適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法
【專利摘要】適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法，屬于航天器姿態(tài)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。為了解決傳統(tǒng)濾波算法無法在高精度姿態(tài)控制任務(wù)中分離測量噪聲和干擾力矩的問題。所述方法包括如下步驟：步驟一、根據(jù)待辨識的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)，建立帶有未知干擾力矩的小量化的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型；步驟二、根據(jù)步驟一建立的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型獲得未知輸入觀測器，采用獲得的未知輸入觀測器估計包含噪聲的干擾力矩；步驟三、采用離散傅里葉變換和離散傅里葉反變換來離線處理步驟二估計的包含噪聲的干擾力矩，獲得去除噪聲后的干擾力矩的估計結(jié)果；步驟四、對步驟三中的估計結(jié)果采用傅里葉級數(shù)擬合得到干擾力矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它用于在軌衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制。
【專利說明】適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天器姿態(tài)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] S軸穩(wěn)定衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間會受到空間諸多干擾力矩的影響，例如重力梯度力 矩、太陽光壓力矩、氣動力矩W及衛(wèi)星有效載荷轉(zhuǎn)動部件產(chǎn)生的干擾力矩等。特別是對姿態(tài) 控制精度要求較高的衛(wèi)星而言，干擾力矩會嚴(yán)重影響衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度，并最終導(dǎo)致衛(wèi) 星在軌飛行任務(wù)無法順利完成，例如高分辨率對地觀測衛(wèi)星。在姿態(tài)控制算法中對干擾力 矩進(jìn)行補(bǔ)償，能夠大幅提高衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度，而對干擾力矩補(bǔ)償則必須首先準(zhǔn)確辨識 出衛(wèi)星受到的干擾力矩。
[0003] 目前，在軌衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制時，往往利用衛(wèi)星軌道參數(shù)，預(yù)先估算出干擾力矩的 大小，在軌直接在姿態(tài)控制算法中進(jìn)行補(bǔ)償，而不是進(jìn)行實時估計和補(bǔ)償。姿態(tài)控制算法對 預(yù)先估算出的干擾力矩常值進(jìn)行補(bǔ)償時，受軌道高度變化、轉(zhuǎn)動部件運(yùn)動等復(fù)雜因素影響， 無法對衛(wèi)星實際受到的干擾力矩進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償，降低了衛(wèi)星姿態(tài)控制的精度。干擾力矩在 軌實時估計的難點(diǎn)是很難將系統(tǒng)的噪聲和干擾力矩分離，特別是當(dāng)衛(wèi)星處于穩(wěn)態(tài)時，其受 衛(wèi)星角度和角速度測量精度的影響更為明顯，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩中噪聲幅值可能比干擾 力矩幅值還要大。通過傳統(tǒng)的濾波算法去噪聲效果一般，有一定的時間延遲，不能夠?qū)⒏蓴_ 力矩從噪聲中分離出來。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)濾波算法無法在高精度姿態(tài)控制任務(wù)中分離測量 噪聲和干擾力矩的問題，本發(fā)明提供一種適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法。
[0005] 本發(fā)明的適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法，所述方法包括如下步驟：
[0006] 步驟一、根據(jù)待辨識的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)，建立帶有未知干擾力矩的小量化的衛(wèi) 星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型；
[0007] 步驟二、根據(jù)步驟一建立的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型獲得未知輸入觀測器，采用獲 得的未知輸入觀測器估計包含噪聲的干擾力矩；
[000引步驟=、采用離散傅里葉變換和離散傅里葉反變換來離線處理步驟二估計的包含 噪聲的干擾力矩，獲得去除噪聲后的干擾力矩的估計結(jié)果；
[0009] 步驟四、對步驟=中的估計結(jié)果采用傅里葉級數(shù)擬合得到干擾力矩的數(shù)學(xué)表達(dá) 式。
[0010] 所述步驟一中，根據(jù)待辨識的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)，建立帶有未知干擾力矩的小量 化的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型： x = Ax + B^^u + Bjd+w
