使用本征向量、非线性动态逆和前馈控制的卫星姿态控制
系统
技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及对卫星进行定向，并且更具体地涉及使用本征向量旋转和非线性动态逆对卫星进行定向。
背景技术
[0002] 用于对卫星进行定向的各种系统和过程在本领域中是已知的。可以通过被称为姿态确定和控制系统(ADACS)的系统来控制卫星。例如，ADACS系统可以使用反作用轮来控制卫星的姿态或定向，该反作用轮根据在卫星内的计算机上执行的
软件算法进行旋转。在一些情况下，卫星反作用轮系统可由高度非线性的动
力学表征。
[0003] 一些控制算法依赖于线性控制技术，诸如比例积分微分(PID)控制来控制卫星的姿态。应用于非线性系统的线性控制系统可能会出现振荡、超调和甚至不稳定。此外，一些ADACS系统以类似于
偏航、
俯仰和
横滚顺序的方式对指向命令做出响应。这种操纵方法在
能量使用和时间方面可能效率低下。
发明内容
[0004] 描述了一种使用本征向量旋转和非线性动态逆对卫星进行定向的方法。该方法可以包括以处理装置应用卫星定向控制系统，该卫星定向控制系统包括双反馈回路系统，其中第一回路执行以确定本征向量以将卫星从一个定向旋转到另一个定向，以及第二回路，其接收第一回路的本征向量作为输入，并执行非线性动态逆算法以将
信号输出到卫星的至少一个反作用轮，响应于
输出信号旋转至少一个反作用轮，以及基于至少一个反作用轮的旋转对卫星进行定向。
[0005] 描述了用于使用本征向量旋转和非线性动态逆对卫星进行定向的设备。该设备可以包括
存储器；与该存储器通信并且被配置为应用卫星定向控制系统的处理器装置，该卫星控制系统包括双反馈回路系统，其中第一回路执行以确定本征向量以使卫星从一个定向旋转到另一个定向，以及第二回路，其接收第一回路的本征向量作为输入，并执行非线性动态逆算法以将信号输出到卫星的至少一个反作用轮；以及响应于输出信号旋转至少一个反作用轮；以及基于至少一个反作用轮的旋转对卫星进行定向。
[0006] 描述了一种非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质存储了用于使用本征向量旋转和非线性动态逆对卫星进行定向的代码。在一些示例中，代码包括可由处理器执行的指令：确定本征向量以将卫星从一个定向旋转到另一个定向，执行非线性动态逆算法以将信号输出到卫星的至少一个反作用轮，响应于输出信号旋转至少一个反作用轮，以及基于至少一个反作用轮的旋转对卫星进行定向。
[0007] 在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第一回路进一步包括接收卫星的期望定向和卫星的估计定向作为输入。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第一回路进一步包括基于卫星的估计定向和卫星的期望定向来执行卫星定向误差命令。
[0008] 在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，本征向量命令执行以将卫星定向误差命令分解为标量分量和向量分量。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第一回路进一步包括前馈控制系统。
[0009] 在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，前馈控制系统控制至少一个反作用轮的旋转与指向目标之间的定时误差。
[0010] 在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，前馈控制系统考虑与卫星相关联的
跟踪盘形天线、天线、相机、
机械臂和
太阳能电池阵列的运动。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，前馈控制系统进一步包括接收期望的定向作为输入。
[0011] 在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第二回路进一步包括接收从第一回路确定的本征向量作为输入。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第二回路进一步包括从与卫星相关联的
导航系统接收测量的卫星旋转速率。
[0012] 在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第二回路进一步包括从与卫星相关联的旋
