專利名稱：一種基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法
技術領域：
本發(fā)明屬于航天器姿態(tài)控制領域，涉及一種基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法。
背景技術：
全姿態(tài)捕獲是指航天器丟失姿態(tài)基準或者需要重新定向姿態(tài)時的一種控制過程，可以使航天器對慣性定向；也可以使航天器某方向對太陽定向，保障整星能源，擇機重捕地球，轉回正常運行模式；或者直接轉回對地定向運行模式。以往衛(wèi)星全姿態(tài)捕獲控制過程一般采用噴氣控制方式，近年又針對小衛(wèi)星開展了磁控捕獲研究，而當前衛(wèi)星大多配置了動量輪，利用動量輪進行全姿態(tài)捕獲的研究卻很少涉及。關于全姿態(tài)捕獲的相關文獻有:屠善澄，衛(wèi)星姿態(tài)動力學與控制[M]，宇航出版社，2001:513 517，文中討論了基于陀螺、太陽敏感器和紅外地球敏感器的“太陽-地球捕獲”和“地球-太陽捕獲”兩種全姿態(tài)捕獲方式的原理和方法。錢山等，純磁控微小衛(wèi)星的姿態(tài)捕獲控制研究，宇航學報，32卷(1)，2011:7210，針對純磁控微小衛(wèi)星姿態(tài)捕獲問題，提出了一種基于姿態(tài)角和姿態(tài)角速度反饋的磁矩能量控制律。耿云海等，小衛(wèi)星主動磁控制地球捕獲姿態(tài)控制系統(tǒng)設計，航空學報，21卷,2000:142 145，設計了一種磁力矩器控制的磁偶極子算法，最后給出了某小衛(wèi)星姿態(tài)捕獲仿真結果。耿云海等，專利“CN201010296539基于磁力矩器和飛輪的衛(wèi)星姿態(tài)全方位控制方法”，給出了一種利用磁力矩器和飛輪完成衛(wèi)星入軌階段全方位姿態(tài)控制的方法，根據(jù)磁強計測量的地磁場強度向量、陀螺測量的衛(wèi)星角速度設計了一種計算磁力矩器控制的磁矩向量算法，磁阻尼完成后同時引入動量輪和太陽敏感器實現(xiàn)對日捕獲控制。上述方法存在如下不足:僅考慮了單獨對地或對日捕獲；采用推進系統(tǒng)或磁力矩器進行姿態(tài)捕獲，消耗燃料或捕獲速度慢；采用太陽敏感器，存在地影區(qū)不能見太陽的問題；采用磁強計，不僅增加了硬件配置而且需要考慮磁強計和磁力矩器分時工作問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是:針對航天器全姿態(tài)捕獲問題，提出一種工程可操作性強的、基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法。本發(fā)明包括如下技術方案:一種基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法，包括如下步驟:(I)速率阻尼根據(jù)陀螺測量數(shù)據(jù)預估姿態(tài)和角速度，動量輪作為執(zhí)行機構，采用ro控制律，將衛(wèi)星角速度阻尼到所確定的閾值；(2)恒星捕獲速率阻尼完成一定時間后，所述一定時間指大于星敏感器全天區(qū)捕獲時間指標，判斷星敏感器數(shù)據(jù)，如果星敏感器沒有識別出有效恒星，則轉動星體一定角度以改變搜索天區(qū)，再判斷星敏感器數(shù)據(jù)，直至完成恒星捕獲，獲得初始姿態(tài)，此過程動量輪作為執(zhí)行機構，采用ro控制律；所述一定角度是指至少大于2倍星敏感器視場范圍；(3)姿態(tài)更新和星本體地磁強度計算恒星捕獲完成后，如果星敏感器數(shù)據(jù)有效，則根據(jù)雙矢量幾何定姿原理，由星敏感器數(shù)據(jù)直接更新衛(wèi)星姿態(tài)；如果星敏感器數(shù)據(jù)無效，則根據(jù)陀螺測量數(shù)據(jù)預估姿態(tài)；根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道，采用地磁強度擬合算法計算航天器本體地磁強度；(4)太陽搜索和太陽定向姿態(tài)確定根據(jù)太陽信息進行太陽搜索和太陽定向的姿態(tài)確定；(5)目標捕獲姿態(tài)確定根據(jù)空間捕獲目標、姿態(tài)和軌道信息，確定星體相對目標的姿態(tài)和角速度；(6)輪控調姿和磁力矩器卸載。