本發(fā)明涉及單軸氣浮臺衛(wèi)星姿態(tài)控制領(lǐng)域，具體涉及一種單軸氣浮臺高精度跟蹤控制的干擾力矩測定方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)衛(wèi)星多用于觀測、偵察等任務(wù)，此類衛(wèi)星載荷工作模式多為穩(wěn)定對地或沿軌推掃，衛(wèi)星平臺機(jī)動不強(qiáng)且對機(jī)動過程中指向精度沒有明確需求。

近年來，對衛(wèi)星工作效率與使用靈活性的要求不斷提高，許多衛(wèi)星平臺采用控制力矩陀螺群作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，大大提到的平臺機(jī)動能力。但大多數(shù)敏捷衛(wèi)星只需實(shí)現(xiàn)姿態(tài)快速到位、快速穩(wěn)定，在快速機(jī)動過程中沒有高精度指向要求。

隨著新任務(wù)需求的提出，衛(wèi)星在動目標(biāo)觀測與指向跟蹤領(lǐng)域的發(fā)展越來越受到重視。中低軌衛(wèi)星彈道跟蹤與敵星監(jiān)視等任務(wù)需平臺具備快速機(jī)動能力，同時(shí)要保證機(jī)動過程中的高精度指向，這對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。

氣浮臺是衛(wèi)星姿態(tài)控制最常用的全物理模擬系統(tǒng)，由于重力等環(huán)境因素影響，氣浮臺控制相比于衛(wèi)星真實(shí)在軌狀態(tài)會引入額外干擾。傳統(tǒng)衛(wèi)星的氣浮臺試驗(yàn)時(shí)多為考核系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制精度，以及姿態(tài)機(jī)動控制能力，在這兩種情況下，都在穩(wěn)定點(diǎn)考核控制精度。穩(wěn)態(tài)控制誤差可由控制器積分項(xiàng)或穩(wěn)定點(diǎn)干擾力矩前饋補(bǔ)償修正。而對于快速跟蹤控制，積分項(xiàng)對控制過程中精度修正效果有限，所以需要辨識機(jī)動過程中各位置的干擾力矩，便于前饋補(bǔ)償。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種單軸氣浮臺高精度跟蹤控制的干擾力矩測定方法和系統(tǒng)，便于控制中施加前饋補(bǔ)償，減小外干擾對控制的影響，使試驗(yàn)結(jié)果接近衛(wèi)星在軌控制效果。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種單軸氣浮臺高精度跟蹤控制的干擾力矩測定方法，其特點(diǎn)是，該方法包含：

S1、選定氣浮臺機(jī)動過程的位置特征點(diǎn)；

S2、氣浮臺靠近第一個(gè)選定特征點(diǎn)穩(wěn)定，建立初始狀態(tài)；

S3、氣浮臺采用PD控制方法和角度誤差限幅機(jī)動至所有選定的位置特征點(diǎn)，記錄氣浮臺位于所有選定的位置特征點(diǎn)處于平衡時(shí)的干擾力矩和氣浮臺角度；

S4、根據(jù)選定的位置特征點(diǎn)處于平衡時(shí)的干擾力矩和氣浮臺角度，使用最小二乘算法得到干擾力矩幅值與氣浮臺平衡位置角度，確定氣浮臺機(jī)動過程中各位置處的干擾力矩。

上述S1中，選定氣浮臺機(jī)動過程的位置特征點(diǎn)根據(jù)跟蹤指令信號選定；跟蹤指令由測量敏感器測算得到。

上述位置特征點(diǎn)選定氣浮臺機(jī)動過程中計(jì)劃經(jīng)過的5至10個(gè)點(diǎn)作為位置特征點(diǎn)，位置特征點(diǎn)之間均勻間隔選取。

上述S3包含：

S3.1、使用PD控制方法和角度誤差限幅控制氣浮臺進(jìn)行機(jī)動，將氣浮臺機(jī)動至選定的特征位置點(diǎn)k處，穩(wěn)態(tài)控制時(shí)T_c(k)+T_d＝0，由此可得到平衡點(diǎn)處的干擾力矩T_d，并記錄氣浮臺角度所使用的控制律如式(1)

其中，T_c為控制力矩，K_p為比例系數(shù)；K_d為微分系數(shù)，為角度誤差限幅值，Δω_max為機(jī)動中允許的最大角速度差值，Δω為角速度差值，為氣浮臺角度變化值；

S3.2、判斷是否完成所有選定的位置特征點(diǎn)處于平衡時(shí)的干擾力矩和氣浮臺角度，若否則跳轉(zhuǎn)到S3.1，若是則所有選定特征位置點(diǎn)的干擾力矩測量完成。

