優(yōu)選實施例的控制動量巧螺；
[0031] 圖4示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的第一優(yōu)選實施例的控制動量巧螺集 群；
[0032] 圖5示出了圖4的集群的Ξ個控制動量巧螺的奇異表面；
[0033] 圖6示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的前述第二方面的第二優(yōu)選實施例的控制動量巧螺 集群；
[0034] 圖7至9示出了根據(jù)如圖4所示的集群的第一優(yōu)選實施例的控制動量巧螺集群的在 Ξ個基準平面中的角動量包絡(luò)線；
[0035] 圖10示出了根據(jù)如圖4所示的集群的所述第一優(yōu)選實施例的控制動量巧螺集群的 整體Ξ維角動量包絡(luò)線；
[0036] 圖11示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的優(yōu)選實施例的執(zhí)行控制動量巧螺集 群控制邏輯的衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)；
[0037] 圖12至14示出了根據(jù)如圖4所示的集群的第二優(yōu)選實施例的控制動量巧螺集群的 在Ξ個基準平面中的角動量包絡(luò)線；
[0038] 圖15和16示意性示出了由
【申請人】執(zhí)行的本發(fā)明的兩個測試的結(jié)果。
【具體實施方式】
[0039] 展現(xiàn)下文的討論，使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)和使用本發(fā)明。對于本領(lǐng)域的 技術(shù)人員而言，在不脫離所要求的本發(fā)明的范圍的基礎(chǔ)上，對實施例的多種修改是顯而易 見的。因此，本發(fā)明不試圖被限定于示出和說明的實施例，而是應(yīng)當符合在本文公開的和在 所附權(quán)利要求中限定的原理和特征的最廣泛范圍一致。
[0040] 本發(fā)明總體上設(shè)及姿態(tài)控制，并且尤其便利地設(shè)及衛(wèi)星和/或航天器的空間平臺 的姿態(tài)的控制。
[0041] 具體地本發(fā)明的第一方面設(shè)及具有有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的多個CMG在姿態(tài)控制系統(tǒng) 中的用途，本發(fā)明的第二方面設(shè)及用于姿態(tài)控制系統(tǒng)的CMG組件的具體構(gòu)造，并且本發(fā)明的 第Ξ方面設(shè)及用于控制姿態(tài)控制系統(tǒng)的CMG組件的特定邏輯。本發(fā)明的上述Ξ個方面的協(xié) 同組合允許實現(xiàn)新的和創(chuàng)造性的姿態(tài)控制系統(tǒng)，該姿態(tài)控制系統(tǒng)克服與CMG的使用相關(guān)的 所有主要問題(如上所述）。
[0042] 總之，不違背上述的說明，重要的是需要注意本發(fā)明的上述的Ξ個方面中的每一 個本身允許完成相應(yīng)的重要技術(shù)優(yōu)勢，因此，即使不與其他兩個方面組合也能實現(xiàn)新的和 創(chuàng)造性的姿態(tài)控制系統(tǒng)。具體地，即使在不使用根據(jù)第二方面的特定CMG組件構(gòu)造和根據(jù)第 Ξ方面的特定CMG組件控制邏輯的情況下，使用根據(jù)第一方面的具有有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的 CMG本身允許實現(xiàn)新的和創(chuàng)造性的姿態(tài)控制系統(tǒng)。此外，即使在不使用根據(jù)第一方面的具有 有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的CMG和根據(jù)第Ξ方面的特定CMG組件控制邏輯的情況下，使用根據(jù)第二 方面的特定CMG組件構(gòu)造本身允許實現(xiàn)新的和創(chuàng)造性的姿態(tài)控制系統(tǒng)。最后，即使在不使用 根據(jù)第一方面的具有有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的CMG和根據(jù)第二方面的特定CMG組件構(gòu)造的情況 下，使用根據(jù)第Ξ方面的特定CMG組件控制邏輯本身允許實現(xiàn)新的和創(chuàng)造性的姿態(tài)控制系 統(tǒng)。
[0043] 具體地，至于本發(fā)明的第一方面，該方面設(shè)及多個CMG(或CMG單元)在姿態(tài)控制系 統(tǒng)中的用途，每個CMG都具有相應(yīng)的被機械約束的萬向節(jié)，從而能夠操作W在其軸線上僅僅 執(zhí)行有限數(shù)量的整周旋轉(zhuǎn)(順時針和逆時針）。
[0044] 具體地，眾所周知和如前所述，在CMG中，飛輪馬達被用于使得飛輪(或轉(zhuǎn)子)在其 軸線上轉(zhuǎn)動，該飛輪馬達通常被設(shè)置在萬向節(jié)上。因此，在固定部件和轉(zhuǎn)動部件之間的CMG 電連接必須被提供W向飛輪馬達供電（尤其是，向飛輪馬達的相位供電），并且從與轉(zhuǎn)子聯(lián) 接的傳感器中獲取信號。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，運借助于曉性電纜，尤其是扁平的曉性電 纜來實現(xiàn)，該電纜響應(yīng)于萬向節(jié)的轉(zhuǎn)動而圍繞萬向節(jié)軸線被卷繞和解繞（即，盤繞和解盤 繞)并且保證至/來自CMG的電力和信號連接。由于使用上述的曉性電纜，萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的最大 圈數(shù)取決于使用的曉性電纜的長度，該長度因此表示對于由萬向節(jié)可執(zhí)行的在其軸線上的 順時針和逆時針的整周旋轉(zhuǎn)的數(shù)量的機械約束。事實上，如果該限值被超過，則CMG單元因 為電力和信號連接被中斷而失效。
[0045] 為了更好地理解本發(fā)明的第一方面，參考示意性示出根據(jù)本發(fā)明的所述第一方面 的優(yōu)選實施例的CMG(總體上由3表示)的圖3做出說明。
[0046] 具體地，CMG 3包括：
[0047] ?殼體31，殼體31在其內(nèi)部容納通過飛輪馬達而在飛輪軸線上旋轉(zhuǎn)的飛輪(所述 飛輪、飛輪軸線和飛輪馬達在圖3中不可見）；W及
[004引 ?萬向節(jié)32,所述萬向節(jié)32
