CN106647793A

CN106647793A - 一种基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法

Info

Publication number: CN106647793A
Application number: CN201710090010.2A
Authority: CN
Inventors: 张艳召; 吴敬玉; 陈秀梅; 李小斌
Original assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2037-02-20
Also published as: CN106647793B

Abstract

本发明涉及一种基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，适用于中低轨道卫星对日定向控制，包含：S1、计算太阳矢量方位信息，包括在卫星轨道系下和卫星本体系下的坐标分量；以及计算太阳敏感器测得的两维姿态角；S2、计算地磁场矢量方位信息，包括在卫星轨道系下和卫星本体系下的坐标分量；S3、对日轴姿态计算，根据太阳和地磁场的双矢量定姿，得到对日状态下卫星本体系相对卫星轨道系的俯仰姿态；S4、以太阳敏感器测得的两维姿态角和双矢量定姿得到的俯仰姿态，作为姿态控制基准，实现对地三轴的姿态稳定控制。本发明既能保证全姿态模式下的对日定向稳定，又能保证对地三轴稳定姿态的偏差最小。

Description

一种基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法

技术领域

本发明涉及一种对日定向方法，具体是指一种基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，适用于中低轨道零动量卫星的对日定向。

背景技术

当卫星姿态失稳后，会进入安全控制模式，此时采用太阳敏感器信息作为控制基准，使得太阳光能够正面照射卫星的太阳帆板，从而保证整个卫星的能源供应。

因为太阳敏感器只能测出两维角度，当只采用太阳敏感器信息作为控制基准时，仅能保证对日轴与太阳光平行，但是对日轴的稳定控制则缺失。针对这种情况，目前所采用的方法是使对日轴处于无控状态，或者处于慢旋状态。如此则会存在以下弊端：即对日轴姿态的随机性会导致当前卫星姿态相对轨道的角度也是任意的，如果姿态相差较大，而执行机构的控制能力有限时，重新捕获地球的时间就会相对很长，甚至需要达到上千秒。

基于上述，目前亟需提出一种新型的对日定向方法，可基于磁强计和太阳敏感器的信息解算出对日轴相对轨道系的姿态作为姿态控制基准，即保证了对日定向控制，又保证了重捕地球的姿态偏差为最小，时间为最短。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，既能保证全姿态模式下的对日定向稳定，又能保证对地三轴稳定姿态的偏差最小。

为实现上述目的，本发明提供一种基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，适用于中低轨道卫星对日定向控制，包含以下步骤：

S1、计算太阳矢量方位信息，包括在卫星轨道系下和卫星本体系下的坐标分量；以及计算太阳敏感器测得的两维姿态角；

S2、计算地磁场矢量方位信息，包括在卫星轨道系下和卫星本体系下的坐标分量；

S3、对日轴姿态计算，根据太阳和地磁场的双矢量定姿，得到对日状态下卫星本体系相对卫星轨道系的俯仰姿态；

S4、以太阳敏感器测得的两维姿态角和双矢量定姿得到的俯仰姿态，作为姿态控制基准，实现对地三轴的姿态稳定控制。

所述的S1中，太阳敏感器安装在卫星的对日面上，使得太阳敏感器上的电池阵面对日设置；该电池阵面包括四片电池片。

所述的S1中，具体包含以下步骤：

S11、根据星历信息，推算太阳矢量在卫星轨道系下的坐标分量：

Sun_o＝[S_ox,S_oy,S_oz]^T；

将所述的太阳矢量在卫星轨道系下的坐标分量记为v₁；

S12、根据太阳敏感器信息，计算太阳矢量在卫星本体系下的坐标分量。

所述的S12中，具体包含以下步骤：

S121、计算太阳敏感器测得的两维姿态角：

其中，i_a、i_b、i_c、i_d分别为四片电池片受太阳光照射所产生的电流大小；

S122、计算太阳矢量在卫星本体系下的坐标分量：

将所述的太阳矢量在卫星本体系下的坐标分量记为r₁。

所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、根据星历信息，通过磁场公式推算地磁场矢量在卫星轨道系下的坐标分量B_o，记为v₂；

S22、根据磁强计信息，计算地磁场矢量在卫星本体系下的坐标分量B_b，记为r₂。

所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、根据太阳矢量在卫星本体系下的坐标分量r₁，以及地磁场矢量在卫星本体系下的坐标分量r₂，建立坐标系：