[00 川 r G) y = Cx + v
[001引其中，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)狀態(tài)矩陣

【權(quán)利要求】
1. 適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟： 步驟一、根據(jù)待辨識的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)，建立帶有未知干擾力矩的小量化的衛(wèi)星姿 態(tài)控制系統(tǒng)模型； 步驟二、根據(jù)步驟一建立的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型獲得未知輸入觀測器，采用獲得的 未知輸入觀測器估計包含噪聲的干擾力矩； 步驟三、采用離散傅里葉變換和離散傅里葉反變換來離線處理步驟二估計的包含噪聲 的干擾力矩，獲得去除噪聲后的干擾力矩的估計結(jié)果； 步驟四、對步驟三中的估計結(jié)果采用傅里葉級數(shù)擬合得到干擾力矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法，其特征在于，所 述步驟一中，根據(jù)待辨識的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)，建立帶有未知干擾力矩的小量化的衛(wèi)星姿 態(tài)控制系統(tǒng)模型：
此不相關(guān)的零均值白噪聲；衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)輸入量u是3維矢量，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)干擾 量d是3維矢量；系統(tǒng)狀態(tài)量X是6維矢量，x= OyOz供沒y]7"，其中[爐沒V] 是衛(wèi)星歐拉角，[wx?y?JT是衛(wèi)星姿態(tài)相對參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速度在xyz星體坐標(biāo)系 中的表示，A為X的導(dǎo)數(shù)；系統(tǒng)輸出量y是6為矢量，是系統(tǒng)狀態(tài)量X的測量量； 上式中，
A2=Ib,Gd=Gu=I3x3 其中，[〇 〇]T為衛(wèi)星運(yùn)動的牽連角速度，I3X3為3X3階的單位陣； Ib是衛(wèi)星轉(zhuǎn)動慣量矩陣，定義為
O
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法，其特征在于，所 述步驟二中，根據(jù)步驟一建立的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型獲得未知輸入觀測器，采用獲得的 未知輸入觀測器估計包含噪聲的干擾力矩： 由于式⑴中Bu=Bd，令Bu=Bd=B，故式⑴離散化后為： X(k+1) =Ax(k)+Bu(k)+Bd(k) +wk (2) y(k) =Cx(k) +vk 根據(jù)式（2)獲得未知輸入觀測器，采用獲得的未知輸入觀測器具體估計為：d{k-\) = M Jj(k)-CAx(k-\)-CBuik-\)) (3) 式中，i(A-l)表示在第k步估計的第（k-1)步的干擾力矩； 矩陣心滿足條件： McbCB ^ I^ki(4) 其中，rank(CB) =rank(B) =kd〇
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法，其特征在于，所 述步驟二中，根據(jù)式（2)獲得未知輸入觀測器為： y(k+1)-CAx(k)-CBu(k) =CBd(k) +Cwk+vk+1 (5)； 將式（5)兩邊同時左乘矩陣MA，得到： Mcb(y(k+1)-CAx(k)-CBu(k)) =d(k) +Mcb (Cwk+vk+1) (6) 從而獲得衛(wèi)星此時位置的干擾力矩的輸入偏差d(k)的估計為：
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法，其特征在于， 所述步驟一中忽略了轉(zhuǎn)動慣量矩陣中的慣量積，只考慮主軸轉(zhuǎn)動慣量元素：
進(jìn)而得到式（1)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法，其特征在于， 所述步驟三中，采用離散傅里葉變換和離散傅里葉反變換來離線處理步驟二估計的包含噪 聲的干擾力矩，獲得去除噪聲后的干擾力矩的估計結(jié)果包括： 采用離散傅里葉變換將步驟二獲得的干擾力矩的數(shù)據(jù)序列從時域變換到頻域， 選擇截斷頻率，將高于該頻率的譜值全部置零，獲得去除噪聲后的時間序列，所述截斷 頻率大于干擾力矩的變化頻率且與所述變化頻率同一量級； 再采用傅里葉反變換重建去除噪聲后的時間序列，獲得去除噪聲后的干擾力矩的估計 結(jié)果。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的干擾力矩辨識方法，其特征在于，所 述步驟四中，對步驟三獲得的估計結(jié)果進(jìn)行傅里葉級數(shù)擬合，獲得干擾力矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
【文檔編號】G05D1/08GK104503233SQ201410705776
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】陳雪芹, 孫瑞, 李誠良, 宋道喆, 易濤, 曾奎, 盛靖, 耿云海 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)