[0049] -在殼體31內(nèi)部延伸并且也突出到殼體31之外，W及
[0050] -能夠在萬向節(jié)軸線在上順時針和逆時針轉(zhuǎn)動，并且與飛輪聯(lián)接，從而使得飛輪 圍繞所述萬向節(jié)軸線順時針和逆時針轉(zhuǎn)動。
[0051] 此外，如圖3所示，曉性電纜，優(yōu)選地扁平曉性電纜33被聯(lián)接到萬向節(jié)32,該萬向節(jié) 位于殼體31外部，從而總體上向CMG 3供電并且具體地向位于殼體31中的飛輪馬達供電，并 且接收由總體上聯(lián)接到CMG 3并且具體地被聯(lián)接到所述飛輪的傳感器提供的信號。
[0052] 具體地，在使用中，萬向節(jié)轉(zhuǎn)動導致曉性電纜33圍繞萬向節(jié)32被卷繞和解繞（即， 盤繞和解盤繞），由此機械地限制由萬向節(jié)32可執(zhí)行的在萬向節(jié)軸線(若",上的順時針和逆 時針的整周旋轉(zhuǎn)的數(shù)量。
[0053] 本發(fā)明的第一方面提供多個優(yōu)點。具體地，允許避免使用用于傳遞至/來自CMG的 電力和信號的滑環(huán)或滾環(huán)，其中最終在空間環(huán)境中在單元鑒定過程的成本方面和系統(tǒng)的可 靠性和耐受性方面具有正面的影響。便利地，提議的解決方案基于曉性電纜，優(yōu)選地是扁平 的曉性電纜，即，電力和信號傳輸元件，該電力和信號傳輸元件不使用移動部件并且具有更 好的可靠性、穩(wěn)定性和電磁噪音耐受性。
[0054] 此外，由于使用具有有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的CMG，所W萬向節(jié)傳感器設(shè)計和管理能夠 被簡化，因為不需要測量無限的萬向節(jié)角度旋轉(zhuǎn)。運種事實允許使用具有簡化的角重度構(gòu) 算法類型的傳感器(例如，提供正弦/余弦類型的模擬輸出的傳感器），并且因此在成本和系 統(tǒng)可靠性方面具有正面的影響。
[0055] 考慮到設(shè)及本發(fā)明的第一方面的上述技術(shù)優(yōu)點，應(yīng)當容易理解，如之前已經(jīng)解釋 的，使用具有有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的CMG本身允許實現(xiàn)新的和創(chuàng)造性的姿態(tài)控制系統(tǒng)（即使在 不具有根據(jù)本發(fā)明的第二方面和第Ξ方面的額外特征的情況下）。在該方面，重要的是強調(diào) 本發(fā)明的第一方面也能夠開發(fā)有利地用于如下的姿態(tài)控制系統(tǒng)中：
[0056] ?具有CMG集群，該CMG集群具有與根據(jù)本發(fā)明的第二方面的構(gòu)造不同的構(gòu)造;和/ 或
[0057] .執(zhí)行CMG集群控制邏輯，該控制邏輯與根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的控制邏輯不同。
[0058] 此外，對于本發(fā)明的第二方面，該方面設(shè)及在姿態(tài)控制系統(tǒng)中使用分為兩組的，即 第一組和第二組，多個CMG的集群，其中：
[0化9] ?第一組CMG具有：
[0060] -萬向節(jié)軸線，所述萬向節(jié)軸線相互平行或者沿一個相同的直線定位，和
[0061] -轉(zhuǎn)子角動量矢量，所述轉(zhuǎn)子角動量矢量在一個相同的平面中或者在平行的平面 中轉(zhuǎn)動；
[0062] .第二組CMG具有萬向節(jié)軸線，該萬向節(jié)軸線
[0063] -相互平行或者沿一個相同的直線定位，W及
[0064] -不平行于第一組的CMG的萬向節(jié)軸線；
[0065] ?第二組CMG具有在一個相同的平面中或者在平行的平面中轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子角動量矢 量；W及
[0066] .第一組CMG的轉(zhuǎn)子角動量矢量轉(zhuǎn)動所在的平面與第二組CMG的轉(zhuǎn)子角動量矢量 轉(zhuǎn)動所在的平面相交。
[0067] 便利地，第一組和第二組的CMG的萬向節(jié)軸線位于一個相同的平面上。
[006引優(yōu)選地，CMG集群包括Ξ個或更多個的CMG，例如，CMG集群能夠便利地包括四個 CMGo
[0069] 便利地，第一組和第二組的CMG具有根據(jù)本發(fā)明的第一方面的有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)。
[0070] 為了更好地理解本發(fā)明的第二方面，圖4示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的前述第二實 施例的第一優(yōu)選實施例的用于姿態(tài)控制系統(tǒng)的第一 CMG集群(整體由4表示)的第一構(gòu)造。
[0071] 具體地，CMG集群4包括4個CMG 41、42、43和44(出于簡化視圖的目的，圖4只示出了 4個CMG 41、42、43和44的轉(zhuǎn)子），4個CMG 41、42、43和44被分為兩對，即第一對和第二對，其 中，每對CMG具有平行的萬向節(jié)軸線（由此導致，CMG集群4是多重類型的CMG集群）。
[0072] 具體地，如圖4所示，CMG 41和42具有：
[0073] ?平行的萬向節(jié)軸線勒和耗;W及
[0074] ?在一個相同的平面中轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子角動量矢量化和肥。
[0075] 此外，CMG 43和44具有：
[0076] .平行的萬向節(jié)軸線氣和急4，平行的萬向節(jié)軸線斯和含4不平行于CMG 41和42的萬 向節(jié)軸線氛.和裝，并且位于與CMG 41和42的萬向節(jié)軸線氛和知的平面相同的平面上(所述 平面是萬向節(jié)軸線含1，忌2，鼓和容4公用的平面，并且在圖4中由如圖所示的Ξ位卡迪爾 參考坐標系別Ζ的平面ΧΥ所表示）；W及
[0077] ?在一個相同的平面中轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子角動量矢量Η3和Η4,并且該平面與CMG 41和42 的轉(zhuǎn)子角動量矢量Η1和Η2轉(zhuǎn)動所在的平面相交。
[0078] 此外，CMG 41和42的轉(zhuǎn)子角動量矢量Η1和Η2轉(zhuǎn)動所在的平面與軸線Υ形成角度 丫 1，并且CMG 43和44的轉(zhuǎn)子角動量矢量Η3和Η4轉(zhuǎn)動所在的平面與軸線X形成角度丫 2。