S32、根据太阳矢量在卫星轨道系下的坐标分量v₁，以及地磁场矢量在卫星轨道系下的坐标分量v₂，建立坐标系：

S33、计算卫星本体系相对卫星轨道系的姿态矩阵A_b←o：

A_b←o＝RV^T；

S34、计算俯仰姿态角θ_cal：

θ_cal＝arctan(-A_xz,A_zz)；

其中，A_xz和A_zz分别为姿态矩阵A_b←o中的第一行第三个元素和第三行第三个元素。

所述的S4中，将太阳敏感器测得的两维姿态角ψ_s，以及通过双矢量定姿得到的俯仰姿态角θ_cal作为控制***的姿态基准角度输入项，实现对地三轴的姿态稳定控制。

本发明提供的基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，在满足太阳敏感器的电池阵面对日安装的同时，还增加了对日轴的姿态计算，并与太阳敏感器测得的两维姿态角作为姿态控制的输入角度。因此，本发明方法既能保证全姿态模式下的对日定向稳定，又能保证对地三轴稳定姿态的偏差最小。

附图说明

图1为本发明中的基于磁强计和太阳敏感器的对日定向的姿态示意图；

图2为本发明中的太阳敏感器的测角示意图。

具体实施方式

以下结合图1和图2，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，为本发明所提供的基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，适用于中低轨道卫星对日定向控制；其中，假定对日轴为卫星本体系的-Yb轴，则太阳敏感器正面对日安装在卫星的-Yb面上。

所述的基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，包含以下步骤：

所述的S1中，具体包含以下步骤：

Sun_o＝[S_ox,S_oy,S_oz]^T；

将所述的太阳矢量在卫星轨道系下的坐标分量记为v₁；

所述的S12中，具体包含以下步骤：

S121、如图2所示，计算得到太阳敏感器测得的两维姿态角：

其中，i_a、i_b、i_c、i_d分别为设置在太阳敏感器对日面上的电池片a、b、c、d受太阳光照射所产生的电流大小；

S122、计算太阳矢量在卫星本体系下的坐标分量：

将所述的太阳矢量在卫星本体系下的坐标分量记为r₁。

所述的S2中，具体包含以下步骤：

所述的S3中，具体包含以下步骤：

S33、计算卫星本体系相对卫星轨道系的姿态矩阵A_b←o：

A_b←o＝RV^T；

S34、计算俯仰姿态角θ_cal：

θ_cal＝arctan(-A_xz,A_zz)；

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，其特征在于，适用于中低轨道卫星对日定向控制，包含以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，其特征在于，所述的S1中，太阳敏感器安装在卫星的对日面上，使得太阳敏感器上的电池阵面对日设置；该电池阵面包括四片电池片。

3.如权利要求2所述的基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，其特征在于，所述的S1中，具体包含以下步骤：

Sun_o＝[S_ox,S_oy,S_oz]^T；

将所述的太阳矢量在卫星轨道系下的坐标分量记为v₁；

4.如权利要求3所述的基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，其特征在于，所述的S12中，具体包含以下步骤：

S121、计算太阳敏感器测得的两维姿态角：

φ_{s} = a r c t a n (\frac{i_{c} + i_{d} - i_{a} - i_{b}}{i_{a} + i_{b} + i_{c} + i_{d}});

ψ_{s} = a r c t a n (\frac{i_{b} + i_{c} - i_{a} - i_{d}}{i_{a} + i_{b} + i_{c} + i_{d}});

其中，i_a、i_b、i_c、i_d分别为电池片a、电池片b、电池片c和电池片d受太阳光照射所产生的电流大小；

S122、计算太阳矢量在卫星本体系下的坐标分量：

将所述的太阳矢量在卫星本体系下的坐标分量记为r₁。

5.如权利要求4所述的基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，其特征在于，所述的S2中，具体包含以下步骤：

6.如权利要求5所述的基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，其特征在于，所述的S3中，具体包含以下步骤：

\begin{matrix} R = [\begin{matrix} R_{1} & R_{2} & R_{3} \end{matrix}] \\ R_{1} = r_{1} \\ R_{2} = \frac{r_{1} \times r_{2}}{| r_{1} \times r_{2} |} \\ R_{3} = \frac{r_{1} \times (r_{1} \times r_{2})}{| r_{1} \times (r_{1} \times r_{2}) |} \end{matrix};

\begin{matrix} V = [\begin{matrix} V_{1} & V_{2} & V_{3} \end{matrix}] \\ V_{1} = v_{1} \\ V_{2} = \frac{v_{1} \times v_{2}}{| v_{1} \times v_{2} |} \\ V_{3} = \frac{v_{1} \times (v_{1} \times v_{2})}{| v_{1} \times (v_{1} \times v_{2}) |} \end{matrix};

S33、计算卫星本体系相对卫星轨道系的姿态矩阵A_b←o：

A_b←o＝RV^T；

S34、计算俯仰姿态角θ_cal：

θ_cal＝arctan(-A_xz,A_zz)；

7.如权利要求6所述的基于磁强计和太阳敏感器的对日定向方法，其特征在于，所述的S4中，将太阳敏感器测得的两维姿态角ψ_s，以及通过双矢量定姿得到的俯仰姿态角θ_cal作为控制***的姿态基准角度输入项，实现对地三轴的姿态稳定控制。