采用動量輪作為執(zhí)行機構完成太陽定向或目標捕獲，采用H)控制律；通過角度限幅，限制星體轉動角速度，避免動量輪飽和；利用星敏感器獲得有效初始姿態(tài)后，采用磁力矩器進行動量輪卸載，提高動量輪吸收角動量的能力；在地磁強度和角動量偏差矢量的夾角在45-135度范圍內，角動量偏差至少大于2倍動量輪角動量測量誤差，才進行磁卸載。所述步驟(I)中閾值的選取要考慮兩個方面:一是將星體角速度阻尼下來；二是為恒星捕獲提供條件，以滿足星敏感器的全天區(qū)捕獲功能對星體角速度大小的要求；通常取0.Γ0.3度/秒，但在星敏感器的全天區(qū)捕獲功能對星體角速度大小要求的80%內。
`
所述步驟(4)中太陽信息的獲取有兩種途徑:一是根據(jù)星上太陽敏感器確定太陽方位；二是根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)、軌道和太陽星歷確定太陽方位。所述步驟(2)中ro控制律的選取要考慮輪控作用后，動量輪不超過允許的角動量范圍并有10%的余量。所述步驟(6)中ro控制律的選取要考慮兩種情況:一要盡量確保星體角速度在一定范圍內，以利于星敏感器工作于跟蹤模式；二是輪控作用后，動量輪不超過允許的角動量范圍并有10%的余量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點:( I)本發(fā)明不僅能夠完成對日捕獲，而且能夠獲得其它目標姿態(tài)捕獲。(2)本發(fā)明采用姿態(tài)四元數(shù)描述姿態(tài)，在星敏感器數(shù)據(jù)有效時進行雙矢量定姿并更新姿態(tài)，數(shù)據(jù)無效時根據(jù)陀螺預估姿態(tài)，可以全天候工作。(3)本發(fā)明不需要磁強計，充分利用姿態(tài)和軌道信息估計星本體地磁強度矢量，采用磁力矩器進行動量輪卸載。(4)本發(fā)明不消耗航天器燃料。推進燃料作為航天器的一種有限資源，不消耗燃料意味著航天器壽命的延長、安全系數(shù)增大。動量輪是一種角動量管理裝置，因此在系統(tǒng)角動量受限情況下，即使執(zhí)行機構發(fā)生故障，星體角速度也會保持在一定范圍內，從而避免因系統(tǒng)異常導致星體高速旋轉危害整星安全。


圖1為本發(fā)明實現(xiàn)流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法具體實現(xiàn)步驟如下:(I)速率阻尼根據(jù)陀螺測量數(shù)據(jù)預估姿態(tài)和角速度，采用姿態(tài)四元數(shù)描述，默認初始姿態(tài)為O。動量輪作為執(zhí)行機構，采用ro控制律，將衛(wèi)星角速度阻尼到較小的閾值(如0.15度/秒，設計依據(jù):在0.3度/秒內星敏感器能進行全天區(qū)識別)。(2)恒星捕獲速率阻尼完成一定時間后50秒(設計依據(jù):星敏感器全天區(qū)捕獲時間優(yōu)于45秒)，判斷星敏感器數(shù)據(jù)，如果星敏感器沒有識別出有效恒星，則轉動星體一定角度以改變搜索天區(qū)，再判斷星敏感器數(shù)據(jù)，直至完成恒星捕獲，獲得初始姿態(tài)。如星體轉動角速度為0.15度/秒，每次轉動先繞某軸轉動45度，該軸完成一周天轉動后，再繞另外一軸轉動90度，如此反復，直至完成恒星捕獲。動量輪作為執(zhí)行機構，采用H)控制律。通過角度限幅，可以限制星體轉動角速度，避免動量輪飽和，以轉動星體某軸為例，假設角度限幅值為θ mlf，輪控PD控制參數(shù)分別為kp、kd(kp、kd分別代表ro控制律的比