上述S4包含：

S4.1、以正弦函數(shù)形式描述干擾力矩；設(shè)氣浮臺干擾力矩形式為：

將其展開可得式(2)：

S4.2、將所測得所有選定特征位置點(diǎn)的氣浮臺角度信息與干擾力矩大小帶入式(2)聯(lián)立等式，寫成矩陣形式(3)：

S4.3、通過參數(shù)變換得到線性方程形式表達(dá)式，令

可得ΦX＝Y(jié)；

S4.4、使用最小二乘算法得到干擾力矩幅值與氣浮臺平衡位置角度，從而確定機(jī)動過程中各位置處的干擾力矩；

使用最小二乘公式可得式(4)

X＝(Φ^TΦ)^-1Φ^TY (4)

式(4)中(Φ^TΦ)^-1Φ^T即為Φ的偽逆，由奇異值分解法求得，從而可算出干擾力矩函數(shù)幅值與平衡點(diǎn)相位如式(5)：

得到干擾力矩模型如式(6)：

上述選定氣浮臺機(jī)動過程的位置特征點(diǎn)之前，先根據(jù)試驗(yàn)細(xì)則選定試驗(yàn)設(shè)備并搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，通過氣浮臺類單擺特性完成氣浮臺配平工作。

一種單軸氣浮臺高精度跟蹤控制的干擾力矩測定系統(tǒng)，其特點(diǎn)是，該系統(tǒng)包含：

位置特征點(diǎn)選定模塊，其選定氣浮臺機(jī)動過程的位置特征點(diǎn)；

氣浮臺控制模塊，其接收選定的位置特征點(diǎn)，控制氣浮臺靠近第一個(gè)選定特征點(diǎn)穩(wěn)定建立初始狀態(tài)；并控制氣浮臺采用PD控制方法和角度誤差限幅機(jī)動至所有選定的位置特征點(diǎn)；

檢測模塊，其記錄氣浮臺位于所有選定的位置特征點(diǎn)處于平衡時(shí)的干擾力矩和氣浮臺角度；

干擾力矩測定模塊，其根據(jù)選定的位置特征點(diǎn)處于平衡時(shí)的干擾力矩和氣浮臺角度，使用最小二乘算法得到干擾力矩幅值與氣浮臺平衡位置角度，確定氣浮臺機(jī)動過程中各位置處的干擾力矩。

本發(fā)明單軸氣浮臺高精度跟蹤控制的干擾力矩測定方法和系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明得到了機(jī)動過程中各位置點(diǎn)的干擾力矩大小，為高精度跟蹤控制中的干擾力矩前饋補(bǔ)償提供依據(jù)，降低了地面環(huán)境干擾對控制精度的影響。對所選取位置點(diǎn)的干擾力矩測量不需要人為重復(fù)建立平衡狀態(tài)，只需進(jìn)行相應(yīng)次數(shù)的機(jī)動便可得到測量信息，通過最小二乘算法即可得到較為精確的干擾力矩模型。

附圖說明

圖1為本發(fā)明單軸氣浮臺高精度跟蹤控制的干擾力矩測定方法的方法流程圖；

圖2為整個(gè)氣浮臺試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備連接示意圖；

圖3為使用最小二乘算法辨識干擾力矩模型的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。

如圖1所示，為單軸氣浮臺高精度跟蹤控制的干擾力矩測定方法的實(shí)施例，該方法具體包含：

在進(jìn)行干擾力矩測定方法前先根據(jù)試驗(yàn)細(xì)則選定試驗(yàn)設(shè)備并搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，通過氣浮臺類單擺特性完成氣浮臺配平工作。

如圖2所示，為一種試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，具體包含：第一電源101、第二電源102、電源分配箱103、光纖陀螺104、實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)105、控制力矩陀螺106、氣浮臺測角和角速度計(jì)算機(jī)107和加載計(jì)算機(jī)108。

第一電源101輸出端電路連接電源分配箱103，向電源分配箱103輸出28V電源；第二電源102輸出端電路連接電源分配箱103，向電源分配箱103輸出42V電源；電源分配箱103輸出端電路連接光纖陀螺104，向光纖陀螺104輸出42V電源；電源分配箱103輸出端電路連接實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)105，向?qū)崟r(shí)仿真系統(tǒng)105輸出28V電源；電源分配箱103輸出端電路連接控制力矩陀螺106，輸出28V電源。

光纖陀螺104輸出端通過RS422連接實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)105，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)105輸出端通過RS422連接控制力矩陀螺106。

氣浮臺測角和角速度計(jì)算機(jī)107的輸出端RS232連接232-422轉(zhuǎn)換，232-422轉(zhuǎn)換通過RS422連接實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)105。

加載計(jì)算機(jī)108連接實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)105。

其中，控制算法等試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^加載計(jì)算機(jī)108加載至實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)105，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為控制力矩陀螺106，干擾力矩辨識時(shí)的穩(wěn)態(tài)控制輸出測量值由氣浮臺測角和角速度計(jì)算機(jī)107給出。

S1、選定氣浮臺機(jī)動過程的位置特征點(diǎn)。

實(shí)際跟蹤控制問題，跟蹤指令由測量敏感器經(jīng)測算得到。試驗(yàn)中不考慮指令獲取過程，需要跟蹤的信號作為已知量直接給出。根據(jù)需跟蹤的指令信號，選定氣浮臺機(jī)動過程中計(jì)劃經(jīng)過的5～10個(gè)點(diǎn)作為位置特征點(diǎn)，位置特征點(diǎn)之間均勻間隔選取。