[00巧]由CMG集群4提供的總角動量分貨可W通過簡化的Ξ角表達式表示為每個CMG 41、42、43和44的萬向節(jié)角度目1(*)的函數(shù)：
[0080]
[0081 ]其中，曲表示單一CMG單元的角動量(在本示例中，所述角動量化被假設(shè)為對于所有 的CMG 41、42、43和44是相同的，但是應(yīng)當清楚每個CMG單元的角動量也可能與其他CMG單元 的角動量不同，并且R(丫 1)和R(丫 2)表示考慮到轉(zhuǎn)子角動量矢量H1和H2W及H3和H4分別轉(zhuǎn) 動所在的兩個相交平面之間的傾斜角度的轉(zhuǎn)動矩陣。
[0082]因此，總角動量矢量的微分是：
[0086] 在使用中，CMG集群控制邏輯必須反演前述的等式(3)，從而找到導致CMG集群4提 供需要的角動量改變的萬向節(jié)角度改變指令。
[0087] 從數(shù)學角度考慮，等式(3)的反演在雅克比矩陣A的行列式是零的情況下是不可能 的，事實上，在等式(3)不可反演的情況下，因此不能獲得解。當發(fā)生該條件時，存在CMG系統(tǒng) 4不能提供需要的扭矩的方向，該情況下即"奇異情況"。
[0088] 在只使用立個〔16的情況下，本發(fā)明利用提議構(gòu)造的奇異的拓撲結(jié)構(gòu)。該CMG構(gòu)造 在角動量可用性方面具有獨特特征:其具有角動量楠圓包絡(luò)線，在該包絡(luò)線中不會發(fā)生奇 異情況。該角動量的包絡(luò)線中的無奇異區(qū)域能夠近似為半徑ih、ih、VJh的楠圓。在該方面， 圖5示出了使用Ξ個CMG的奇異表面，即，雅克比矩陣不可反演的角動量表面。從圖5中明顯 地看出，不具有任何奇異表面的內(nèi)部區(qū)域。
[0089] 考慮到如圖4所述的CMG集群4的構(gòu)造采用四個CMG，多至四個的CMG單元的Ξ元組 (即，Ξ個CMG單元的組合)可W被識別。對于每個Ξ元組，雅克比矩陣可W被計算。在下表1 中，對于丫 1= 丫 2 = 0(即當CMG 41和42的轉(zhuǎn)子角動量矢量化和肥的轉(zhuǎn)動平面與CMG 43和44 的轉(zhuǎn)子角動量矢量H3和H4的轉(zhuǎn)動平面垂直時）的情況，報告了所有的CMGS元組的雅克比矩 陣(分別由 C0NF1，C0NF2，C0NF3和C0NF4表示）。
[0090] 表 1
[0091]
[0092] 在角動量請求保持在所選擇的Ξ元組的無奇異區(qū)域中的情況下，在不存在任何奇 異問題的情況下，通過使用簡單的3x3矩陣反演，萬向節(jié)指令能夠直接基于在前述表1中報 告的且對應(yīng)于所選擇的Ξ元組的等式被計算。
[0093] 從萬向節(jié)角度和動量矢量之間的關(guān)系開始，能夠發(fā)現(xiàn)：內(nèi)部角動量區(qū)域能夠被萬 向節(jié)角度的有限偏移覆蓋。該特征保證內(nèi)部無奇異區(qū)域中的角動量能夠利用萬向節(jié)角度的 有限改變而被探測到，因此該特征最優(yōu)地匹配根據(jù)本發(fā)明的第一方面的具有有限的萬向節(jié) 旋轉(zhuǎn)的CMG的使用。
[0094] 對于CMG的轉(zhuǎn)子角動量矢量在垂直平面中轉(zhuǎn)動的CMG集群構(gòu)造的使用（即，CMG集群 構(gòu)造的使用，其中，丫 1= 丫 2 = 0)，圖6示意性示出了第二CMG集群（整體由6表示）的第二構(gòu) 造，該第二構(gòu)造體現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的第二優(yōu)選實施例的所述特征。
[0095] 具體地，〔16集群6包括四個〔16 61、62、63和64，四個〔16 61、62、63和64被分為兩 對，即第一對和第二對，其中，每對CMG都具有垂直于另一CMG對的萬向節(jié)軸線的相應(yīng)萬向節(jié) 軸線。
[0096] 具體地，如圖6所示，CMG 61和62具有
[0097] ?一個相同的萬向節(jié)軸線（由如圖6所示的Ξ維笛卡爾參考坐標系xyz的軸線Z表 示），或者等價地，沿一個相同的直線（即，沿著軸線Z)定位的萬向節(jié)軸線；W及
[0098] ?在平行的平面中轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子角動量矢量(具體地，在與由如圖6所示的Ξ維笛卡 爾參考坐標系的平面xy平行的平面中）。
[0099] 此外，CMG 63和64具有
[0100] .-個相同的萬向節(jié)軸線（由如圖6所示的Ξ維笛卡爾參考坐標系的軸線y表示）， 或者等價地，沿一個相同的直線定位的萬向節(jié)軸線（即，沿著軸線y);W及
[0101] ?在平行的平面中轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子角動量矢量(具體地，在與由如圖6所示的Ξ維笛卡 爾參考坐標系的平面XZ平行的平面中）。
[0102] 因此，兩個CMG對61-62和63-64的萬向節(jié)軸線是垂直的，并且CMG 61和62的轉(zhuǎn)子角 動量矢量轉(zhuǎn)動所在的平面與CMG63和64的轉(zhuǎn)子角動量矢量轉(zhuǎn)動所在的平面相交和垂直。
[0103] 如前所述，根據(jù)本發(fā)明的第二方面的CMG集群構(gòu)造允許在任何時候發(fā)現(xiàn)，并且因此 使用CMG單元的Ξ元組，從而使得角動量請求被保持在相應(yīng)的無奇異區(qū)域中，由此使得萬向 節(jié)指令計算極快并且計算量較小(事實上，需要簡單的3x3矩陣反演），并且同時，避免任何 奇異問題。
[0104] 考慮到設(shè)及本發(fā)明的第二方面的上述技術(shù)優(yōu)點，應(yīng)當容易理解，如之前已經(jīng)解釋 的，根據(jù)本發(fā)明的第二方面的CMG組件構(gòu)造本身允許實現(xiàn)新的和創(chuàng)造性的姿態(tài)控制系統(tǒng)（即 使在不具有根據(jù)本發(fā)明的第一方面和第=方面的額外特征的情況下）。在該方面，重要的是 強調(diào)根據(jù)本發(fā)明的第二方面的CMG組件構(gòu)造也能夠有利地用于如下的姿態(tài)控制系統(tǒng)中：
[0105] 包括具有不受限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的CMG;和/或
[0106] 執(zhí)行CMG組件控制邏輯，該控制邏輯與根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的控制邏輯不同。