转轮转速计接收至少一个反作用轮的测量反作用轮速度。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第二回路进一步包括确定至少一个反作用轮的期望旋转
加速度。在上述方法、设备和非暂时性计算机可读介质的一些示例中，第二回路进一步包括接收至少一个反作用轮的
质量惯性矩张量、至少一个反作用轮的旋
转轴向量，以及卫星的质量惯性矩张量。
附图说明
[0013] 图1示出了根据本公开的方面的卫星的示例。
[0014] 图2示出了根据本公开的方面的具有动态逆的姿态控制系统的示例。
[0015] 图3示出了根据本公开的方面的图2的姿态控制系统的外部回路的示例。
[0016] 图4示出了根据本公开的方面的图2的姿态控制系统的内部回路的示例。
[0017] 图5示出了根据本公开的方面的用于对卫星进行定向的过程的示例。
[0018] 图6示出了根据本公开的方面的姿态控制系统响应图的示例。
具体实施方式
[0019] 下面的描述不是限制性的，而仅仅是出于描述示例性
实施例的一般原理的目的。本发明的范围应该参考
权利要求来确定。
[0020] 在整个
说明书中，对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个该说明书中的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言的出现可以但并非必须全部指代相同的实施例。
[0021] 此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合本发明的所描述的特征、结构或特性。在以下描述中，提供了许多特定的细节，诸如编程、软件模
块、用户选择、网络事务、
数据库查询、数据库结构、
硬件模块、硬件
电路、硬件芯片等的示例，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有特定细节中的一个或多个的情况下，或者在具有其他方法、部件、材料等的情况下实践本发明。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使本发明的方面不清楚。
[0022] 本公开提供了一种卫星控制系统，该卫星控制系统通过实现与本征向量外部回路控制算法耦合的非线性动态逆内部回路控制算法来表现出改进的
稳定性和提高的效率。因此，姿态确定和控制系统(ADACS)系统可以使用命令来操作以直接绕本征向量旋转(即，从一种定向直接转到另一种定向)。此外，外部回路控制系统还增加了前馈控制元件以增强跟踪移动目标时的指向
精度。
[0023] 图1示出了根据本公开的方面的卫星100的示例。卫星100可以包括指向命令生成器105、导航系统110、反作用轮115，反作用轮转速计120和姿态控制系统125(其也可以称为卫星控制系统)。
[0024] 姿态控制系统125可以提供在广泛的操作模式和在轨条件下的稳定性和健壮性；对姿态命令的平稳、快速和准确的控制系统响应；节能操作以最大化电池寿命；控制系统
125易于设置；以及将控制系统125的用途扩展到大型和复杂卫星100的能力。系统125通过实施本征向量外部回路控制算法以及非线性动态逆内部回路控制算法来实现这些结果。这些结果表示对现有卫星100控制技术的改进，但是它们不是本系统的特征或优点的完整列表。
[0025] 首先，姿态控制系统125的外部回路利用本征向量外部回路控制算法。也就是说，在卫星100姿态的任何两个定向之间，存在称为本征向量的
旋转轴，该旋转轴将卫星100直接从一个定向引导到另一个定向。通过沿该轴旋转，完成姿态操纵所需的时间和能量可以被最小化。
[0026] 其次，姿态控制系统125的内部回路利用非线性动态逆控制。该系统考虑了反作用轮115和卫星100中储存的动量，该动量在高度非线性系统上产生平滑、不耦合的线性响应。作为示例，用于卫星100的反作用轮115可以具有10,000RPM的最高速度。然而，一旦由于卫星100控制轴的非线性耦合，反作用轮115具有4,000RPM的储存动量，卫星100可能变得不可控。
[0027] 而且，用于姿态控制系统125的动态逆控制可以被设计成在具有多个反作用轮115(例如，大于3个)并且反作用轮的旋转轴定向在任何方向上的卫星100上工作。控制系统125的该方面也可以在具有冗余和偏轴反作用轮115的先进卫星100上使用。本文公开的系统还考虑了卫星100控制轴和离轴反作用轮115之间的交叉耦合。