例、微分參數(shù))，則星體轉動角速度最大可達，若該軸轉動慣量為I e，則動量輪角動量
需求為去.^mlt ，考慮到工程實際,動量輪角動量余量要大于動量輪角動量范圍的10%,這可以通過調整91^、1^和匕來實現(xiàn)。(3)姿態(tài)更新和星本體地磁強度計算恒星捕獲完成后，如果星敏感器數(shù)據(jù)有效，則根據(jù)雙矢量幾何定姿原理，由星敏感器數(shù)據(jù)更新衛(wèi)星姿態(tài)；星敏感器數(shù)據(jù)無效，則根據(jù)陀螺測量數(shù)據(jù)預估姿態(tài)，預估算法屬于常規(guī)算法。根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道，采用地磁強度擬合算法計算衛(wèi)星本體地磁強度。如果僅單星敏感器數(shù)據(jù)有效，則姿態(tài)更新算法如下(以星敏感器A為例):I)如果星敏感器輸出數(shù)據(jù)為四元數(shù)，則:Cbi — [^ab , Yab , Zjb] ■ Aq {<lmA )，2)如果星敏感器輸出數(shù)據(jù)為測量軸矢量，則Ai=Zai ; Bi=Xai ; C1=A1 X B1; Ab-Zab ; Bb-Xab ; Cb-Ab X Bb ;Cbi= [Ab, BbjCb].[A1, B11C1]1;3)計算本體系相對軌道系的姿態(tài)矩陣Cb0=Cb1-Ct01]4)將姿態(tài)矩陣Cbi轉換為姿態(tài)四元數(shù)并賦給f。如果有兩個星敏感器(記為A、B)數(shù)據(jù)同時有效，則姿態(tài)更新算法如下:I)如果星敏感器輸出數(shù)據(jù)為四元數(shù)，則: 對星敏感器輸出數(shù)據(jù)進行處理，得到ZA1、Zbi ；2 )計算3矢量在慣性系中的表示Ai=Zai ；Bi=Zbi ；B1=A1 X B1 !B1=B1/ | B1 ；C1=A1 X B1 ；3 )計算3矢量在本體系中的表示Ab=Zab ； Bb=Zbb ； Bb=Ab X Bb ； Bb=Bb/ | Bb | ； Cb=Ab X Bb ；4)計算本體系相對慣性系的姿態(tài)矩陣
Cbi= [Ab, Bb, Cb].[A1, B1, C1]τ ;5)計算本體系相對軌道系的姿態(tài)矩陣Cbo = Cm (6)將姿態(tài)矩陣Cbi轉換為姿態(tài)四元數(shù)并賦給歹上述公式中</ 、Zai (Zbi)、Xai分別為星敏感器輸出的四兀數(shù)、光軸和橫軸矢量，Zab (Zbb)、XAB, Yab分別為星敏感器光軸、橫軸、Y軸在星體系的安裝位置，Cbi為本體系相對慣性系的姿態(tài)矩陣，Cm為本體系相對軌道系的姿態(tài)矩陣，C01為軌道轉換矩陣，函數(shù)Aq (.)為將四元數(shù)化為姿態(tài)矩陣的計算公式，屬于公知算法。如果星敏感器數(shù)據(jù)無效，則陀螺預估姿態(tài)四元數(shù)算法如下:
權利要求