[0107] 最后，至于本發(fā)明的第Ξ方面，該方面設(shè)及用于控制姿態(tài)控制系統(tǒng)的CMG集群的邏 輯，該CMG集群包括Ξ個或更多個的CMG單元。
[010引具體地，根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG集群控制邏輯能夠合并兩個CMG構(gòu)造的特 性，即，整體CMG集群的構(gòu)造和集群的CMG之中的任何一個CMGS元組（即，Ξ個CMG單元的任 何組合)的構(gòu)造。W此方式，CMG集群控制邏輯具有供其使用的整體CMG集群構(gòu)造的總角動量 和CMG^元組構(gòu)造的簡單操縱定律，由此避免使用集中計算算法。
[0109] 具體地，根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG集群控制邏輯被設(shè)計為控制四個或更多個 CMG的集群，并且是適當?shù)膶崟r邏輯，該邏輯設(shè)及同時只使用Ξ個CMG而其他的CMG單元保持 靜止?；诮莿恿空埱笞龀鲋鲃拥摩M選擇。
[0110] 便利地，根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG集群控制邏輯被設(shè)計為控制四個或更多個 CMG的集群。在該情況下，算法設(shè)及同時只使用Ξ個CMG而第四個CMG保持靜止。該算法在四 個可用的Ξ元組中選擇"使用中"的CMG單元，從而向航天器/衛(wèi)星提供必要的角動量。
[0111] 更便利地，根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG集群控制邏輯被設(shè)計為控制具有根據(jù)本 發(fā)明的第二方面的構(gòu)造的CMG集群(具有至少4個CMG)。在該情況下，如前所述，每個Ξ元組 具有在不遇到任何奇異問題的情況下被探測到的內(nèi)部無奇異區(qū)域，同時靜止的CMG提供沿 著固定方向被布置的角動量偏量。該無奇異區(qū)域是半徑為為Η的楠圓。
[0112] 定義用于每個Ξ元組的動量楠圓的一般定律如下：
[0113]
[0114] 其中，如前所述對于CMGS元組C0NF1和C0NF2而言，幻=斌?，占二好〇2，并且C二好〇2， 然而如前所述對于CMGS元組C0NF3和C0NF4而言，ο =.馬2，A = 3馬并且c =馬f。
[011引四個楠圓的組成(對應(yīng)于四個S元組，C0NF1，C0NF2，C0NF3和C0NF4)，限定CMG集群 的角動量包絡(luò)線，該四個楠圓恰好被相應(yīng)停止的CMG偏移。在該方面，圖7至9分別在基準平 面ZX、ZY和YX中示出了所述CMG集群的角動量包絡(luò)線，然而圖10示出了CMG集群的整體Ξ維 角動量包絡(luò)線。換言之，圖7-10示出了在情況丫 1= 丫 2 = 0下的CMG集群4的角動量包絡(luò)線的 不同視圖（即，當CMG 41和42的角動量矢量H1和H2的轉(zhuǎn)動平面垂直于CMG 43和44的角動量 矢量H3和H4的轉(zhuǎn)動平面時）。
[0116] 因為每個Ξ元組都允許在具體方向上探測到角動量包絡(luò)線，因而基于請求的姿態(tài) 軌線，通過集群管理功能做出主動Ξ元組的選擇。
[0117] 為了更好地理解本發(fā)明的第Ξ方面，圖11示出了衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)(整體 由100表示）的功能方框圖，該姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的前述第Ξ方面的優(yōu)選實施例 的CMG集群控制邏輯。
[0118] 具體地，如圖11所示的衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)100被設(shè)計為被搭載安裝在衛(wèi)星 或航天器上（出于簡化視圖的原因，在圖11中未示出），從而控制其姿態(tài)(并且便利地，在需 要重新取向衛(wèi)星/航天器推進器方向時也控制其軌道），并且該衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制系統(tǒng) 100包括；
[0119] 衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制單元110,衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制單元110被配置為(尤其是， 具體地借助于具體的軟件代碼被編程)控制衛(wèi)星/航天器的姿態(tài)(并且，便利地也控制其軌 道)；
[0120] CMG集群120, CMG集群120被聯(lián)接到衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制單元110并且包括Ξ個或 更多個的CMG單元，便利地包括四個CMG，更便利地具有根據(jù)本發(fā)明的第二方面的集群構(gòu)造 的四個CMG，例如，如圖4或6所示的集群構(gòu)造;優(yōu)選地，所述CMG集群120包括具有根據(jù)本發(fā)明 的第一方面的具有有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的CMG;W及
[0121] 衛(wèi)星/航天器姿態(tài)傳感器140(諸如星體跟蹤定位器和巧螺儀），衛(wèi)星/航天器姿態(tài) 傳感器140:
[0122] -被構(gòu)造為執(zhí)行姿態(tài)相關(guān)的測量，該測量指示衛(wèi)星/航天器的當前姿態(tài)，并且
[0123] -也聯(lián)接到衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制單元now向衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制單元110提供 指示所執(zhí)行的姿態(tài)相關(guān)測量的數(shù)據(jù)和/或信號。
[0124] 此外，由附圖標記130表示的且命名為"衛(wèi)星/航天器動力"的虛線框也在圖11中被 示出W概念性地表示由CMG集群120的操作造成的衛(wèi)星/航天器的動力行為(在衛(wèi)星/航天器 的動力學領(lǐng)域中廣泛已知的方式，因此對于衛(wèi)星/航天器動力學專家而言是眾所周知的）， 由此衛(wèi)星/航天器姿態(tài)傳感器140基于衛(wèi)星/航天器的所述動力行為而執(zhí)行姿態(tài)相關(guān)的測 量。