[0028] 姿态控制系统125的动态逆控制可以基于以下参数进行操作：反作用轮115的数量、每个反作用轮的质量惯性矩、卫星100(包括反作用轮115)的质量惯性矩张量)、沿着每个反作用轮的旋转轴指向的单位向量的坐标、每个反作用轮的
扭矩和速度限制、卫星100姿态摆率限制以及转速和姿态控制回路的闭环带宽。
[0029] 仅针对比例误差反馈进行操作的控制系统会在命令更改时导致卫星100的姿态滞后于期望定向。当卫星100试图跟踪运动目标(诸如地球表面)或与天底定向对齐时，会发生更改命令。滞后响应会导致显著的稳态指向误差(例如，大约10度)。
[0030] 可以通过添加积分控制算法来减少或消除这种稳态误差。然而，卫星100的姿态与反作用轮扭矩指令相距两个积分，并且系统的自然阻尼很小。这两个方面使得积分控制不受欢迎，因为任何积分控制都会导致姿态命令产生振荡和超调。
[0031] 前馈控制可以实现稳态误差接近于零的目标，同时又不会引起不必要的振荡和超调。唯一的权衡是，这些算法的开发难度稍微更大。尽管进行了额外的开发工作，但有两种不同的前馈控制算法解决了滞后响应问题。一种前馈算法设计用于指向向量控制(例如地球
位置指向)，并且第二种前馈算法设计用于完全约束姿态命令(诸如天底指向)。期望前馈控制系统将在没有建模误差和干扰的情况下完美地跟踪姿态命令。
[0032] 向量指向前馈控制算法通过使用叉积和点积导数来跟踪指向向量命令的变化率，该算法的输出是直接发送到内部回路旋转速率控制系统中的主体
框架旋转速率命令。仿真研究表明，使用该算法可使地球指向误差从大约10度减小到小于0.2度。
[0033] 完全约束的姿态命令前馈控制算法首先计算四元数姿态命令的时间导数。使用四元数数学方法(即乘积、共轭等)将四元数和四元数导数转换为主体框架旋转速率命令，其也直接发送到内部回路旋转速率控制系统中。与向量指向前馈控制算法的情况一样，实际上消除了天底指向模式下的稳态指向误差。
[0034] 控制系统内部回路可以将测量的主体转速、期望的主体转速和测量的反作用轮转速作为输入，以产生反作用轮115的期望反作用轮转速。
[0035] 指向命令生成器105可以是参考图2描述的对应元件的示例或包括其方面。导航系统110可以是参考图2和图4描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0036] 反作用轮115可响应于由外部回路生成的输出信号而旋转。反作用轮115还可以基于至少一个反作用轮115的旋转对卫星100进行定向。反作用轮115和反作用轮转速计120可以是参考图2和图4描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0037] 姿态控制系统125可以是参考图2描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0038] 图2示出了根据本公开的方面的具有动态逆的姿态控制系统220的示例。所示示例包括指向命令生成器200、导航系统205、反作用轮210、反作用轮转速计215和姿态控制系统220。
[0039] 指向命令生成器200可以提供期望的姿态以输入到姿态控制系统220。导航系统205可以提供估计的姿态和测量的主体旋转速度两者作为姿态控制系统220的输入。反作用轮转速计215可以监视反作用轮210，并提供测量的反作用轮速度以输入到姿态控制系统
220。
[0040] 控制系统外部回路225可将估计的姿态和期望的姿态作为输入并产生期望的主体旋转速率。控制系统内部回路230可将测量的主体转速、期望的主体转速和测量的反作用轮转速作为输入，以产生反作用轮210的期望反作用轮旋转加速度。
[0041] 指向命令生成器200可以是参考图1描述的对应元件的示例或包括其方面。导航系统205可以是参考图1和图4描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0042] 反作用轮210和反作用轮转速计215可以是参考图1和图4描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0043] 姿态控制系统220可以是参考图1描述的对应元件的示例，或包括其方面。姿态控制系统220可以包括外部回路225和内部回路230。
[0044] 外部回路225(也称为第一回路)可以确定本征向量以将卫星从一个定向旋转到另一个定向。在一些示例中，第一回路进一步包括接收卫星的期望定向和卫星的估计定向作为输入。在一些示例中，第一回路进一步包括基于卫星的估计定向和卫星的期望定向来执行卫星定向误差命令。在一些示例中，本征向量命令执行以将卫星定向误差命令分解为标量分量和向量分量。