1.種基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法，其特征在于包括如下步驟: (1)速率阻尼 根據(jù)陀螺測量數(shù)據(jù)預估姿態(tài)和角速度，動量輪作為執(zhí)行機構，采用ro控制律，將衛(wèi)星角速度阻尼到所確定的閾值； (2)恒星捕獲 速率阻尼完成一定時間后，所述一定時間指大于星敏感器全天區(qū)捕獲時間指標，判斷星敏感器數(shù)據(jù)，如果星敏感器沒有識別出有效恒星，則轉動星體一定角度以改變搜索天區(qū)，再判斷星敏感器數(shù)據(jù)，直至完成恒星捕獲，獲得初始姿態(tài)，此過程動量輪作為執(zhí)行機構，采用ro控制律；所述一定角度是指至少大于2倍星敏感器視場范圍； (3)姿態(tài)更新和星本體地磁強度計算 恒星捕獲完成后，如果星敏感器數(shù)據(jù)有效，則根據(jù)雙矢量幾何定姿原理，由星敏感器數(shù)據(jù)直接更新衛(wèi)星姿態(tài)；如果星敏感器數(shù)據(jù)無效，則根據(jù)陀螺測量數(shù)據(jù)預估姿態(tài)；根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)和軌道，采用地磁強度擬合算法計算航天器本體地磁強度； (4)太陽搜索和太陽定向姿態(tài)確定 根據(jù)太陽信息進行太陽搜索和太陽定向的姿態(tài)確定； (5)目標捕獲姿態(tài)確定 根據(jù)空間捕獲目標、姿態(tài)和軌道信息，確定星體相對目標的姿態(tài)和角速度； (6)輪控調姿和磁力矩器卸載。
采用動量輪作為執(zhí)行機構完成太陽定向或目標捕獲，采用ro控制律；通過角度限幅，限制星體轉動角速度，避免動量輪飽和；利用星敏感器獲得有效初始姿態(tài)后，采用磁力矩器進行動量輪卸載，提高動量輪吸收角動量的能力；在地磁強度和角動量偏差矢量的夾角在45-135度范圍內，角動量偏差至少大于2倍動量輪角動量測量誤差，進行磁卸載。
2.據(jù)權利要求1所述的基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法，其特征在于:所述步驟(1)中閾值取0.Γ0.3度/秒，在星敏感器的全天區(qū)捕獲功能對星體角速度大小要求的80%內。
3.據(jù)權利要求1所述的基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法，其特征在于:所述步驟(4)中太陽信息的獲取有兩種途徑:一是根據(jù)星上太陽敏感器確定太陽方位；二是根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)、軌道和太陽星歷確定太陽方位。
4.據(jù)權利要求1所述的基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法，其特征在于:所述步驟(2)中ro控制律的選取要考慮輪控作用后，動量輪不超過允許的角動量范圍并有10%的余量。
5.據(jù)權利要求1所述的基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法，其特征在于:所述步驟(6)中ro控制律的選取要考慮兩種情況:一要盡量確保星體角速度在一定范圍內，以利于星敏感器工作于跟蹤模式；二是輪控作用后，動量輪不超過允許的角動量范圍并有ιο%的余量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法，包括如下步驟(1)速率阻尼；(2)恒星捕獲；(3)姿態(tài)更新和星本體地磁強度計算；(4)太陽搜索和太陽定向姿態(tài)確定；(5)目標捕獲姿態(tài)確定；(6)輪控調姿和磁力矩器卸載。本發(fā)明針對航天器全姿態(tài)捕獲問題，提出一種工程可操作性強的、基于動量輪控制的全姿態(tài)捕獲方法。
文檔編號G05B13/04GK103092209SQ20131003748
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權日2013年1月30日
發(fā)明者袁軍, 王新民, 徐福祥, 柯旗, 張俊玲, 何英姿, 田科豐, 周劍敏, 趙性頌, 程莉, 魏懿 申請人:北京控制工程研究所