[0125] 具體地，衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制單元110包括：
[01%] ?機載基準信號發(fā)生器111，其被構(gòu)造為生成基準姿態(tài)軌線；
[0127].衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制器112,其被聯(lián)接到機載基準信號發(fā)生器111W從其上接 收表示基準姿態(tài)軌線的數(shù)據(jù)和/或信號，該衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制器112也被聯(lián)接到衛(wèi)星/航 天器姿態(tài)傳感器140W從其上接收指示姿態(tài)相關(guān)測量的數(shù)據(jù)和/或信號，并且該衛(wèi)星/航天 器姿態(tài)控制器112被構(gòu)造為：
[0128] -在基準姿態(tài)軌線和由姿態(tài)相關(guān)測量所指示的衛(wèi)星/航天器的當前姿態(tài)之間執(zhí)行 比較，
[0129] -基于執(zhí)行的比較計算姿態(tài)和速率(或速度)誤差，W及
[0130] -將姿態(tài)和速率誤差轉(zhuǎn)換為指示請求的扭矩和角動量的扭矩和角動量指令；
[0131] -CMG^元組轉(zhuǎn)換模塊113,其被聯(lián)接到機載基準信號發(fā)生器111W從其上接收表 示基準姿態(tài)軌線的數(shù)據(jù)和/或信號，并且被構(gòu)造為基于基準姿態(tài)軌線確定，即選擇被使用的 CMG^元組；W及
[0132] · CMGS元組轉(zhuǎn)向模塊114,其
[0133] -被聯(lián)接到衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制器112W從其上接收扭矩和角動量指令，
[0134] -也被聯(lián)接到CMG^元組轉(zhuǎn)換模塊113W從其上接收指示選定的CMG^元組的數(shù)據(jù) 和/或信號，
[0135] -也被聯(lián)接到CMG集群120W從其上接收指示CMG的萬向節(jié)的當前角位置和速度的 遙測數(shù)據(jù)和/或信號，
[0136] -被構(gòu)造為:基于扭矩和角動量指令和由遙測數(shù)據(jù)和/或信號指示的CMG的萬向節(jié) 的當前角位置和速度，計算指示被選定的CMG^元組的萬向節(jié)使用的具體角位置和速度的 CMG指令，W及
[0137] -也被構(gòu)造為向CMG集群120提供CMG指令，從而使得選定的CMGS元組的萬向節(jié)使 用前述的具體角位置和速度，并且因此提供請求的扭矩和角動量。
[0138] 更具體地，在零角動量過渡過程中，通過CMG^元組轉(zhuǎn)換模塊113自動地執(zhí)行CMG^ 元組轉(zhuǎn)換;選定的被使用的CMG^元組是在請求的角動量改變的方向上最大化與楠圓的邊 界相距的距離的一個Ξ元組（即，與奇異區(qū)域相距的距離）。在使用中，一旦接收到用于新的 移動的指令，則CMGS元組轉(zhuǎn)換模塊113選擇最符合任務(wù)需求的CMGS元組，然后在每個(通 用的）離散時刻k，通過CMG^元組轉(zhuǎn)向模塊114將請求的被選定的CMG^元組的總角動量計 算作為需要的（由衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制器112計算的）角動量和被停止的(或者靜止的)CMG 的角動量之間的差值。在數(shù)學術(shù)語中，其表示為：
[0139] =
[0140] 其中，hSkiplet表示在時刻k請求的被選定的CMGS元組的總角動量，HkREQUESTED表示 由衛(wèi)星/航天器姿態(tài)控制器112計算的并且在時亥化被請求用于(整個)CMG集群120的總角總 量，并且HkpivoT表示在時刻k被停止的CMG的角動量。
[0141] 因此，在每個(通用的）離散時刻k，CMG^元組轉(zhuǎn)向模塊114通過反演如前所述的等 式(2)，計算期望的萬向節(jié)角速度(或速率），其中，雅克比矩陣A是方形的并且可反演的的。 具體地，在數(shù)學術(shù)語方面，其
[0142] 表示為
[01創(chuàng)其中，矯/ptra,表示在時亥化請求用于選定的CMGS元組的萬向節(jié)角速度，娘wy表示 在時刻k被停止的CMG的零萬向節(jié)角速度，At表示在時刻k和k-1之間的時間差，并且 表示與選定的CMGS元組相關(guān)的方形的可反演的雅克比矩陣（參考前述的表1，基于在 CONFl，C0NF2，C0NF3和C0NF4中選定的CMGS元組，Atriplet能夠是Ac日NFi，A0]nf2，Ac日NF3或Ac日NF4)。
[0144] 在運些條件下，將萬向節(jié)速率映射成角動量的函數(shù)是微分同胚映射，因為該函數(shù) 是可微的并且具有可微的倒數(shù)。
[0145] 重要的是需要注意，便利地萬向節(jié)的初始角度構(gòu)造能夠被便利地選擇為使得CMG 集群120的總角動量是零;因為存在滿足該條件的多個萬向節(jié)角度值，因而便利地能夠選擇 使得與最近的奇異構(gòu)造相距的距離最大化的萬向節(jié)角度構(gòu)造。具體地，便利地能夠做出選 擇W保證存儲在任何Ξ元組中的角動量與動量楠圓（或包絡(luò)線）的奇異區(qū)域足夠遠，從而正 確地控制環(huán)境干擾和控制器誤差。
[0146] 此外，參考如圖4所示的CMG集群4，CMG集群角動量包絡(luò)線形狀與如下的平面之間 的傾斜角度嚴格地相關(guān)：
[0147] · CMG 41和42的角動量矢量化和肥在其中轉(zhuǎn)動的平面；W及
[0148] · CMG 43和44的角動量矢量冊和H4在其中轉(zhuǎn)動的平面。
[0149] 事實上，改變所述傾斜角度能夠改變角動量空間中的無奇異楠圓的布置。因此，該 特征允許具有額外的靈活性:該系統(tǒng)能夠被構(gòu)造為沿著優(yōu)選地的軸線或方向?qū)崿F(xiàn)最大的角 動量可用性。在該方面中，在CMG 41和42的角動量矢量H1和H2的轉(zhuǎn)動平面與CMG 43和44的 角動量矢量H3和H4的轉(zhuǎn)動平面傾斜相差45°的情況下，圖12至14分別示出了在基準平面ZX、 ZY和YX中的CMG集群4的角動量包絡(luò)線。
[0150]
【申請人】執(zhí)行了本發(fā)明的多個測試。在該方面，圖15示意性示出了由