[0045] 在一些示例中，第一回路进一步包括前馈控制系统。在一些示例中，前馈控制系统控制在至少一个反作用轮的旋转与指向目标之间的定时误差。在一些示例中，前馈控制系统考虑了与卫星相关联的跟踪盘形天线、天线、相机、机械臂和
太阳能电池阵列的运动。在一些示例中，前馈控制系统进一步包括接收期望定向作为输入。
[0046] 外部回路225可以是参考图3和图4描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0047] 内部回路230(也称为第二回路)可以执行非线性动态逆算法以将信号输出到卫星的至少一个反作用轮210。在一些示例中，第二回路进一步包括接收从第一回路确定的本征向量作为输入。在一些示例中，第二回路进一步包括从与卫星相关联的导航系统205接收测量的卫星旋转速率。在一些示例中，第二回路进一步包括从与卫星相关联的旋转轮转速计接收至少一个反作用轮的测量的反作用轮速度。
[0048] 在一些示例中，第二回路进一步包括为至少一个反作用轮确定期望的旋转加速度。在一些示例中，第二回路进一步包括接收至少一个反作用轮的质量惯性矩张量、至少一个反作用轮的旋转轴向量以及卫星的质量惯性矩张量。
[0049] 内部回路230可以是参考图3和图4描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0050] 图3示出了根据本公开的方面的姿态控制系统(诸如，图2的姿态控制系统220)的外部回路300的示例。所示示例包括外部回路300和内部回路330。
[0051] 控制系统外部回路300可以采用估计姿态305和期望姿态310作为输入。这些姿态中的每个都可以用四元数表示。估计姿态305和期望姿态310可以被组合以形成定向误差命令，该定向误差命令可以被传递到分解函数315。分解函数315可以生成向量分量(即，本征向量)和标量分量。期望姿态310可以被传递到前馈控制320。
[0052] 标量分量可以传递到限制器325。限制器325的输出可以与向量分量组合，并然后该组合乘积可以与前馈控制320的输出组合以产生期望的主体旋转速率。期望的主体旋转速率可以从控制系统外部回路300传递到控制系统内部回路330。
[0053] 外部回路300可以是参考图2和图4描述的对应元件的示例，或者包括其方面。外部回路300可以包括估计姿态305、期望姿态310、分解函数315、前馈控制320和限制器325。
[0054] 内部回路330可以是参考图2和图4描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0055] 图4示出了根据本公开的方面的姿态控制系统(诸如，图2的姿态控制系统220)的内部回路420的示例。所示示例包括外部回路400、导航系统405、反作用轮转速计410、反作用轮415和内部回路420。
[0056] 可以从控制系统外部回路400接收期望的主体旋转速率。导航系统405可以提供一个或多个测量的主体旋转速率。可以将主体旋转速率与期望的主体旋转速率结合以产生期望的主体旋转加速度。反作用轮转速计410可以提供测量的轮速度。
[0057] 卫星惯性矩(MOI)张量425可以代表卫星质量惯性矩。轮MOI矩阵430可以从反作用轮质量惯性矩和旋转轴导出。叉积函数435可以将测量的主体旋转速率以及测量的主体旋转速率与卫星MOI张量425和测量的轮速度的组合作为输入。叉积函数435可以输出欧拉矩。逆函数440可以生成轮MOI矩阵430的逆。
[0058] 卫星MOI张量425可以与期望的主体旋转加速度结合以产生力矩命令，然后可以将其与欧拉矩组合。可以将结果与逆矩阵430组合并传递到限制器445。然后，限制器445可以输出期望的反作用轮旋转加速度，并将其传递给反作用轮415。
[0059] 在一个示例中，反作用轮
角加速度的向量可以由下式给出：
[0060]
[0061] 其中
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] 并且其中Ib是主体质量惯性矩(包括反作用轮415)， 是相对于惯性空间的主体框架
角速度向量， 是相对于惯性空间的主体框架加速度向量，Iw是轮质量惯性矩矩阵，是反作用轮角旋转的向量，并且 是反作用轮415角加速度的向量。