S2、氣浮臺靠近第一個(gè)選定特征點(diǎn)穩(wěn)定，建立氣浮臺初始狀態(tài)。通過氣浮臺類單擺特性完成氣浮臺配平工作，使氣浮臺初始位置在所需跟蹤角度指令初值周圍，并盡量減小氣浮臺轉(zhuǎn)動角速度，便于系統(tǒng)快速穩(wěn)定，調(diào)節(jié)控制力矩陀螺外框位置，保證其角動量輸出能力。

S3、氣浮臺采用PD控制方法和角度誤差限幅機(jī)動至所有選定的位置特征點(diǎn)，記錄氣浮臺位于所有選定的位置特征點(diǎn)處于平衡時(shí)的干擾力矩和氣浮臺角度。

S3.1、對于定點(diǎn)的干擾力矩獲得，采用PD控制方法和角度誤差限幅穩(wěn)定控制氣浮臺進(jìn)行機(jī)動，將氣浮臺機(jī)動至選定的特征位置點(diǎn)k處，穩(wěn)定狀態(tài)下的控制力矩與這一點(diǎn)的干擾力矩之和為0，即穩(wěn)態(tài)控制時(shí)T_c(k)+T_d＝0，由此可得到平衡點(diǎn)處的干擾力矩T_d，并記錄氣浮臺角度所使用的控制律如式(1)

其中，T_c為控制力矩，K_p為比例系數(shù)；K_d為微分系數(shù)，為角度誤差限幅值，Δω_max為機(jī)動中允許的最大角速度差值，Δω為角速度差值，為氣浮臺角度變化值。

S3.2、依次將氣浮臺機(jī)動至選定特征位置點(diǎn)處，重復(fù)S3.1中操作，直至完成所有選定特征位置點(diǎn)的干擾力矩測量。具體的：

判斷是否完成所有選定的位置特征點(diǎn)處于平衡時(shí)的干擾力矩和氣浮臺角度，若否則跳轉(zhuǎn)到S3.1，測算干擾力矩和氣浮臺角度，若是則判定所有選定特征位置點(diǎn)的干擾力矩測量完成。

S4、根據(jù)選定的位置特征點(diǎn)處于平衡時(shí)的干擾力矩和氣浮臺角度，使用最小二乘算法得到干擾力矩幅值與氣浮臺平衡位置角度，確定氣浮臺機(jī)動過程中各位置處的干擾力矩。

如圖3所示，最小二乘算法辨識干擾力矩模型的具體流程包含：

S4.1、氣浮臺的主要干擾力矩為重力引起的未配平殘余力矩，所以以正弦函數(shù)形式描述干擾力矩；設(shè)氣浮臺干擾力矩形式為：將其展開可得式(2)：

S4.2、將所測得所有選定特征位置點(diǎn)的氣浮臺角度信息與干擾力矩大小帶入式(2)聯(lián)立等式，寫成矩陣形式(3)：

S4.3、通過參數(shù)變換得到線性方程形式表達(dá)式，令

可得ΦX＝Y(jié)。

S4.4、使用最小二乘算法得到干擾力矩幅值與氣浮臺平衡位置角度，從而確定機(jī)動過程中各位置處的干擾力矩，使用最小二乘公式可得式(4)

X＝(Φ^TΦ)^-1Φ^TY (4)

式(4)中(Φ^TΦ)^-1Φ^T即為Φ的偽逆，由奇異值分解法求得，從而可算出干擾力矩函數(shù)幅值與平衡點(diǎn)相位如式(5)：

根據(jù)式(5)得到干擾力矩模型如式(6)：

本發(fā)明還公開了一種單軸氣浮臺高精度跟蹤控制的干擾力矩測定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含：位置特征點(diǎn)選定模塊、氣浮臺控制模塊、檢測模塊和干擾力矩測定模塊。

位置特征點(diǎn)選定模塊用于選定氣浮臺機(jī)動過程的位置特征點(diǎn)。

氣浮臺控制模塊接收選定的位置特征點(diǎn)，用于控制氣浮臺靠近第一個(gè)選定特征點(diǎn)穩(wěn)定建立初始狀態(tài)；并控制氣浮臺采用PD控制方法和角度誤差限幅機(jī)動至所有選定的位置特征點(diǎn)。

檢測模塊用于記錄氣浮臺位于所有選定的位置特征點(diǎn)處于平衡時(shí)的干擾力矩和氣浮臺角度。

干擾力矩測定模塊用于根據(jù)選定的位置特征點(diǎn)處于平衡時(shí)的干擾力矩和氣浮臺角度，使用最小二乘算法得到干擾力矩幅值與氣浮臺平衡位置角度，確定氣浮臺機(jī)動過程中各位置處的干擾力矩。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。