【申請人】執(zhí)行的 第一測試情況的結(jié)果，其中，主要在俯仰軸線(pitch axis)上執(zhí)行移動，并且角動量改變請 求完全位于由控制器選擇的CMGS元組C0NF1的角動量包絡(luò)線內(nèi)部W執(zhí)行移動。此外，圖16 示意性示出了由
【申請人】執(zhí)行的第二測試情況的結(jié)果，其中，執(zhí)行立體像對移動，并且角動量 改變請求從正俯仰軸線到負俯仰軸線發(fā)生改變并且反之亦然。在第二測試情況下，選擇設(shè) 及到在旋轉(zhuǎn)期間使用兩個不同的CMG^元組，在零角動量過渡過程中，通過軟件實現(xiàn)的控制 邏輯獨立地執(zhí)行CMG^元組轉(zhuǎn)換。選定的被使用的CMG^元組是在請求的角動量改變的方向 上最大化與楠圓的邊界相距的距離的一個Ξ元組。
[0151] 根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG組件控制邏輯具有幾個優(yōu)點。具體地，已經(jīng)如前所 述，確保利用萬向節(jié)角度的有限改變能夠探測到內(nèi)部無奇異區(qū)域中的角動量;此類型的引 導允許或最優(yōu)地匹配根據(jù)本發(fā)明的第一方面的具有有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的CMG的使用。
[0152] 此外，所述CMG組件控制邏輯采用簡單轉(zhuǎn)向定律，由此避免使用密集的計算算法； 因此允許搭載在飛機/航天器上實時地執(zhí)行軟件。
[0153] 另外，根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG組件控制邏輯還確保在CMG出現(xiàn)故障的情況下 執(zhí)行實時簡化算法的全部衛(wèi)星/航天器姿態(tài)可控性。
[0154] 考慮到與根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG組件控制邏輯相關(guān)的上述技術(shù)優(yōu)勢，可能 容易地理解到，已經(jīng)如前所述，所述方面本身允許實現(xiàn)新的和創(chuàng)造性的姿態(tài)控制系統(tǒng)（即使 在不具有根據(jù)本發(fā)明的第一方面和第二方面的額外特征的情況下）。在該方面，重要的是強 調(diào)根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG組件控制邏輯也能夠有利地用于如下的姿態(tài)控制系統(tǒng)中： [015引 ?包括具有無限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的CMG;和/或
[0156] .具有CMG集群，該CMG集群具有與根據(jù)本發(fā)明的第二方面的構(gòu)造不同的構(gòu)造。
[0157] 具體地，如前所述的CMG^元組轉(zhuǎn)換算法能夠有利地也適用于與根據(jù)本發(fā)明的第 二方面的CMG構(gòu)造不同的CMG構(gòu)造，并且與CMG單元的數(shù)量無關(guān)（只要CMG單元是多于^個 的)。
[0158] 本發(fā)明能夠有利地用于衛(wèi)星應(yīng)用，該衛(wèi)星應(yīng)用因此得力于增大的航天器姿態(tài)敏捷 度，從而執(zhí)行W下功能：
[0159] 在一個相同的通道中，諸如在聚束模式、條帶模式、區(qū)域模式和軌跡跟隨中，在受 限的區(qū)域中的多目標獲?。?br>[0160] 高分辨率攝像，諸如在一個相同的通道中的立體像對移動；
[0161] 快速對日定向獲?。?br>[0162] 用于軌道矯正移動和用于避免碰撞的快速重新定向；W及
[0163] 用于數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用的快速報告。
[0164] 上述的獲取場景適用于
[0165] ?裝備有主動/被動雷達傳感器的地球觀測衛(wèi)星；
[0166] .裝備有光學傳感器(全色、超光譜、多光譜、紅外)的地球觀測衛(wèi)星；
[0167] ?科學任務(wù);W及
[0168] .通信衛(wèi)星。
[0169] 此外，潛在的用途與衛(wèi)星科學任務(wù)相關(guān)，其需要儀器被快速地指向多個空間部分。
[0170] 此外，本發(fā)明潛在地也能夠有利地用于機器人領(lǐng)域，例如，CMG"剪刀式"聯(lián)接能夠 用于機械臂的直接驅(qū)動。在此種構(gòu)造中，快速機器人移動不施加可能激勵結(jié)構(gòu)震動的低頻 干擾。
[0171] 從前文的描述中，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點將立即顯而易見。具體地，在不損害本發(fā)明的 單個方面的技術(shù)優(yōu)點的情況下，重要是強調(diào)本發(fā)明的前述Ξ個方面的協(xié)同組合允許實現(xiàn)新 的和創(chuàng)造性的姿態(tài)控制系統(tǒng)，總之，該姿態(tài)控制系統(tǒng)克服與CMG的使用相關(guān)的所有主要問 題，具體地，具有如下的優(yōu)點：
[0172] ?比已知姿態(tài)控制系統(tǒng)更低的復雜度，并且因此具有更低的成本，并且同時，具有 更高的可靠性和穩(wěn)定性；W及
[0173] ?改進的奇異回避能力
[0174] 至于本發(fā)明和根據(jù)US 2011/011982 A1的CMG集群、根據(jù)US 2003/160132 A1的動 力不平衡補償系統(tǒng)、W及EP 1 908 686 A1的在CMG的陣列中用于奇異回避的分層策略根據(jù) 之間的不同，值得注意的是US 2011/011982 A1、US 2003/160132 A1 和EP 1 908 686 A1 都 沒有公開根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG組件控制邏輯。具體地，重要的是強調(diào)如下的事實： 即使US 2011/011982 A1公開了能夠獨立地控制CMG陣列中的單個CMG的控制結(jié)構(gòu)，US 2011/011982 A1仍然沒有教示也沒有暗示W(wǎng)下方面：
[0175] ?在包括四個或更多個的CMG的CMG集群中選擇被同時操作的Ξ個CMG，同時將未 選定的CMG保持靜止;并且
[0176] ?只有Ξ個選定的CMG被操作(具體地，同時被操作）同時將未選定的CMG保持靜止 的事實。
