零动量卫星轮控系统可重构性设计研究

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1、2013年2月第1期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology零动量卫星轮控系统可重构性设计研究顾朋1‘2王大轶1‘2刘成瑞1’2(1北京控制工程研究所，北京100190)(2空间智能控制技术重点实验室．北京100190)摘要针对卫星姿态控制系统设计中常见的动量轮配置问题，总结了星上常用的5种轮控系统构型，首先对各种构型从角动量包络、干扰力矩下动量轮的饱和情况、系统功耗和可靠性等方面进行了可重构性分析和比较，在此基础上提炼了动量轮可重构性设计准则，可为轮控系统的设计提供参考依据。关键词动量轮配置

2、角动量包络可靠性可重构性姿态控制航天器DOI：10．3780／j．issn．1000758X．2013．01．0021引言随着航天技术的迅猛发展，航天使命的日益复杂多样化，对航天器姿态稳定系统的要求越来越高。为了满足这种要求，对于中高轨道的航天器来说，目前越来越多地采用了轮控三轴姿态稳定系统一“。与喷气推力器三轴姿态稳定系统相比，轮控三轴姿态稳定系统的优点是：1)可以给出精确的连续变化的控制力矩，进行线性控制；2)动量轮所需要的能源是电能，可以不断通过太阳能电池在轨得到补充，因而适合长寿命工作；3)轮控系统特别适合于克服周期性扰动。

3、然而，在具有上述优越性的同时，也存在一个主要的问题：动量轮会发生速度饱和，在这种极限工作状态下，动量轮不再吸收航天器多余的动量矩，失去控制能力。从原理上讲，只要轮控系统能够提供3个本体主轴上的控制力矩就可以实现卫星姿态的三轴稳定。然而当采用多个动量轮构成的轮控系统时，首先遇到的问题是安装矩阵的选择问题，即如何合理地安装这些轮子，使其不但能够提供三轴上的控制力矩，而且能够实现某种指标下的优化口j。因此，在设计轮控系统时，动量轮构型的选取是考虑的主要问题。本文从动量轮可重构性设计的角度出发．通过对星上常用几种不同构型的轮控系统性能的分析

4、和仿真。比较了它们在三轴姿态控制中的优劣情况，为星上轮控系统可重构性设计提供参考依据。2轮控系统常用构型典型的以动量轮为执行机构的三轴姿态控制系统如图1所示。其中分配矩阵和安装矩阵根据不同的反作用轮安装方式而有所不同。期图1卫星三轴姿态控制闭环系统操作方框图Fig．1Closedloopsystemof3-axissatelliteattitudecontrol收稿H期：20120718。收修改稿口期：201209188中国空间科学技术2013年2月卫星本体坐标系中常用的5种不同构型的动量轮系统安装方式如图2所示。图2动量轮各种安装

5、构型Fig．2Orientationsofmomentumwheel对图2，有以下几点需要说明：1)这里s指动量轮斜装。例如3+1S构型表示其中3个动量轮正装，另外1个动量轮斜装。2)3+1S构型中动量轮19、24、35正装，4。轮与3个主轴正方向成等角54．74。斜装。3)4S构型中所有动量轮绕一Y轴成夹角54．74。均匀分布，18轮在zz平面的投影与+z轴成45。，28、3。、4。轮依次逆时针分布。4)3+2S构型中动量轮14、2。、3。正装，45轮与3个主轴正方向成等角54．74。斜装，54轮安装在44轮的反方向上。5)4+1

6、S构型中动量轮14、28、3。、4。正装，54轮与3个主轴正方向成等角54．74。斜装。6)5S构型中所有动量轮绕一y轴成54．74。夹角均匀分布，1。轮在zz平面内的投影落在+z轴上。24、3。、4。、5。轮依次逆时针分布。3动量轮可重构性设计准则3．1系统角动量包络假设动量轮系统的安装矩阵为C，令分配矩阵D为安装矩阵的广义逆矩阵，即D—Cw(CC’)。设由控制律给出的角动量为H。一[H。，H。，H。。]’，分配到各个动量轮上的角动量值为H。一EH。，H。。H。。⋯H。，]7(r为动量轮的个数)，作用到卫星本体的角动量为H。一EH

7、。。H。，H。。]1。此时有如下关系式：H。一DH。1)(1)H。一CH。J!!!i生!旦主垦窒!旦型兰堇查!假定所有动量轮的角动量标称值都一样，且在正反方向上提供的最大角动量均为1N·m·S。设第i个动量轮角动量的代数最大值为H⋯，，代数最小值为H⋯。，这里有H⋯。一一H⋯。一1N·m·S，记百P一{H，JH。一H⋯。或H：一H，。。。，i一1，2，⋯，r)，令蟊；一C‘Ⅱ--。fp．(是一1，2，3，⋯，2’)(2)根据式(2)可以求出2‘个卫星本体坐标系中的点坐标厦(是一1，2，3，⋯，2’)，由上述求得的坐标可以得到5种构型

8、下轮控系统在卫星本体各主轴上能够提供的最大角动量值3，如表1所示。表1三轴最大角动量本体主轴3+1S构型4S构型3+2S构型4+1S构型jS构型z(滚动轴)±1．5774±2．3096±2．1548±1．j774±2．6423y(俯仰