可变面倾角的控制力矩陀螺群设计方法

摘要

本发明提供了一种可变面倾角的控制力矩陀螺群设计方法，用于航天领域的姿态控制执行机构。本发明在控制力矩陀螺群(CMGs)使用时，根据需要调节每个陀螺的框架轴在本体坐标系的方向，也就是改变面倾角，从而获取面倾角变化带来的力矩控制量。相对传统的控制力矩陀螺群是通过改变框架角而产生力矩，本发明还可以通过调节面倾角的大小产生力矩，从而获得一个额外的调节变量，同时陀螺群的奇异性得到很大的改善。

主权项

一种可变面倾角的控制力矩陀螺群设计方法，其特征在于，控制力矩陀螺群CMGs在使用时，设置每个陀螺的框架轴在本体坐标系的方向能够调节，并通过下面过程获得CMGs作用于星体的力矩；设CMGs由N个陀螺构成，对于每个陀螺i(i＝1,2,…,N)有如下参数定义：陀螺i的框架坐标系为原点位于陀螺质心，为陀螺i的框架轴向在星体坐标中的方向，为陀螺i的转子轴向在星体坐标中的方向，c_gi,c_si和c_ti分别为单位矢量和的列阵表示式；δ_i为陀螺i的框架角；Ω_ri为陀螺i的转子相对框架的转速；I_ri为陀螺i的转子相对陀螺质心的惯量矩阵，I_ri＝diag(I_rgi I_rsi I_rti)；(1)首先，获得CMGs的总角动量h_b为：h_b＝A_sI_rsΩ_r；其中，A_s＝[c_s1 c_s2 ... c_sN]，为CMGs的陀螺的转子轴向在星体坐标中的方向矩阵；I_rs＝[I_rs1 I_rs2 … I_rsN]，是CMGs中转子相对陀螺质心的惯量矩阵在转子轴向分量的矩阵；Ω_r＝[Ω_r1 Ω_r2 ... Ω_rN]^T，为CMGs的转子转速向量；(2)然后，获得CMGs作用于星体的力矩T_cmg为：其中，ω＝[ω_x ω_y ω_z]^T为航天器相对惯性坐标系的角速度，在星体坐标系中描述；为ω对应的反对称矩阵；其中中的元素为：是由于面倾角变化带来的力矩控制量；c_ti＝c_ti0cosδ_i‑c_si0sinδ_i，c_si＝c_si0cosδ_i+c_ti0sinδ_i；c_si0和c_ti0分别为c_si和c_ti的初始值；和分别为c_si0和c_ti0随时间的变化率。