[0066] 外部回路400可以是参考图2和图3描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0067] 导航系统405、反作用轮转速计410和反作用轮415可以是参考图1和图2描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0068] 内部回路420可以是参考图2和图3描述的对应元件的示例或包括其方面。
[0069] 图5示出了根据本公开的方面的用于对卫星进行定向的过程的示例。在一些示例中，这些操作可以由处理器执行一组代码以控制设备的功能元件来执行。附加地或替代地，可以使用专用硬件来执行过程。通常，可以按照根据本公开的方面描述的方法和过程来执行这些操作。例如，该操作可以由各
种子步骤组成，或者可以结合本文所述的其他操作来执行。
[0070] 在步骤500，系统可以确定本征向量以将卫星从一个定向旋转到另一个定向。在一些情况下，该步骤的操作可以涉及外部回路或由外部回路执行，如参考图2至图4所述。
[0071] 在步骤505，系统可以执行非线性动态逆算法以将信号输出到卫星的至少一个反作用轮。在一些情况下，该步骤的操作可以涉及参考图2至图4描述的内部回路或由其执行。
[0072] 在步骤510，系统可以响应于输出信号来旋转至少一个反作用轮。在一些情况下，该步骤的操作可以涉及反作用轮或由其执行，如参考图1、图2和图4所述。
[0073] 在步骤515，系统可以基于至少一个反作用轮的旋转来对卫星进行定向。在一些情况下，该步骤的操作可以涉及反作用轮或由其执行，如参考图1、图2和图4所述。
[0074] 图6示出了根据本公开的方面的姿态控制系统响应图600的示例。当与未实现所公开特征的替代系统相比时，姿态控制系统响应图600代表本文所公开系统的卫星定向时间改进的示例。
[0075] 控制系统响应图600可包括垂直轴605、
水平轴610、第一太阳指向命令615、第一地球表面指向命令620、第二太阳指向命令625、第一改进响应630、第一比较响应635、第二改进响应640、第二比较响应645、第三改进响应650和第三比较响应655。
[0076] 控制系统响应图600表示本文公开的姿态控制系统(改进的响应)对
现有技术(比较响应)的仿真研究。其他仿真(未示出)将具有初始设置为零速的轮的卫星的姿态响应与将轮初始设置为5,000RPM的另一情况进行了比较。对于本文公开的系统，具有5,000RPM初始轮速度的姿态响应与具有零初始轮速度的响应相同。轮中的储存动量已被完全考虑，并且不会导致不必要的耦合、超调、振荡或不稳定。
[0077] 垂直轴605可以以度为单位表示卫星指向误差。水平轴610可以以秒为单位表示时间。与第一比较响应635相比，第一改进响应630示出了对于第一太阳指向命令615的减少的响应时间。与第二比较响应645相比，第二改进响应640示出了对于第一地球表面指向命令620的减少的响应时间。与第三比较响应655相比，第三改进响应650显示出第二太阳指向命令625的减少的响应时间。
[0078] 在本说明书中描述的功能单元中的一些已经被标记为模块或部件，以更特别地强调它们的实现独立性。例如，模块可以被实现为包括定制超大规模集成(VLSI)电路或
门阵列，货架
半导体诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立部件的硬件电路。模块也可以在可编程硬件装置诸如
现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置等中实现。
[0079] 模块也可以在软件中实现以由各种类型的处理器执行。所识别的可执行代码模块可以例如包括计算机指令的一个或多个物理或逻辑块，该计算机指令可以例如被组织为对象、规程或功能。然而，所识别的模块的可执行文件不需要在物理上位于一起，而是可以包括存储在不同位置的不同指令，当这些指令在逻辑上结合在一起时，包括该模块并实现该模块的所述目的。
[0080] 实际上，可执行代码的模块可以是单个指令或多个指令，并甚至可以分布在若干个不同的代码段上、不同的程序之间以及若干个存储器装置上。类似地，操作数据可以在这里在模块内被识别和示出，并且可以以任何合适的形式体现并且可以在任何合适类型的数据结构内组织。操作数据可以被收集为单个数据集，或者可以分布在包括不同存储装置的不同位置上，并且可以至少部分地仅作为系统或网络上的
电子信号存在。
[0081] 尽管已经通过特定的实施例、示例和其应用描述了本文公开的本发明，但是本领域技术人员可以对其做出多种
修改和变化，而不背离权利要求中阐述的本发明的范围。