[0177] 更一般地，US 2011/011982 A1沒有教示也沒有暗示根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG 組件控制邏輯的如下步驟的協(xié)同組合：
[0178] ?基于基準平臺姿態(tài)軌線，選擇被同時操作的Ξ個CMG，同時將未選定的CMG保持 靜止；
[0179] .基于基準平臺姿態(tài)軌線和當前平臺姿態(tài)而計算由CMG組件提供的總角動量；
[0180] ?基于由CMG組件提供的總角動量和未選定的CMG的角動量，計算由Ξ個選定的 CMG提供的Ξ元組相關(guān)角動量；W及
[0181] ?同時操作選定的Ξ個CMG從而使得運Ξ個CMG提供計算的所述Ξ元組相關(guān)角動 量，同時將未選定的CMG保持靜止。
[0182] 此外，值得注意的是，根據(jù)EP 1 908 686 A1的在CMG的陣列中用于奇異回避的分 層策略探測到零空間移動W避免奇異，因此與根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面的CMG組件控制邏輯 完全不同，本發(fā)明相反地沒有使用任何零空間移動。
[0183] 最后，重要的是需要注意US 2011/011982 A1、US 2003/160132 A1 和EP 1 908 686 A1都沒有公開使用根據(jù)本發(fā)明的第一方面的具有有限的萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)的CMG。在該方面， 值得注意的是US 2003/160132 A1的圖6示出CMG不能整周轉(zhuǎn)動，由此甚至不能執(zhí)行一圈整 周旋轉(zhuǎn)。更一般地，重要的是強調(diào)如下的事實:US 2011/011982 A1、US 2003/160132 A1和 EP 1 908 686 A1沒有教示也沒有暗示使用曉性電纜，該曉性電纜機械地限定由CMG的萬向 節(jié)執(zhí)行的順時針和逆時針的整周旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。
[0184] 總之，顯而易見的是可W對本發(fā)明做出多種修改和改變，運些修改和改變都落在 本發(fā)明的如在所附的權(quán)利要求中限定的范圍中。
【主權(quán)項】
1. 一種控制力矩陀螺組件(4、6、120)，所述控制力矩陀螺組件包括多個控制力矩陀螺 (3、41、42、43、44、61、62、63、64)，并且其特征在于，每個控制力矩陀螺（3、41、42、43、44、61、 62、63、64)都具有相應(yīng)的萬向節(jié)(32)，所述萬向節(jié)被機械地約束，從而能夠在相應(yīng)的萬向節(jié) 軸線上操作，以執(zhí)行數(shù)量有限的整周旋轉(zhuǎn)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制力矩陀螺組件，其中每個控制力矩陀螺(3、41、42、43、44、 61、62、63、64)都被裝備有相應(yīng)的傳感器，并且被聯(lián)接到相應(yīng)的撓性電纜(33)，以經(jīng)由所述 撓性電纜接收電力供給并且經(jīng)由所述撓性電纜提供來自相應(yīng)傳感器的信號;并且其中每個 控制力矩陀螺（3、41、42、43、44、61、62、63、64)被聯(lián)接到相應(yīng)的撓性電纜(33 )，從而相應(yīng)的 萬向節(jié)(32)的轉(zhuǎn)動導致所述相應(yīng)的撓性電纜(33)圍繞所述相應(yīng)的萬向節(jié)(32)被卷繞和被 解繞，由此機械地限定萬向節(jié)能夠執(zhí)行的順時針和逆時針的整周旋轉(zhuǎn)的數(shù)量。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制力矩陀螺組件，其中，每個控制力矩陀螺（3、41、42、43、 44、61、62、63、64)都包括： ?相應(yīng)的殼體(31);以及 ?飛輪，所述飛輪被容納在所述相應(yīng)的殼體(31)內(nèi)部，并且能夠被相應(yīng)的飛輪馬達操 作以在相應(yīng)的飛輪軸線上旋轉(zhuǎn)，所述相應(yīng)的飛輪馬達和所述相應(yīng)的傳感器被設(shè)置在所述相 應(yīng)的殼體(31)內(nèi)部； 并且其中，每個控制力矩陀螺（3、41、42、43、44、61、62、63、64)的相應(yīng)萬向節(jié)（32)在外 部被聯(lián)接到相應(yīng)的殼體(31)，并且被聯(lián)接到相應(yīng)的撓性電纜(33)，以經(jīng)由所述撓性電纜接 收用于相應(yīng)的飛輪馬達的電力供給并且經(jīng)由所述撓性電纜提供來自相應(yīng)傳感器的信號。4. 一種姿態(tài)控制單元(110 )，所述姿態(tài)控制單元被設(shè)計為： ?安裝在平臺上以控制所述平臺的姿態(tài)，以及 ?聯(lián)接到控制力矩陀螺組件(4、6、120)，所述控制力矩陀螺組件(4、6、120)被搭載安裝 在所述平臺上并且包括四個或更多個控制力矩陀螺(3、41、42、43、44、61、62、63、64); 所述姿態(tài)控制單元(110)被構(gòu)造為： ?基于平臺的基準姿態(tài)軌線，選擇被同時操作的三個控制力矩陀螺（3、41、42、43、44、 61、62、63、64)，同時將未選定的控制力矩陀螺(3、41、42、43、44、61、62、63、64)保持靜止； ?基于平臺的基準姿態(tài)軌線和當前姿態(tài)，計算由控制力矩陀螺組件(4、6、120)提供的 總角動量； ?基于由控制力矩陀螺組件(4、6、120)提供的總角動量和未選定的控制力矩陀螺（3、 41、42、43、44、61、62、63、64)的角動量，計算由選定的所述三個控制力矩陀螺(3、41、42、43、 44、61、62、63、64)提供的三元組相關(guān)角動量；以及 ?同時操作選定的所述三個控制力矩陀螺(3、41、42、43、44、61、62、63、64 )，從而使得 所述三個控制力矩陀螺（3、41、42、43、44、61、62、63、64)提供計算的所述三元組相關(guān)角動 量，同時將未選定的控制力矩陀螺(3、41、42、43、44、61、62、63、64)保持靜止。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的姿態(tài)控制單元(110 )，所述姿態(tài)控制單元被構(gòu)造為： ?基于計算的三元組相關(guān)角動量和選定的所述三個控制力矩陀螺（3、41、42、43、44、 61、62、63、64)的萬向節(jié)(32)的當前角位置和速度，計算被選定的所述三個控制力矩陀螺 (3、41、42、43、44、61、62、63、64)的萬向節(jié)(32)使用的新的角位置和速度，從而選定的所述 三個控制力矩陀螺(3、41、42、43、44、61、62、63、64)提供計算的所述三元組相關(guān)角動量；以 及 ?同時操作選定的所述三個控制力矩陀螺（3、41、42、43、44、61、62、63、64)的萬向節(jié) (32)，從而促使所述萬向節(jié)(32)使用計算的所述新的角位置和速度，由此促使選定的所述 三個控制力矩陀螺(3、41、42、43、44、61、62、63、64)提供計算的所述三元組相關(guān)角動量。6. -種姿態(tài)控制系統(tǒng)（100)，所述姿態(tài)控制系統(tǒng)被設(shè)計為被安裝在平臺上以控制所述 平臺的姿態(tài)，所述姿態(tài)控制系統(tǒng)包括如下的項目中的至少一個： ?根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的控制力矩陀螺組件(4、6、120); ?根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的姿態(tài)控制單元(110)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的姿態(tài)控制系統(tǒng)（100)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述 的控制力矩陀螺組件(4、6、120)和根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的姿態(tài)控制單元(110);其中所述 控制力矩陀螺組件(4、6、120)包括四個或更多個控制力矩陀螺(3、41、42、43、44、61、62、63、 64);并且其中所述姿態(tài)控制單元（110)被聯(lián)接到所述控制力矩陀螺組件(4、6、120)以控制 所述控制力矩陀螺組件的操作。8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的姿態(tài)控制系統(tǒng)（100)，其中，控制力矩陀螺包括第一控制力 矩陀螺(41、42; 61、62)和第二控制力矩陀螺(43、44; 63、64);并且其中： ?第一控制力矩陀螺(41、42;61、62)具有平行的或沿一個相同的直線定位的萬向節(jié)軸 線； ?第一控制力矩陀螺(41、42;61、62)具有能夠在一個相同的平面中或者平行的平面中 轉(zhuǎn)動的角動量矢量； ?第二控制力矩陀螺(43、44; 63、64)具有如下的萬向節(jié)軸線： -所述萬向節(jié)軸線是平行的或沿一個相同的直線定位，并且 -所述萬向節(jié)軸線與第一控制力矩陀螺(41、42;61、62)的萬向節(jié)軸線不平行； ?第二控制力矩陀螺(43、44;63、64)具有能夠在一個相同的平面中或者平行的平面中 轉(zhuǎn)動的角動量矢量； ?第一控制力矩陀螺(41、42; 61、62)的角動量矢量能夠在其中轉(zhuǎn)動的平面與第二控制 力矩陀螺(43、44; 63、64)的角動量矢量能夠在其中轉(zhuǎn)動的平面相交。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的姿態(tài)控制系統(tǒng)，其中： ?第一控制力矩陀螺(41、42)的萬向節(jié)軸線是平行的； ?第一控制力矩陀螺(41、42)的角動量矢量能夠在一個相同的平面中轉(zhuǎn)動； ?第二控制力矩陀螺（43、44)的萬向節(jié)軸線是平行的并且位于與第一控制力矩陀螺 (41、42)的萬向節(jié)軸線的平面相同的平面上； ?第二控制力矩陀螺(43、44)的角動量矢量能夠在與第一控制力矩陀螺(41、42)的角 動量矢量能夠在其中轉(zhuǎn)動的平面相交的一個相同的平面中轉(zhuǎn)動；以及 ?相對于第二控制力矩陀螺(43、44)的角動量矢量能夠在其中轉(zhuǎn)動的平面，第一控制 力矩陀螺(41、42)的角動量矢量能夠在其中轉(zhuǎn)動的平面是垂直的或傾斜的。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的姿態(tài)控制系統(tǒng)，其中： ?第一控制力矩陀螺(61、62)的萬向節(jié)軸線沿一個相同的直線定位； ?第一控制力矩陀螺(61、62)的角動量矢量能夠在平行平面中轉(zhuǎn)動； ?第二控制力矩陀螺(63、64)的萬向節(jié)軸線沿與第一控制力矩陀螺(61、62)的萬向節(jié) 軸線定位所沿的直線垂直的一個相同的直線定位;以及 ?第二控制力矩陀螺(63、64)的角動量矢量能夠在與第一控制力矩陀螺(61、62)的角 動量矢量能夠在其中轉(zhuǎn)動的平面垂直的平行平面中轉(zhuǎn)動。11. 一種空間平臺，所述空間平臺裝備有根據(jù)權(quán)利要求6至10中的任一項所述的姿態(tài)控 制系統(tǒng)（100)。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的空間平臺，其中，所述空間平臺是衛(wèi)星或航天器。
【文檔編號】B64G1/28GK106068440SQ201480070640
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2014年12月23日 公開號201480070640.8, CN 106068440 A, CN 106068440A, CN 201480070640, CN-A-106068440, CN106068440 A, CN106068440A, CN201480070640, CN201480070640.8, PCT/2014/67282, PCT/IB/14/067282, PCT/IB/14/67282, PCT/IB/2014/067282, PCT/IB/2014/67282, PCT/IB14/067282, PCT/IB14/67282, PCT/IB14067282, PCT/IB1467282, PCT/IB2014/067282, PCT/IB2014/67282, PCT/IB2014067282, PCT/IB201467282
【發(fā)明人】馬爾科·阿納尼亞, 多梅尼科·凱斯科尼
【申請人】泰雷茲阿萊尼亞宇航意大利單一股東有限責任公司